大型商场悬挑桁架施工顺序模拟分析——以厦门某大型商场屋面悬挑桁架施工为例

林基聪

(厦门合立道工程设计集团股份有限公司 福建厦门 361004)

0 引言

随着现代经济和建筑技术的发展，许多城市建造了大量公共建筑，这些公共建筑为了满足功能和造型的需要，往往具有较大的跨度或者较大的悬挑长度。对于这类的建筑，临时支撑的安装和拆卸等边界条件的改变，都会引起较大的变形，从而引起结构的内力重分布。对于这类建筑，按传统经典力学，不考虑材料的徐变、收缩和强度发展，不考虑施工阶段荷载、不考虑施工安装设备、临时支撑的安装和拆卸等边界条件的改变，不考虑结构依次成型不断发生的内力重分布，而只考虑使用阶段的荷载。然而，按一次性加载或者逐层加载的传统计算分析方式，不能满足工程需要。这类建筑的设计过程，应根据结构的施工顺序，综合考虑结构的构件、荷载、边界条件等变化进行施工分析。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)[1]第5.1.9条规定，“复杂高层建筑及房屋高度大于150m其他高层建筑结构，应考虑施工过程的影响”。

目前，3D3S、SAP2000、Midas Gen等软件有专门的施工模拟模块来实现施工顺序的模拟，其中3D3S主要针对钢结构的施工模拟；Ansys和Abaqus等通用有限元软件，可以分别通过生死单元的概念ekill, ealive缩小杀死单元刚度和通过model change, remove/add追踪单元实现施工模拟。

本文以厦门某大型商场屋面悬挑桁架为例，利用有限元软件Midas Gen对其进行施工模拟，并针对分析结果给出相应的施工建议。

1 工程概况

该项目位于厦门市仙岳路与嘉禾路交叉地带，地下3层，地上为18层酒店和4层商业裙房，檐口高度分别为85.6m和22.8m，地上商业面积约6.3万m2，平面呈L型布置，效果图如图1所示。

由于建筑造型原因，图1中圈出位置最大悬挑位置分别逐层外挑，其顶层最大外挑长度达分别达到11.6m和7.7m，其平面位置如图2所示。其中a-B轴的悬挑长度最大，在屋面层和构架层设置悬挑桁架，通过屋面悬挑桁架和吊柱，减少三层、四层悬挑长度8m，将原11.6m的悬挑长度降为3.6m，提高结构的安全性和舒适性，其结构剖面示意如图3所示。

图1 项目效果图及大悬挑部位示意图

图2 大悬挑位置平面示意图

图3 最大悬挑桁架剖面示意

2 分析工况

施工顺序模拟分析跟施工工序紧密相连。该工程悬挑桁架及吊柱的施工，可采取搭设临时支撑，然后逐层向上顺序施工，待屋面桁架施工完成后，拆除临时支撑的施工顺序，也可采取先施工除大悬挑部位外的主体结构和屋面桁架，然后逐层向下施工吊柱和悬挑梁的逆序施工顺序。由于逆序施工存在吊柱和悬挑梁施工安装困难等因素，建议该工程采取第一种施工顺序，施工顺序模拟也按该施工顺序进行。

对于上述第一种施工顺序的模拟，主要是模拟施工阶段的荷载、临时支撑的安装和拆除等结构边界条件改变对结构的影响。

该工程施工模拟不涉及临时支撑的失稳分析，故施工模拟分析时，未建立临时支撑构件的结构组，仅通过改变大悬挑位置的边界条件来实现，同时忽略混凝土徐变、收缩和强度发展等对结构的影响。具体分析工况如图4所示，SC2工况通过增加边界条件模拟临时支撑的安装，SC5工况通过改变边界条件模拟临时支撑拆除，SC1～CS5工况仅考虑结构自重和施工活荷作用，最后以SC5的最终变形作为整体结构的初始条件，与楼面面层装修荷载、楼面使用活荷载等竖向荷载工况和风荷载、地震荷载等水平荷载工况进行组合，计算结构最终受力状态。

图4 分析工况示意图

3 分析结果

本文施工模拟分析，主要关注图4中A点临时支撑拆除前后的位移变化、悬挑梁在B点各施工阶段的弯矩变化、桁架下弦杆C点在临时支撑拆除前后及最终的轴力和弯矩变化、桁架上弦杆D点在临时支撑拆除前后及最终的轴力和弯矩变化等。下文将分别对这些关注点的分析结果进行分析。

A点在临时支撑拆除前、拆除后位移及最终变形如图5所示。由图5中可以看出，临时支撑拆除时，A点产生的变形约占最终总变形80%左右，临时支撑的拆除产生的变形将会引起较大的内力重分布，其悬挑段端部B点的弯矩在各施工阶段的变化如图6所示。

图5 A点临时支撑拆除前、后及最终变形趋势图

图6 B点各施工工况弯矩变化趋势图

由图6可以看出，随着工况的增加，B点随着梁端框架柱由于上部荷载的增加，框架柱被逐步压缩变形，这些微小变形导致B点负弯矩逐步减少，到临时支撑拆除前，即临时支撑拆除前CS4工况，B点弯矩已出现正弯矩，其值为261kN·m。但是，随着临时支撑的拆除，A点产生较大的变形，从而引起B点较大的负弯矩，其值为3825kN·m，约为初始弯矩(566kN·m)的6.75倍。可见，临时支撑的拆除，引起三层悬挑梁变形，从而引起悬挑梁端内力重分布。常规设计时，经常忽视该内力重分布引起的梁端弯矩，从而存在结构安全隐患。

在临时支撑拆除前后，悬挑桁架的上弦和下弦杆也会因为边界条件的改变引起内力重分布，其轴力和弯矩的变化分布如图7～图8所示。

图7 上下弦杆轴力变化趋势图

图8 上下弦杆弯矩变化趋势图

由图7、图8可以看出，临时支撑拆除时，A点的变形同时将使上弦杆产生拉力2558.2kN，下弦杆产生压力4100.7kN，分别约占最终不利组合下上弦杆轴向拉力和下弦杆轴向压力的1/3左右。同样，临时支撑拆除引起上下弦杆的弯矩也约占最终最不利组合弯矩的1/3左右。图中还可以看出，上弦杆的弯矩约为下弦杆的1/2。这些临时支撑拆除引起的附加内力，在设计时都应给予充分考虑。

4 小结

本文采用Midas Gen软件的施工模拟模块，通过改变结构组、荷载组模拟结构施工工序，通过改变边界组模拟临时支撑的搭设和拆除，对该工程屋面大悬挑桁架及吊柱的施工顺序进行模拟，可以得出以下结论：

(1)临时支撑的拆除，将对悬挑部位产生一定的竖向变形，而竖向变形将会引起悬挑端产生附加弯矩，且该弯矩较大，在进行结构构件设计时应给予充分考虑，避免存在结构安全隐患。

(2)临时支撑的拆除，将会引起悬挑桁架内力重分布，引起桁架杆件轴力和弦杆弯矩的增加，且该内力占最终不利组合内力的1/3，构件设计时应考虑该部分内力。

基于上述两点结论，在结构构件设计时，悬挑桁架和三层、四层悬挑梁及吊柱，在充分考虑临时支撑拆除时引起的附加内力的基础上，采用型钢混凝土构件，增加结构的承载力和延性。基此，为了防止临时支撑拆除引起悬挑梁端产生裂缝，可在悬挑梁端设置后浇带(图9)，待临时支撑拆除、变形稳定后再进行浇注。

5 建议

基于上述分析，笔者对该工程施工提出如下建议：

(1)临时支撑，应待悬挑桁架施工完成且混凝土强度等级达到相关规范要求时再进行拆除。

(2)安装临时支撑时，建议在临时支撑顶部采用液压千斤顶，待临时支撑拆除时，逐步卸荷，防止临时支撑突然拆除引起变形太大，从而引起悬挑梁端部荷载变化太大而产生裂缝甚至断裂。

图9 大悬挑位置后浇带示意图

(3)临时支撑拆拆除时，建议根据边界条件的改变引起的位移变化，确定千斤顶卸荷量，以保证悬挑梁变形协调。

最后需要指出的是，临时支撑位于第三层楼面标高处，支撑高度较大，可能存在临时支撑失稳的问题。本文计算时未建立临时支撑结构组，未考虑临时支撑的稳定问题，施工单位在做临时支撑方案设计时，建议充分考虑计算临时支撑的稳定性，防止临时支撑失稳而导致悬挑梁、悬挑桁架边界条件的改变。