邹 红，梅建军，张明亮

(1.湖南省第二工程有限公司，长沙 湖南 410075；2.湖南建工集团有限公司，长沙 湖南 410075)

1 工程概况

1.1 工程背景

梅溪湖城市岛双螺旋钢结构工程于2015年竣工，城市岛被梅溪湖环抱双螺旋钢结构体是休憩与观景的较佳场所(见图1)。双螺旋钢结构主要构件为内、外环螺旋薄壁梁及斜柱。内外环螺旋梁均通过牛腿与斜柱连接，处于悬挑状态；斜柱之间通过拉杆形成一个稳定体系。此双螺旋钢结构工程设计新颖，在国内外尚属首创，如图2～4所示。

图1 城市岛效果

图2 斜柱典型横断面

图3 内环细部

图4 外环细部

然而此结构在运营后，由于外界环境的侵蚀与荷载的反复作用，结构中很多构件出现了不同程度的腐蚀与掉漆现象，严重影响结构外观，因而结构品质维养与提升迫在眉睫。

1.2 维养改造施工环境条件

结构服役一段时间后，为能及时修复结构构件中存在的质量问题与外观缺陷，根据现场实际，利用脚手架平台，发展了维养改造施工作业方法[1-6]。然而脚手架施工平台在双螺旋钢结构维养作业应用中存在如下弊端。

1)通往城市岛的唯一通道为1条人行桥，参照设计规范要求[7]，人行桥设计荷载采用组合Ⅰ标准：活荷载(基本可变荷载-人群荷载3.5kN/m2)+恒荷载(永久荷载-自重)。因重型车辆(偶然荷载)使人行桥设计荷载超限等问题，对架管运输等造成极大不便。

2)城市岛地面埋设有大量地埋灯，在重载作用下易受损，车辆通行受限很大。

3)本工程工期较短，脚手架施工平台搭设时间较长，施工周期得不到保证，并且竣工后脚手架拆卸也较为繁琐。

4)脚手架平台搭设成本较高。

5)目前脚手架搭设以经验性操作居多，缺乏整体承载力及变形要求的验算。

鉴于此，现场工程技术人员开发了2种相似的移动桁架作业平台，供内、外螺旋薄壁梁涂刷作业使用。应用表明，此作业平台安全、便于操作，缩短了施工周期，节约了成本，为后续螺旋钢结构改造维养作业积累了宝贵的施工技术经验。

2 作业平台设计

由于内、外环螺旋体薄壁梁尺寸的差异性，共设计2种结构形式类似、尺寸稍有变化的移动桁架作业平台：外环作业平台(用于外环螺旋薄壁梁腹板涂刷作业)主要由上部桁架、悬挑端组成，共由260根方形薄壁钢管构成；内环作业平台(用于内环螺旋薄壁梁腹板与侧面涂刷作业)由上部桁架、悬挑端及升降梯组成，由304根方形薄壁钢管构成(包括升降梯)。作业平台立面如图5所示。

图5 作业平台立面

3 施工过程有限元模拟

作业平台的基本构件为方形薄壁钢管，为细长杆件，采用beam梁单元进行模拟[8]。不同类型构件参数如表1所示。

表1 有限元模型构件参数

3.1 荷载工况

本桁架结构安全等级为Ⅰ级、不考虑地震作用、短暂设计基本组合公式[9]；结构重要性系数取为1.1，永久作用分项系数取1.3，可变作用分项系数取1.5，设计年限荷载调整系数取0.9。按照最不利工况验算滑动车构件的最大变形、内力、轴力等。

3.2 分析结果

1)由图6可知，在最不利荷载工况组合下，外环、内环作业后最大竖向挠度分别为3，1mm，满足相关设计规范要求[10]。

图6 桁架构件变形(单位：m)

2)由图7可知，外环、内环作业平台方管最大轴向拉应力分别为7.5，5.8MPa，远小于方管(Q235钢材)抗拉强度，施工作业中不会产生构件拉断现象。

图7 桁架构件轴向应力(单位:Pa)

3)由图8可知，外环、内环作业平台节点处方管最大内应力分别为30.5，33.3MPa，满足GB 50661—2011《钢结构焊接规范》焊缝的抗拉强度要求[11]。同时，为进一步加强关键节点的焊缝强度，进行钢板补焊。

图8 桁架构件内力(单位：Pa)

4 作业平台施工流程

移动桁架作业平台施工流程如图9所示。

图9 作业平台施工流程

4.1 双螺旋结构图纸会审

城市岛双螺旋钢结构首次进入维养期，维养作业平台无经验可鉴，因此，设计桁架前，悬挑部分倾斜角度需安排专业施工技术人员，按结构设计图纸进行缜密计算，否则在移动过程中，会使桁架与螺旋结构刮擦，不便于现场作业。同时，双螺旋结构梁面布置了不规则的花坛体系，因此，桁架上部结构所预留的空间也需按照设计图纸进行严密计算，否则对移动与施工均不利。

4.2 桁架现场调试运行

薄壁梁体梁面由于有花坛区域，并且花坛区域位置与形状不统一，为确保滑车能顺利沿着螺旋体移动，将梁面用石灰撒出2条较明显的滑行轨迹，使整个滑车沿石灰线移动试运行。

4.3 钢丝绳固定

为保证作业平台在使用过程中不发生倾覆与滑移，在桁架上部设置4根钢丝绳，钢丝绳与梁面龙骨固定；悬挑端末端均设置1根钢丝绳挂于梁腹板天钩处。

在实际工程中，钢丝绳一般为轴向受拉状态，且在各截面处轴力相等。因此，每根钢丝绳无论长短，在ANSYS中都定义为1个分析单元(link8)与实际工程较吻合。由计算可知，桁架不同位置处的钢丝绳轴向力为0.93～2.63MPa，远小于表1所示钢丝绳抗拉强度。

4.4 悬挑端与升降梯刷漆作业

由有限元分析结果可知，悬挑部分可承受3kN施工荷载，能容纳2个刷漆工人同时进行刷漆作业；升降梯可承受1.5kN施工荷载，能容纳至少1个人进行施工作业。这样在确保滑车变形满足要求的前提下，能加快维养施工进度。

4.5 移动桁架作业平台

根据悬挑端个人作业范围约为2m，因此每次刷漆作业完毕，滑车往前移动距离为2m最佳；悬挑端与升降梯内作业人员此时必须全部撤出，此间按照之前所设定的石灰线，须安排4个人缓慢均匀地推动桁架。

5 效益分析

5.1 经济效益

本工程巧妙设计2个移动桁架，较为恰当地回避了传统维养施工作业造价高之弊端，本施工工艺与传统施工工艺综合费用对比如表2所示。

表2 造价分析(脚手架/移动桁架作业平台)

由表2可知，本作业方法较传统方法(钢管脚手架作业平台)造价低(节约造价近220万元)、工期短，其中经济效益的最大“贡献者”为机械使用台班费与人工费。

5.2 社会效益

有限元计算分析结果与现场施工情况表明，作业平台构件变形小、方管内力、轴向力与焊接缝受力均能满足安全施工生产的要求；作业平台自重较小(约为2.3t)，现场操作方便、安全；施工现场无噪声与粉尘污染。

6 结语

1)作业平台设计方法合理、过程较为简单，易于现场工人掌握。

2)基于ANSYS的数值模拟中，考虑了材料本身的非线性，用beam189单元模拟作业平台车内力与变形较为合理。分析结果表明，在最不利荷载条件下，焊缝强度、钢丝绳拉力、构件挠度、倾覆、方管轴向力与内力均远小于允许值。

3)实际操作表明，平台易于移动，操作简单；操作平台几乎无晃动，作业人员的安全得到了保证。