張志平 亓立剛 郭亮亮 賈紅學(xué) 葛 杰

中國(guó)建筑第八工程局有限公司天津分公司 天津 300452

1 工程概況

柬埔寨體育場(chǎng)項(xiàng)目南、北兩側(cè)各設(shè)1座高99 m的人字形雙向傾斜空間變曲面清水混凝土吊塔（圖1），塔身標(biāo)高78 m以下雙肢對(duì)稱布置，雙肢外側(cè)為雙圓弧曲面，半徑不斷變化，78 m以上合攏為單肢，吊塔與地面夾角約為60°；吊塔最大內(nèi)傾31.1 m，最大外傾27.1 m，截面面積由385 m2逐步遞減為12 m2；吊塔作為索膜屋蓋的主要支承結(jié)構(gòu)，外側(cè)設(shè)8根背索，內(nèi)側(cè)設(shè)18根斜拉索，塔身中空，內(nèi)設(shè)13道混凝土水平隔板，最厚為4.2 m；墻內(nèi)設(shè)勁性鋼骨，鋼板最厚為40 mm，鋼筋最大直徑40 mm。

圖1 柬埔寨體育場(chǎng)項(xiàng)目效果圖

組成吊塔的雙肢對(duì)稱布置，每肢輪廓由5個(gè)大傾斜空間曲面組成，吊塔截面自下而上逐漸縮減，在標(biāo)高78 m處合攏，頂部標(biāo)高99 m（圖2）。

塔身整體沿曲線向上傾斜，陽(yáng)角線弧度各不相同，截面形狀、幾何尺寸、面積等沿高度連續(xù)變化，配模及支架設(shè)計(jì)需考慮適應(yīng)結(jié)構(gòu)形體曲線連續(xù)變化及安全經(jīng)濟(jì)性[1]。

圖2 吊塔控制截面輪廓

其中塔身截面內(nèi)凹段AED又由2段半徑不同的弧線AE、ED組成；且同一段弧線隨高度變化，平面圓弧半徑還變化了22次，給配模放樣帶來(lái)了極大的難度（圖3）。

圖3 塔身截面內(nèi)凹段曲率半徑變化

2 方案設(shè)計(jì)

本工程人字形吊塔在26.4 m以下采用扣件滿堂架配木模施工，26.4 m以上采用爬模施工，爬?？臻g受限時(shí)采用掛架施工，本文主要對(duì)26.4 m以下部分架體進(jìn)行分析研究。

2.1 腳手架架體概況

人字吊塔標(biāo)高6.9～26.4 m支撐體系采用扣件式滿堂腳手架，架體在人字吊塔內(nèi)側(cè)（B面）和靠近背索一側(cè)（C面）搭設(shè)，立桿間距均為0.9 m，步距1.5 m，這兩側(cè)的架體交叉區(qū)域架體比較窄，支撐的桿件較少，立桿間距需加密至0.45 m，步距保持不變[1]（圖4）。

圖4 南吊塔6.9～26.4 m架體立面示意

2.2 吊塔內(nèi)傾面在內(nèi)部搭設(shè)架體

吊塔D/E面墻體和A面墻體內(nèi)傾，施工時(shí)在其內(nèi)側(cè)搭設(shè)滿堂架體，支撐人字吊塔內(nèi)側(cè)墻體的橫桿間距0.9 m，縱桿間距0.9 m，立桿步距1.5 m，掃地桿距地面0.2 m。

2.3 架體立桿立于吊塔上的處理措施

吊塔先于兩側(cè)環(huán)梁施工，施工環(huán)梁時(shí)，將環(huán)梁架體的橫桿搭設(shè)于人字吊塔側(cè)面預(yù)埋的φ32 mm的HRB400鋼筋上，鋼筋長(zhǎng)度為400 mm，埋入吊塔200 mm。鋼筋橫向間距為300 mm，每排鋼筋上固定一鋼管，架體立桿作用于鋼管上。

3 支撐體系可行性分析

3.1 吊塔區(qū)域架體分析

1）材料：腳手架鋼管采用φ48.3 mm×3.6 mm的Q235鋼管[2]；人字吊塔的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。

2）荷載：人字吊塔腳手架承擔(dān)的荷載包括腳手架及人字吊塔自重、腳手板荷載及施工荷載（未考慮風(fēng)荷載）。Midas gen計(jì)算時(shí)通過(guò)自重系數(shù)取1.05，考慮腳手板荷載和施工活荷載的作用[3]，強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)取1.2恒載＋1.4活載，剛度驗(yàn)算時(shí)取1.0恒載＋1.0活載，不考慮吊塔混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后對(duì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的分擔(dān)作用，假定結(jié)構(gòu)分配至腳手架的質(zhì)量從開(kāi)始搭設(shè)至搭設(shè)結(jié)束時(shí)仍作用在腳手架上[4]。

3）架體有限元模型：計(jì)算時(shí)，偏安全地不考慮水平剪刀撐與豎向剪刀撐的加強(qiáng)作用（圖5）。

4）邊界條件：由于人字吊塔雙肢對(duì)稱，選取了吊塔單肢腳手架進(jìn)行分析，腳手架右側(cè)和立桿底部設(shè)置為僅受壓的彈簧支座，彈性約束為單z和x方向。

5）計(jì)算結(jié)果分析：吊塔腳手架的最大壓應(yīng)力為193.2 MPa，小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，強(qiáng)度驗(yàn)算滿足。腳手架鋼管最大變形為6.66 mm，腳手架變形滿足要求。利用Midas進(jìn)行腳手架立桿截面驗(yàn)算，桿件長(zhǎng)細(xì)比、強(qiáng)度驗(yàn)算及整體穩(wěn)定性均滿足要求。

3.2 吊塔內(nèi)墻架體分析

1）材料：同吊塔架體材料。

2）荷載：吊塔內(nèi)墻架體承擔(dān)的荷載主要包括腳手架及人字吊塔墻體自重、腳手板荷載及施工荷載（未考慮風(fēng)荷載）。Midas gen計(jì)算時(shí)通過(guò)自重系數(shù)取1.05，考慮腳手板荷載和施工活荷載的作用。不考慮人字吊塔墻體混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之后對(duì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的分擔(dān)作用，假定結(jié)構(gòu)分配至腳手架的質(zhì)量從開(kāi)始搭設(shè)至搭設(shè)結(jié)束時(shí)仍作用在腳手架上。

3）架體有限元模型：D/E面墻體（圓弧一側(cè)）厚500 mm，選取寬5.4 m的墻體進(jìn)行分析，A面（場(chǎng)內(nèi)一側(cè)）墻體厚600 mm，選取寬4.5 m的墻體進(jìn)行分析，計(jì)算時(shí)，偏安全地不考慮水平剪刀撐與豎向剪刀撐的加強(qiáng)作用（圖6）。

圖5 架體有限元模型

圖6 內(nèi)墻架體有限元模型

4）邊界條件：內(nèi)墻腳手架右側(cè)和立桿底部設(shè)置為僅受壓的彈簧支座。彈性約束為單z和x方向。

5）計(jì)算結(jié)果分析：吊塔腳手架D/E面和A面內(nèi)墻腳手架最大壓應(yīng)力分別為56.8 MPa和108.2 MPa，應(yīng)力小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，強(qiáng)度驗(yàn)算滿足。D/E面和A面內(nèi)墻腳手架鋼管最大變形為1.72 mm和1.36 mm，腳手架變形滿足要求。利用Midas進(jìn)行腳手架立桿截面驗(yàn)算，桿件長(zhǎng)細(xì)比、強(qiáng)度驗(yàn)算及整體穩(wěn)定性均滿足要求。

3.3 腳手架鋼筋支撐分析

1）材料：環(huán)梁環(huán)柱腳手架橫桿搭設(shè)于人字吊塔側(cè)面預(yù)埋的φ32 mm的HRB400鋼筋上。腳手架鋼管采用φ48.3 mm×3.6 mm的Q235鋼管。

2）荷載：環(huán)梁截面為3 030 mm×1 200 mm，腳手架的橫縱間距為450 mm，取一榀腳手架進(jìn)行驗(yàn)算，所以環(huán)梁作用于這一榀腳手架上的恒載為3 030 mm×1 200 mm×450 mm的長(zhǎng)方體，腳手架橫桿有3 300 mm搭設(shè)在鋼筋上，鋼筋間距為300 mm。作用于腳手架橫桿上的線荷載為12.99 kN/m，取13 kN/m，腳手架自重轉(zhuǎn)換成線荷載為3.5 kN/m[3]。強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)取1.2恒載＋1.4活載，剛度驗(yàn)算時(shí)取1.0恒載＋1.0活載。

3）邊界條件：將鋼筋支撐與人字吊塔的接觸端設(shè)為固支。

4）鋼筋支撐計(jì)算結(jié)果分析：鋼筋的最大應(yīng)力為295.13 MPa，小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，強(qiáng)度驗(yàn)算滿足。鋼筋變形為0.58 mm，變形滿足要求。腳手架作用于距離鋼筋約束端150 mm位置，腳手架施工搭設(shè)時(shí)，腳手架距離鋼筋約束端不能超過(guò)150 mm。利用Midas進(jìn)行鋼筋截面驗(yàn)算，強(qiáng)度驗(yàn)算及整體穩(wěn)定性均滿足要求。

3.4 腳手架驗(yàn)算結(jié)果

通過(guò)上面的分析可知：

1）本工程南北兩側(cè)人字形吊塔在26.4 m以下（即環(huán)梁以下）空間曲面弧度變化不大，采用落地扣件滿堂架配木模施工，通過(guò)有限元模型分析，架體搭設(shè)滿足要求。

2）滿堂架根據(jù)吊塔自身特點(diǎn)，布置靈活，僅在背索一側(cè)較窄的一面采用了架體間距的加密措施，整體受力滿足要求，減少了架體用量，方便施工。

3）吊塔兩側(cè)環(huán)梁架體立桿部分作用在吊塔曲面上，通過(guò)預(yù)埋鋼筋支撐，為立桿提供支撐面，通過(guò)有限元模型分析可行，同時(shí)施工方便，利用廢料鋼筋加工，降本增效。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程人字形雙向傾斜空間變曲面吊塔在26.4 m以下支撐體系采用了落地式扣件滿堂架形式，布置靈活，立桿間距采用0.9 m，步距采用1.5 m，背索一側(cè)立桿加密，間距為0.45 m，在滿足結(jié)構(gòu)自身受力和變形要求的基礎(chǔ)上，減少了架體用量；吊塔曲面上通過(guò)預(yù)埋鋼筋支撐，為立桿提供支撐面，在滿足受力要求的同時(shí)方便了施工，利用廢料鋼筋加工，降本增效。

實(shí)踐證明，利用扣件滿堂架支撐技術(shù)，滿足受力要求，減少架體用量，保證了過(guò)程安全，為類似空間變曲面結(jié)構(gòu)的施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。