已建地下室顶面上增加钢结构的施工方案设计

黄 革，韦 韬，马朝龙

(1.四川华神钢构有限公司，四川成都 610031； 2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031；3. 四川省勘察设计协会，四川成都 610041))

已建地下室顶面上增加钢结构的施工方案设计

黄 革1，韦 韬2，马朝龙3

(1.四川华神钢构有限公司，四川成都 610031； 2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031；3. 四川省勘察设计协会，四川成都 610041))

某已建的建筑平面呈“口”字形，由四周的4栋建筑围成一个天井。现拟在内部天井位置加建5层钢结构，施工条件较差，工期十分紧张。通过对5种可能的施工方案进行对比，拟用脚手架支撑在施工期间临时加固原有地下室顶面，在上面开行汽车起重机的施工方案；建立脚手架和原有地下室结构的整体模型，根据施工的不同工况，进行施工过程的有限元非线性分析，设计脚手架加固方案，计算混凝土楼板受冲切承载力和局部受压。结果表明，对已建的地下室顶面采用脚手架加固，在上面开行汽车起重机的施工方案是安全可行的。

脚手架； 汽车起重机； 加固； 钢结构； 施工过程分析

1 工程概况

绵阳新益大厦为已经建成并投入使用多年的的建筑群，建筑平面呈“口”字形，四周的建筑分别为2栋17层的高层和2栋5层的多层，四周的建筑围成一天井，已有建筑的平面见图1。现拟在内部天井位置加建5层钢结构建筑，每层的面积为2 100 m2，增加的钢结构总用钢量为1 100 t。

图1 已有的建筑平面

增加的钢结构的区域，其地面为原建筑群地下停车库的顶面，停车库为筏板基础，层高8.2 m，地下室的结构形式为大跨混凝土框架结构，无次梁。原设计中该地下室的顶面为建筑群内天井的地面，无大型设备与货物停滞，因此地下室顶面原设计荷载取值为3.5 kN/m2，大型起重设备无法直接进入该地下室顶面。根据业主要求，新建项目的主体钢结构安装工期为3个月，时间十分紧张。

2 施工方案的比选

根据该项目的实际情况，对多种钢结构构件吊装的施工方案进行比选，比选过程见表1。

通过方案对比分析可知：方案(5)灵活方便、工期短、经济可行。通过对构件吊装重量的计算，本项目的施工采用25 t汽车式起重机，根据有关规范[1-3]的要求对施工方案进行设计。

3 脚手架加固方案设计

采用搭设满堂承重碗扣式脚手架的方式，对地下室的顶板和梁同时进行施工临时支撑加固。脚手架下部立杆间距600 mm×600 mm，靠近顶板的2个步距内按照300 mm×300 mm的间距加密，横杆步距1 200 mm，钢管规格为φ48×3.5，材质为Q235A，顶端的U型顶托内置50 mm×100 mm的木方，通过拧紧螺栓的方式保证木方顶紧地下室顶板和框架梁，保证楼面荷载的顺利传递。脚手架布置的示意(局部)见图2。

图2 脚手架布置示意

根据《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》[4]，对碗扣式钢管脚手架进行了计算。由于本工程中的脚手架主要起支撑地下室顶板的作用，脚手架的永久荷载包括：(1) 脚手架结构的自重；(2) 配件重量；(3)地下室顶板及框架梁的自重。脚手架的可变荷载为脚手架承担的施工荷载，即汽车起重机及吊装构件传递给脚手架的荷载。

表1 施工方案比选

单肢立杆稳定性按下式计算：

N≤φAf

式中：A为立杆横截面积；φ为轴心受压杆件稳定系数，按长细比查规范附录C；f为钢材强度设计值，查规范附录B得f=205 N/mm2。

碗扣节点承载力按下式验算：

Pc≤Qb

式中：Qb为下碗扣抗剪强度设计值，取60 kN。

建立脚手架和地下室结构的整体模型，结构分析采用通用有限元分析程序MIDAS/Gen。脚手架的单肢立杆中的轴力及碗扣节点的剪力由程序计算得出，碗扣的最大剪力为0.8 kN<60 kN，脚手架中最大应力为30.6 MPa<205 MPa，单肢立杆中最大轴力为15.7 kN，单根脚手架的承载力为φAf=75.0 kN>15.7 kN。脚手架的强度、稳定以及碗扣节点承载力均满足规范要求。

4 汽车起重机吊装施工过程的有限元非线性分析

4.1 吊装的施工过程及措施

施工中使用汽车起重机吊装箱型钢柱和H型钢主梁、H型钢次梁，为减少地下室楼面的荷载，制造时每根箱型钢柱分为两段，每段的重量控制在4～4.5 t，主、次梁不需要分段。

汽车起重机的入口位于增加钢结构区域的中部，施工中将共9跨的新增钢结构范围分为A、B、C三个区域，每个区域均为3跨，逐个区域分别进行构件的吊装。为了节约施工过程中的脚手架用量和减少工期，构件吊装时，先对A、B区采用脚手架加固，先安装完A区的构件，接着安装B区构件，同时将A区的脚手架拆除并转运至C区，对C区进行加固并安装C区的构件。

汽车起重机液压支腿是按照在坚实地面使用来设计的，在本项目中如果仅仅使用支腿，将导致混凝土楼板上局部压力过大，因此吊装时候需制作专用支腿垫块来扩散局部压力。

4.2 计算荷载

计算中结构永久荷载为构件的自重，可变荷载除了脚手架的施工荷载外，还包含汽车起重机荷载和风荷载。汽车起重机选用四川长江起重机厂LT1025型，自重29 t，施工过程中有两种工况：

一是汽车起重机开行工况。汽车起重机的前轴荷载63 kN，车轮的局部压力为630 kN/m2；后轴荷载227 kN，车轮的局部压力为568 kN/m2。

二是汽车起重机吊装工况。吊装构件的最大重量为4 t。吊装过程中，最不利的荷载工况为45°方向起吊时，有可能一个支腿承担全部重量的75 %，混凝土顶板的局部压力为172 kN/m2。上述荷载为标准值，在分析中还需考虑动力系数。

虽然脚手架在地下室内，但由于地下室入口位置的局部风载较大，不能忽略风荷载的影响，计算中应根据工程当地的基本风压换算成节点风荷载。

4.3 计算结果

由于地下室混凝土顶板局部受到很大的压力作用，混凝土顶板有可能进入到弹塑性阶段，在施工过程的分析中必须使用弹塑性材料来计算[5]。考虑到施工过程中可能出现脚手架与楼板之间不完全贴合的情况，分析时使用“带间隙的只受压单元”来模拟脚手架，采用非线性的计算方法。

包含原有结构和脚手架临时支撑的整体计算模型见图3，两种工况下的计算结果见表2，脚手架的应力计算结果见图4。

表2 施工过程计算结果

(a)起重机开行工况

(b)吊装时最不利工况图3 整体计算模型及荷载

(a)起重机开行工况

(b)吊装时最不利工况图4 脚手架应力计算结果

(a)起重机开行工况

(b)吊装时最不利工况图5 局部受压计算模型及荷载

5 楼板受冲切承载力计算及局部受压计算

根据《混凝土结构设计规范》的要求，需要进行楼板受冲切承载力计算及局部受压计算。在施工过程中，混凝土楼板中存在如前所述的两种局部承压工况。计算采用有限元分析程序MIDAS/Gen进行，计算中对局部受压部位的计算模型单元网格进行进一步的细分，计算模型见图5。

两种局压工况下的楼板混凝土的计算结果见表3，应力计算结果见图6。楼板混凝土强度等级为C40，受冲切承载力计算及局部受压满足规范的要求。

表3 楼板冲切承载力和局部受压计算结果

(a)起重机开行工况

(b)吊装时最不利工况图6 混凝土楼板应力计算结果

6 结 论

该项目已建成并投入使用，施工方案的设计结果及施工 中的观测结果表明：

(1)在已建地下室顶面上增加钢结构，通过碗扣式脚手架临时支撑加固原有地下室结构的梁和顶板，采用自行式起重机吊装，工期短，是经济可行的施工方案。

(2)通过建立包含原有结构和临时支撑脚手架的整体结构模型，采用有限元分析的方法，分别对施工过程、脚手架和混凝土楼板局部受压进行计算，施工方案安全可行。

[1] GB 50009-2012建筑结构荷载规范[S].

[2] GB 50010-2010混凝土结构设计规范[S].

[3] JTG D60-2004 公路桥涵设计通用规范[S].

[4] JGG 166-2008建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范[S].

[5] 顾祥林, 孙飞飞. 混凝土结构的计算机仿真[M]. 上海：同济大学出版社, 2002.

黄革(1968～),男，大学本科，工程师，主要研究方向为钢结构施工技术。

TU741.1

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[定稿日期]2015-05-29