建筑工程结构小单元的组合技术与运用

王 凯

（厦门特区建设投资集团有限公司，福建 厦门 361000）

0 引言

随着社会经济与工程技术的不断发展，为了满足建筑形体视觉形象以及生产生活功能上日益增长的需求，我国建筑工程结构逐渐出现高层结构、大跨结构等特殊结构、复杂结构，结构体系日益多样化与复杂化。在这样的大背景下，如何对于复杂结构体系快捷有效地进行分解与分析，对于研究复杂结构体系具有重要意义。

基于此，笔者在担任厦门市某景观慢行桥（以下简称“景观桥”）的建设单位设计负责人及施工负责人期间，总结提出一种结构小单元的复杂结构体系的分析方法。结构小单元是由构件组合能够独立承担拉力、压力、弯矩、剪力和扭矩等外力荷载的最小结构受力体系，既构成结构设计分析的最小单元，又构成现场施工（拼装）工序间隙相对稳定的最小组件。在景观桥工程建设的方案设计、施工图设计、工程施工过程中都运用了结构小单元的观点理论，已顺利完成项目建设。现以景观桥顶棚钢结构为例简述结构小单元方法的实例运用，为复杂结构体系大型工程的设计与施工抛砖引玉。

1 景观桥及其钢顶棚概况

景观桥主桥采用单塔单索面斜拉桥形式，全长共 769 m，横跨两岸一岛，分为东段桥与西段桥。桥梁段长度 537 m，道路段长度 232 m，桥梁最大跨度 72 m，桥身宽度上呈曲线波浪状，桥梁标准段净宽 6 m（3.5 m 自行车道+2.5 m 人行道），总宽 8.23 m（含南侧护栏 1.53 m，北侧护栏 0.7 m），桥塔处设置休憩平台，桥梁净宽加宽至 9 m，加宽桥梁段总宽 11.23 m（含南侧护栏 1.53 m，北侧护栏 0.7 m）。

钢顶棚覆盖全桥，承担遮阳及部分遮雨功能，效果图及剖面、平面图如图1～图3 所示。其共由立柱、挑梁、后连梁、顺桥向连接板等部件组成，剖面呈现“7”字型。为与景观桥桥身宽度尺度上的曲线造型相呼应，顶棚在俯视与侧视角度亦呈现波浪状多曲面造型，在休憩平台加宽桥梁段顶棚亦加宽，故顶棚立柱高度由 5.54 m 渐变到 4.04 m，悬挑长度由 8.17 m 渐变到 2.86 m。连接立柱的挑梁为关键传力构件，将其所在的顶棚横截面依序命名为剖面 D1 至剖面 D6。钢顶棚在桥梁休憩平台位置采用顶面铝单板，逐渐过渡到桥梁标准段的顶面格栅，一方面可以实现休憩平台的全遮阳遮雨功能同时兼顾标准段的部分遮阳功能，另一方面在保证功能的前提下尽可能采用格栅以减轻顶棚自重，有利于悬挑结构受力稳定，保证结构安全并节约工程造价。

图1 景观桥钢顶棚俯瞰效果图

图2 钢顶棚典型剖面图（单位：mm）

图3 钢顶棚平面图（单位：mm）

2 钢顶棚设计中的结构小单元运用

采用 3d3s 和 Midas 有限元计算软件对桥梁钢结构进行建模分析。输入荷载如下。

1）恒载。顶棚铝单板区域 0.20 kN/m2，顶棚格栅区域 0 kN/m2。

2）活载。顶棚满布荷载 0.30 kN/m2。

3）温度荷载。考虑系统升温 30 ℃，降温-30 ℃。

4）风荷载。无人群时基本风压 0.8 kN/m2，有人群时基本风压 0.39 kN/m2，根据 JTG/T 3360－01－2008《公路桥梁抗风设计规范》，厦门市地面以上 10 m 高度处基本风速Us10取值为 25 m/s，根据场地位置地面粗糙度类别为 B 类，抗风风险系数kf取为 1.05，计算位置高度Z取为 14 m，则得到设计基准风速Ud为 27.7 m/s，又等效静阵风系数GV根据地面粗糙度类别及水平加载长度取 1.27，则等效静阵风风速Ug根据公式Ug=GVUd可得 35.18 m/s。将Ug反带入气动三分力式［1］，并将风洞模拟实验下的不同风攻角工况下的气动横向力系数CH、气动竖向力系数CV、气动俯仰扭矩系数CM代入［2］，可得作用在钢顶棚上的风力单位线荷载气动竖向力FV、气动横向力FH和绕纵轴气动俯仰扭矩M，也即在不同风攻角工况下的风荷载组合［3］。根据顶棚布置，顶棚格栅处不承受风荷载，风荷载输入在顶棚铝板位置。

针对上述荷载，输入共 19 种可能的荷载组合，并就各种荷载组合中最不利工况进行应力和位移分析。经过初步计算得到初步结构设计方案，立柱、主挑梁、次挑梁、挑梁间顺桥向连接板构件形式及尺寸如表1 构件方案 1 所示。顶棚铝单板单层 3 mm 厚。

表1 顶棚构件比选方案

各组成构件建模示意图如图4 所示，经过建模计算该方案位移方面竖向最大位移 84.1 mm，超过规范挠度限值L/200=41 mm，内力方面最大应力比R为 1.22，超过规范应力比限值 0.9，方案不可行。

图4 顶棚组成构件建模示意图

由上述传力路径分析可得，一方面要减少顶棚竖向位移减少挑梁挠度，主要需要增加额外约束，可以在悬臂端增加约束，将荷载由挑梁直接传递到桥身，因此可以得到增加拉压立杆和增加拉索的比选约束方案，如图5 所示。

图5 顶棚约束比选方案

另一方面，要减少顶棚应力比，主要需要优化构件截面。从受力分析来看小单元的约束边缘构件挑梁和顺桥向连接板均为受弯构件，同时小单元组传递到后连梁与立柱，立柱也是受弯状态，故要减少应力比需要增加顺桥向连接板、挑梁、立柱等主要受弯构件的截面抵抗矩，以保证挑梁和立柱的整体稳定。增大构件截面尤其是增加梁高是最有效率的方法［4］，但同时也会带来构件自重增加弯矩和剪力增加，综合考虑下抽除部分次梁间连接板，也即减少顶棚格栅分缝密度，并适当增大截面，在原初步结构设计的构件方案 1 优化得到构件方案 2，另外考虑在增加截面抵抗矩的同时尽量控制构件自重，因此构件形式由实心钢材往箱型、矩形管等优化，在原初步结构设计的构件方案 1 优化得到构件方案 3，如表1 所示。

综上对于构件比选方案 1、2、3 与约束比选方案 a、b、c 进行组合，以对受力与变形两方面进行优化，建模计算得到结构受力与变形性能指标如表2 所示。构件方案 1 下，顶棚约束由无额外约束的方案 a 增加到有立杆或有拉索的方案 b 和方案 c，能够有效控制竖向最大位移，但是受力方面边立柱的应力比仍然超过规范限值，而经过构件优化后的构件方案 2 和方案 3，在增加拉索或立杆的额外约束的约束方案 b 和约束方案工况下能够实现竖向最大位移和最大应力比均满足规范限值要求，具备可行性。最终为保证桥梁和顶棚外观的整体视觉效果，综合考虑后选择矩形管截面为主的构件方案 3 与悬臂端拉索的约束方案 c 的结构设计组合。最终确定的构件方案 3 与约束方案 c 的压风荷载组合、吸风荷载组合下的位移云图如图6 所示。

表2 顶棚结构设计方案比选

图6 构件方案 3 与约束方案 c 组合的有限元分析结果

3 钢顶棚施工中的结构小单元运用

根据国内外工程实例组织景观桥主桥施工工序流程［5］，钢顶棚施工位于工序流程末期，需待桥塔首节次节段安装、桥面钢箱梁安装焊接合拢、桥塔三节四节依序完成后方施工钢顶棚。顶棚用钢西段桥共计 150.22 t，东段桥 328.95 t，全桥共计 479.17 t，安装利用现场施工钢栈桥站位，用 25 t 汽车吊站位在钢栈桥上安装，以下对顶棚施工安装工序工艺进行详细分析。

运用结构小单元理论对于顶棚安装施工工序进行细化分析与组织。前述结构受力分析的结构小单元是独立承受荷载的结构体系，顶棚施工分为钢结构厂内加工安装与现场安装两部分。

厂内安装按照后连梁→横桥向挑梁（立柱处主挑梁）→前连梁→柱间横桥向挑梁（立柱间次挑梁）→次骨架（顺桥向连接板），覆盖铝单板部分再另外焊接安装铝单板。该安装顺序实际上以立柱为分界，在每两根立柱之间逐步安装形成了一个由若干个顶棚铝板或顶棚格栅小单元组合而成的结构小单元组，等结构小单元组分别安装完成后再整体对应焊接，以防止焊接变形。

现场安装则是将前述厂内安装形成的每一个结构小单元组作为吊装单元，在现场自桥塔中轴线向两侧对称安装，也即在安装立柱之后，如图7 所示按照吊装单元①、吊装单元②、吊装单元③的次序顺次安装结构小单元组，并且在每一个吊装单元安装过程中，在已经焊接完成的主桥桥面上采用规格 I20a 工字钢搭设临时支撑，用于支撑立柱处主挑梁悬臂端，临时工字钢支撑两侧斜撑 I20a 工字钢保证其平面约束。工字钢临时支撑一方面能够有效地辅助控制标高及线型，另一方面通过立柱与临时支撑共同作用，实现施工期间结构小单元组→立柱与临时支撑→主桥的荷载传递（见图8）。

图7 顶棚施工安装工序

图8 顶棚临时支撑构造

在整个顶棚现场安装施工过程中对吊装单元吊装、拉索安装与张拉的全过程进行吊装就位监测与线型监测［6］。吊装就位监测是根据设计图纸在已经安装、焊接完成的钢箱梁桥面上部放样出顶棚立柱及临时支撑的十字中线，在临时支撑上部放置调节段调整主挑梁对应位置标高，安装立柱过程中利用全站仪校正其倾斜角度，调整到设计位置后临时固定，在吊装过程全程监测，发现误差及时修正；线型监测则主要分为轴线调整及标高调整，轴线调整采用全站仪测量调整中轴线，标高调整采用水准仪测量，在拉索张拉过程中对于整个顶棚同步监测控制，确保轴线及标高准确，以保证线型符合设计效果。

4 结语

本文提出了一种建筑工程结构小单元的分析思路，并以厦门市某景观桥钢顶棚作为实例，通过设计与施工上结构小单元的具体运用分析，可以得到如下结论。

1）通过将大型结构根据传力路径与受力体系拆解为能够独立承受荷载的结构小单元，可以有效地化整为零、化繁为简，为工程设计与施工提供指导。

2）工程设计方面，结构小单元可以作为结构受力分析的起点，通过分析小单元内部的荷载传递及小单元间的耦合作用实现传力路径。

3）工程施工方面，结构小单元可以作为钢结构分解与拼装的组元，将完整结构化整为零拆分成可独立承受荷载的结构小单元或小单元组，对于施工分段或施工分节有重要意义。Q