长悬挑钢结构施工过程模拟与监测

 归洛圣1，程  斌1，丁  勇2，俞水良3

（1．上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240；2．宝钢工程建设有限公司，上海201999；3．上海河道建设有限公司，上海201713）

[摘要]悬挑钢结构施工过程中的一个重要环节是体系转换施工，这很大程度上决定了施工安全性和构件安装精度。采用有限元软件MIDAS对杭州西湖苹果旗舰店的施工全过程进行数值模拟，基于分析结果确定结构在各施工阶段下的应力与变形最大截面位置，并在施工过程中进行重点监测。结果表明：有限元模型能够较好地模拟该结构在各施工阶段下的受力状态，并且有助于评判现场监测数据的准确性和有效性。通过计算分析与现场监测，确保了结构在整个施工过程中的应力和变形始终处于容许范围之内。

[关键词]钢结构；悬挑；施工；体系转换；数值模拟；监测

[中图分类号]TU391[文章编号]1002-8498(2016)08-0092-05

0  引言

 近年来，建筑钢结构的形式日趋新颖复杂，相应的施工技术要求也不断提升。一些较为大型和复杂的悬挑钢结构，如重庆大剧院、上海新国际博览中心、国家大剧院等，施工过程中普遍采用设置临时支撑的方法，以实现结构体系转换。如何在施工过程中保证主体结构和临时支撑的应力和变形符合规范，并且使得构件的安装精度满足后续工序（包括非结构件安装）的要求，成为悬臂结构施工中最为关键的问题。

 本文以杭州西湖苹果旗舰店为例，给出了通过施工过程分析与现场监测双重确保悬臂施工安全性和精确性的具体方法。

1  工程概况

 本工程为3层长悬挑钢框架结构，如图1所示。1—3层的层高分别为5. 019，4.805，4.806m。主体结构分为后场与前场部分，其中后场主框架结构的柱网尺寸为13. 85m×3.05m，钢柱采用焊接1700×750×25×40截面。前场部分为2层悬挑结构，2层楼面共11根悬挑梁，悬挑长度10. 525m，采用焊接1750×(1 135～154)×25×40变截面；屋面共7根悬挑梁，悬挑长度11. 744m，采用焊接1550×(1 010~170) x20×35变截面。2，3层楼面采用总厚度为130mm的压型钢板一现浇混凝土组合楼板，2层悬挑区域外侧局部铺设混凝土预制板，屋面采用压型钢板。

 悬挑结构施工采用临时支撑法，即首先完成后场结构安装，并在悬挑梁自由端位置搭设临时支撑；然后将钢梁一端支承在临时支撑上，另一端采用螺栓与后场结构临时固定；待钢梁标高调整到位后，进行钢梁根部截面与后场结构之间的等强度焊缝连接；最后再拆除临时支撑，完成卸载成型。图2为临时支撑的立面布置，支撑两侧设置缆风绳保证平面外稳定性。

 结构外围采用玻璃幕墙，后期装修工程对主体钢结构的标高误差提出了很高的要求，因此同时采用数值模拟和现场实测的方法对施工全过程进行分析和监控，以确保施工安全性和构件安装精度。

2有限元分析

 采用有限元软件MIDAS/Civil对施工全过程进行数值模拟，各施工阶段通过单元和荷载的增减来实现。有限元模型的构件布置及截面尺寸严格按照结构施工图纸，整体模型如图1所示。

 施工阶段主要考虑结构自重和施工荷载作用，其中钢构件自重通过软件自动考虑，其余各层荷载包括：①2层楼面：现浇混凝土楼板自重、预制混凝土楼板自重、施工临时荷载；②3层楼面：现浇混凝土楼板自重、施工临时荷载、堆载（用于模拟后期的空调、各种管道、减振阻尼器等装修荷载）；③屋面：堆载（用于模拟后期的空调、各种管道、减振阻尼器等装修荷载）。

 综合考虑结构构造、吊装设备、现场条件等因素，整个施工过程分为16个阶段，其中安装后场结构、安装下层支撑及2层楼面悬挑梁、安装上层支撑及屋面悬挑梁、安装其他钢构件、拆除临时支撑、浇筑混凝土楼板、屋面堆载等7个阶段为关键阶段，如图3所示。需要指出的是，由于主体结构竣工时楼屋面的各种设备（空调机组、管道、阻尼器等）尚未安装，因此专门设立了一个楼屋面堆载施工阶段，通过砂袋堆载对后期的装修荷载进行模拟和实测，从而确认悬挑结构的最终标高也在设计容许范围之内。

3施工监测

3.1监测内容

 1)钢板应变  在2层楼面11根纵向悬挑梁和2根横向悬挑梁、屋面7根纵向悬挑梁以及2根钢柱的根部位置截面（即计算应力最大位置）设置总共92个应变测点。

 2)竖向位移在2层楼面11根纵向悬挑梁和屋面7根纵向悬挑梁的自由端设置总共18个位移测点。典型的测点位置如图4所示。

3.2监测步骤

 1)对于拆除临时支撑阶段，施工开始前采集数据1次；然后对悬挑梁下的临时支撑千斤顶进行逐根卸载，每卸载一个梁端千斤顶采集数据1次；全部卸载结束后，再采集数据1次。

 2)对于浇筑楼面混凝土阶段，施工开始前采集数据1次；混凝土浇筑过程中每1h采集数据1次；施工结束后再采集数据1次。

 3)对于楼屋面堆载阶段，堆载过程中每1h采集数据1次；堆载结束后再采集数据1次。

4结果分析

4.1  临时支撑验算

 首先对临时支撑在悬挑结构自重和各种施工荷载作用下的力学性能进行了分析，结果表明临时支撑梁的最大拉、压应力分别为23.4，- 25.5 M Pa，临时支撑柱的最大压应力仅为- 24MPa，临时支撑梁的竖向位移均小于2mm。因此，整个临时支撑的刚度和强度均满足要求。

4.2截面应力

4.2.1  钢柱

 本工程结构共有前、后两排柱，计算结果表明前排柱的应力水平明显高于后排柱，且前排柱中最外侧的两根边柱截面应力值最大，这是双向弯曲应力叠加造成的，因此重点对这2根钢柱的截面应力进行监测。

 图5为拆除临时支撑、浇筑混凝土楼板、楼屋面堆载3个施工阶段累计下来的钢柱应力计算值与实测值对比，可以看到实测值略高于计算值（最大误差29%），钢柱在这3个关键施工阶段的应力总增幅在31MPa以内，整体应力水平较低，满足规范安全要求。

4.2.2悬挑梁

 1)拆除临时支撑阶段

 拆除临时支撑之后，钢梁将由两端支承状态转换为一端悬臂状态，钢梁根部截面应力和自由端竖向位移均将明显增大。

 图6a为2层楼面悬挑梁在拆除临时支撑阶段的截面应力实测值及其与计算值的对比，可以看到，两者误差平均值和最大误差分别为-1.15%和51%，整体应力水平较低且符合预期。

 图6b为屋面悬挑梁在拆除临时支撑阶段的截面应力数据，应力实测值与计算值之间的误差水平与2层楼面梁相当，误差平均值和最大值分别为14%和64%。截面各测点的实测应力值介于18.9~32. 6MPa，略高于计算结果17.8~29，2MPa，但同样符合预期。

 2)浇筑混凝土楼板阶段

 对于2层楼面，现浇混凝土楼板也是导致悬挑梁应力和挠度增长较多的一个重要施工阶段。图7为2层楼面悬挑梁在该施工阶段下的截面应力实测值与其计算值对比，实测应力误差的平均值和最大值分别为24%和79%，处于可接受范围之内。从应力水平来看，截面各测点的实测应力值介于2.5~20. 5MPa，与拆除下层临时支撑施工阶段基本相当，应力水平同样较低且符合预期。

 3)楼屋面堆载阶段

 图8a为2层楼面悬挑梁在楼屋面堆载阶段的截面应力实测值及其与计算值对比，两者误差平均值和最大值分别为16%和85%。各测点应力水平较低(6.6~  21. 4MPa)，与计算结果(5.3~20. 9MPa)也比较吻合。图8b为屋面悬挑梁截面的应力对比情况，各测点的实测应力值介于12.1~33. 4MPa，略高于计算值范围(10.3~26. 7MPa)。

 4)施工阶段累计

 图9a反映了从拆除临时支撑到楼屋面堆载结束整个悬臂施工过程的悬挑梁截面应力叠加值对比。实测应力累计在13.9~45. 3MPa，显著低于钢材的设计强度。实测值与计算值相比的误差最大值为36%。图9b为屋面悬挑梁的相应数据累加结果，实测误差与2层楼面梁相比更大，实测应力值( 31.0~61. 7MPa)也更高，但仍然显著小于钢材设计强度。

 可以认为，施工过程有限元分析和现场应力监测均正确反映了本工程结构在悬臂施工阶段的真实受力状态，并为整个施工过程提供了实时的安全保障。

4.3竖向位移

 本项目的外围玻璃幕墙安装工程对钢结构安装精度的要求较高，设计对2层楼面和屋面悬挑梁的外端标高提出了±25mm（相对于设计标高）的要求，因此悬挑梁竖向位移监控也是施工过程中的一个重要内容。此外，为确保最终竣工结构的平顺性（最终标高一致），设计还对不同悬挑梁设置了不同的预拱度值，这也给钢结构安装的精度控制增加了难度。

 表1和表2分别给出了2层楼面和屋面悬挑梁在各主要施工阶段的竖向位移值以及实测标高值。可以看到，在拆除临时支撑、现浇混凝土楼板、楼屋面堆载这3个主要施工阶段下，尽管竖向位移实测值与计算值之间存在误差，但最终累计下来的2层楼面和屋面悬挑梁外端位移偏差分别在16mm和8mm以内，梁端最终实测标高与设计标高的误差值均在可接受范围内。

 由此可见，基于数值模拟结果进行预判，并通过控制每一个施工阶段的悬挑梁外端竖向位移值在合理接受范围，即可确保悬挑结构的最终标高满足设计要求。

5结语

 本文通过对某长悬挑钢结构的施工全过程进行数值模拟和实时监测，确保结构在各施工阶段下的截面应力与梁端变形始终处于设计容许范围之内。结果表明理论分析与现场实测均取得了良好的工程效果，对今后类似结构的悬臂施工具有参考与借鉴意义。