大跨度钢结构施工用临时支撑体系的设置与优化

 白  洁，葛  杰，苗冬梅，马荣全

 （中国建筑第八工程局有限公司工程研究院，上海200122）

[摘要]大跨度钢结构的施工过程是由局部到整体的过程，结构未成型之前尚不能完全靠自身承载或保持稳定，因此在其建造过程中需临时支撑。然而目前临时支撑多根据经验设置，设置数量往往偏于保守，加之临时支撑体系的加工制作、安装以及后期拆除均须耗费大量的人力、物力和时间，因而有必要对临时支撑体系进行优化。根据以往施工案例总结了大跨度钢结构临时支撑体系的布置原则，并以中国博览会会展综合体项目为例，提出了大跨度钢结构临时支撑体系的优化方法。

[关键词]钢结构；临时支撑；安装；优化

[中图分类号] TU746.3  [文章编号]1002-8498(2016)09-0017-04

1  临时支撑体系的作用

 大跨度钢结构的施工过程是由局部到整体的过程，结构未成型之前尚不能完全靠自身承载或保持稳定，通常需要在安装阶段预先搭设临时支撑，在结构安装完成后，再按照预定的方法及顺序拆除这些临时支撑。临时支撑在施工过程中有如下作用：①为主体结构的高空安装提供操作平台；②保持已安装结构构件的稳定性；③减小安装过程中主体结构的内力、变形；④提高主体结构施工过程的安全性及安装精度。

2  临时支撑体系的布置原则

 设置临时支撑几乎是所有大跨度结构安装过程中必然遇到的问题，但是临时支撑改变了结构的设计受力状态，可能会造成临时支撑点处及附近区域的杆件内力加大，引起安装过程中结构构件的破坏。如何选择一个适合大跨度空间结构临时支撑布置，保证结构安装的安全可靠性而又符合现场下部结构形式便于施工，成为一个值得探讨的问题。

 临时支撑的布置与结构的施工方法有关。空间钢结构的常用施工方法有高空散装法、吊装法、滑移法、整体提升法、整体顶升法等。高空散装法常采用满堂脚手架布置；滑移法结构在脚手架平台上安装；吊装法、整体顶升法或整体提升法施工时由于结构跨度较大，通常在结构上设置多个临时支撑点，这些支撑点通常可以通过拉杆或者斜撑形成一个整体。

 当大跨度钢结构施工需要设置多个临时支撑点时，其设置的基本原则如下：①根据主体结构与施工区段的划分，分块进行临时支撑的设置；②临时支撑的设置应与施工吊装方案设计相结合，保证吊装过程中已安装结构的稳定性；③对于基本对称的结构，一般可按经验方法在屋盖平面的中心或者桁架平面投影的中点设置一临时支撑，其余支撑按对称原则设置；④充分利用主体结构强度，减少不必要的临时支撑。可在主桁架下设置部分临时支撑，待主桁架分段吊装完毕后，将主桁架作为次桁架安装的支撑点。

3  临时支撑体系的优化方法

 大跨度钢结构施工过程中用到的临时支撑数量大，规格多。为满足施工要求，需要投入大量的人力、物力和时间进行临时支撑的加工制作、安装以及后期拆除。因而，对临时支撑体系进行优化对缩短施工时间、节省施工费用很有必要。可以从临时支撑体系设计、布置、使用等方面进行优化。①采用通用组合式临时支撑；②提高临时支撑循环利用率；③优化吊装顺序、减少临时支撑；④合理减少悬挑端临时支撑数量。

3.1  采用通用组合式临时支撑

 在大跨度钢结构安装过程中，需要利用各种各样的胎架，以方便安装、控制构件几何精度，若这些胎架不具备互换性，往往当一种产品完工后，与之相应的胎架便失去了作用，所有工程竣工后钢结构施工胎架必然会造成长期闲置并带来浪费。这样不仅增加了制造成本，而且延缓了生产进度、降低了劳动生产率。因此，研制具有互换性、通用性且简便易操作的胎架对钢结构制造非常必要。

 以中国博览会会展综合体项目为例，该项目采用的临时支撑为格构柱，由底座、标准节、顶部平台组成。格构柱布置于桁架下方，承受桁架自重及安装活荷载，格构柱设置在16m楼板上，楼板下方由格构柱顶紧支承。格构柱根据高度不同共分41，27，7m 3种类别，如图1所示。格构柱均采用4根钢管（ɸ159×8）为主肢、圆管（ɸ133×6）为缀条组成的格构式截面，管中心间距为2 000mm×2 000mm，材质为Q345B。临时支撑在使用完毕后可以将标准节进行循环再利用。

3.2提高临时支撑循环利用率

 大跨度钢结构若采用分区安装的方法，当一块 区域的钢结构安装完毕并形成稳定结构后，可以将该区域的临时支撑拆除，并将其倒运至新的安装区域，实现临时支撑的循环利用，提高临时支撑的利用率。以中国博览会会展综合体项目为例，该项目的典型施工步骤如下：①第1步  安装C-1，C-2单元桁架临时支撑，安装C-1，C-2单元桁架(见图2a)；②第2步安装C-3，C-4单元桁架临时支撑，安装C-3，C-4单元桁架（见图2b）；③第3步  拆C1，C2单元桁架临时支撑，安装C-5，C-6单元桁架临时支撑，安装C-5，C-6单元桁架（见图2c）。

3.3优化吊装顺序、减少临时支撑

 中国博览会会展综合体项目通过如下2种施工方案的比选，确定了一种支撑数量最少的安装方案，实现了108m跨三角管桁架的无支撑安装。其中108m跨桁架位置如图3a所示，纵向连系桁架位置如图3b所示。

 1)方案1在108m跨桁架中部下方加设临时支撑，将其分为2段，每段长54m，质量为31~47t。 

2)方案2 108m跨桁架中部不设置临时支撑，而是先安装纵向连系桁架，利用纵向连系桁架作为支撑。108m跨桁架分为2段，每段长度为54m，质量为31~47t;纵向连系桁架处跨度为36m。方案2利用提前安装的相邻2榀桁架以及36m跨纵向转换桁架，实现了108m跨三角管桁架的无支撑安装。

3.4合理减少悬挑端临时支撑

 中国博览会会展综合体项目C1区屋面两侧有最大39m的大跨度悬挑段。原施工方案在悬挑端设置了临时支撑，位于图4所示两侧方框内。考虑到该悬挑段受力受相邻榀桁架影响不大，且施工阶段与设计阶段的荷载、边界条件等差异不大，有必要通过分析计算验证该悬挑段的临时支撑是否可以取消。

 采取有限元软件MIDAS中的施工过程模拟模块对取消悬挑端临时支撑后的施工过程进行模拟分析，分析采用2种荷载组合：①1.0D+1.0L;②1. 35D+1.4×0.7L。其中D表示恒荷载，L表示施工活荷载，取1.0kN／m2。

 荷载组合1下各施工步悬挑端的z向最大位移分析结果如表1所示。荷载组合2下各施工步的最大应力计算结果与最大应力比验算结果如表2所示。

 由表1可知，悬挑端最大竖向位移为- 101. 90mm。根据《空间网格结构技术规程》JGJ7-

2010  3.5.1节规定空间网格结构在恒荷载与活荷载标准值作用下的悬挑端最大挠度值不宜超过L／125（L为悬挑跨度）。结构最小悬挑长度为17m，悬挑端挠度限值为17 000/125=136mm>101. 90mm。因此，结构在施工期间的挠度值满足规范要求。

 由表2可知，在各施工步下结构的最大应力为80. 48MPa，小于构件的强度设计值f=310N/mm2，各施工步下结构的最大应力比为0. 35<1.0，故取消悬挑段支撑后，结构在施工过程中是安全的。

 实际施工操作时，可采用起重机辅助下的焊接工艺完成悬挑段安装。

3.5  临时支撑优化结果对比分析

 将108m跨中和悬挑段均有支撑、108m跨中和悬挑端均无支撑这两种支撑布置方式下的施工过程模拟分析结果进行对比，结果如下。

 上述2种支撑布置方式下，荷载组合1计算得到的各施工步悬挑端最大竖向挠度计算结果如图5所示。由图可知，悬挑端无支撑的计算结果略大于悬挑端有支撑的计算结果，但施工完毕后2种支撑布置方式得到的悬挑端竖向挠度计算结果差异不大。

 上述2种支撑布置方式下，荷载组合2计算得到的各施工步构件最大应力比结果如图6所示。由图6可知，2种支撑布置方式下各施工步构件的最大应力比均<0.5。悬挑端有支撑的应力比在第8施工步较悬挑端无支撑的应力比明显增大，最大应力比杆件位于悬挑端临时支撑附近，说明悬挑端的临时支撑使其附近构件的应力比增大。

 由于采取不同的施工方案会影响结构最终成型形态，将1.0自重作用下施工完毕后，悬挑端和108m跨中均有支撑的位移计算结果与悬挑端和108m跨中均无支撑的位移计算结果进行对比，各榀主桁架悬挑端的最大竖向位移计算结果如表3及图7所示。当108m跨中和悬挑端均有支撑时，各主桁架悬挑端最大竖向位移为- 75. 20mm；当108m跨中和悬挑端均无支撑时，各主桁架悬挑端最大竖向位移为- 82. 16mm。同一榀主桁架悬挑端最大竖向位移差为11. 51mm，该差值仅为悬挑端跨度的约1/3 000，差距很小。

 由上述对比分析可知，同时取消悬挑端与108m跨中临时支撑不仅对施工过程的安全无影响，且可以降低临时支撑附近结构杆件的应力水平，并对施工完毕后结构的最终成型状态影响不大。因此，最终施工采用了取消悬挑端以及108m跨中临时支撑的施工方法。

4  结语

 由上文分析可知，虽然临时支撑起着保持施工过程中结构稳定，提高施工过程安全度，并为施工提供操作平台的作用，是大跨度钢结构施工过程中必不可少的施工辅助措施，然而由于其用量大、规格多、制作与拆除需要花费大量的人力物力，因此有必要对其设计、使用与布置进行优化。本文以中国博览会会展综合体项目C1区大跨度屋盖施工过程为例，给出了临时支撑优化的4种方法，并对优化后的支撑布置方式进行了施工过程模拟，得出如下结论。

 1)采用通用组合式临时支撑可以提高临时支撑的装配化程度，提高临时支撑在各项目间的通用性，从而提高其重复利用率，节约成本。

 2)对于分块施工等有序的施工方案，可以在某区域结构形成稳定的结构体系之后，拆除该区域的临时支撑，倒运到后续安装的区域，从而提高临时支撑的利用率，减少施工所需临时支撑的数量，节约成本。

 3)可以通过优化吊装顺序，充分利用主体结构的强度，减少部分不必要的临时支撑。

 4)对于悬挑端的临时支撑，可通过施工过程模拟验证其取消的可行性。