巨型拱形悬挂建筑施工技术与关键节点研究

《Buildings》：Study on Construction Techniques and Key Joints of Giant Arch Suspension Building Yuenan Jiang, Chengcheng Xu, Suola Shao and Wenping Wu

　　

拱形悬挂结构（Arch-suspended structure）代表了一种独特的混合悬挂系统形式。通过将拱（Arch）与悬挂楼板系统相结合，这种结构类型利用了两种组件的固有优势，同时减轻了各自独立使用时的局限性。这种协同作用有效降低了结构构件中的峰值内力和弯曲变形。尽管在桥梁工程中广泛应用，但关于拱形悬挂建筑结构的研究仍然匮乏。本文研究人员通过一项大型拱形悬挂建筑的工程案例，研究了其施工技术。通过试验测试和数值模拟，验证了施工过程中临时支撑系统的稳定性，并考察了关键节点（包括组合板挂柱（composite slab hanging pillar）、拱脚节点（arch support）和拱顶节点（arch roof））的力学行为。结果表明，分区分段施工法对于此类复杂结构是可行的。通过在挂柱两侧安装钢管临时支撑和底部安装格构式临时支撑，可以有效控制结构内力和变形。逐步卸载这些临时支撑确保了施工全过程的稳定性。此外，组合板挂柱中的焊缝有效地将拉力从中板传递到侧板，实现了钢板之间的共同作用和协同承载。当承受2倍和4.3倍设计荷载时，拱脚节点和拱顶节点分别出现局部塑性，但整体结构完整性保持安全。本研究为创新型大跨度建筑结构的设计与施工提供了有价值的参考，其见解可为拱形悬挂系统在未来建筑项目中的发展和实际应用提供依据。

**论文解读：巨型拱形悬挂建筑施工技术与关键节点研究**

**研究背景**
悬挂建筑和拱结构作为独立结构形式已在工程中得到广泛应用。悬挂建筑利用钢缆和吊杆承受楼板荷载，充分发挥钢材抗拉性能并实现建筑灵活性；拱结构则通过拱脚水平推力与轴力水平分量产生抵抗弯矩，有效控制弯曲和剪切变形。然而，当两者结合形成拱形悬挂结构时，其优势互补——拱为楼板提供额外弹性支撑，减小有效跨度和峰值内力——但在建筑领域的应用研究仍十分有限。现有研究多集中在单一悬挂结构或拱结构上，涉及拱形悬挂建筑在多荷载工况下的结构性能、复杂边界条件的数值模拟、节点构造细节以及施工技术（尤其是多层建筑）的研究尚显不足。为填补这一空白，研究人员依托中国厦门同安与集美交界处的一个大型工程项目（总建筑面积231,725 m2，包含三栋主要建筑，其中Building 1为八层办公建筑，采用钢骨混凝土核心筒支撑的大型拱形悬挂结构），系统开展了施工技术与关键节点力学行为的研究。该研究成果发表在《Buildings》期刊，为创新型大跨度建筑的设计与施工提供了重要参考。

**研究方法**
研究人员采用施工过程模拟、理论分析、缩尺模型试验与有限元模拟相结合的方法。关键技术包括：（1）利用Midas/GEN (2019)软件模拟Building 1的17个施工工况，分析临时支撑内力和结构变形；（2）对两类临时支撑（钢管支撑和格构式支撑）进行稳定性验算，考虑二阶效应和等效长细比；（3）设计1:4缩尺模型试验，模拟组合板挂柱的面内纯剪行为、拱脚节点和拱顶节点的受力性能，并采用ABAQUS (2019)进行非线性有限元分析。试验中采用多级加载、应变片和位移计监测，以验证数值模型的准确性。

**研究结果**

**1. 施工技术及模拟分析**
采用分区分段施工法（将建筑平面分为8个分区，大型构件分割为可管理段）配合17步工序，模拟结果显示：施工过程中临时支撑最大轴力为1425 kN（出现在第14工况，即全部拉索张拉至设计值100%时），最大结构变形为27 mm（位于角部3区桁架XFG1-6与XFG1-7交界处），均满足规范（Q345B钢设计强度270 MPa，变形限值L/250=41.2 mm）要求。

**2. 临时支撑稳定性**
（1）钢管支撑：最大轴力1425 kN，每根挂柱由两根钢管支撑（截面A=7383 mm2，回转半径i=83.2 mm，长细比λ=50.48<[150]），稳定系数φ=0.796，验算N/(φAf)=0.4<1.0，满足规范。（2）格构式支撑：整体稳定等效长细比λox=40.3，φ=0.863，N/(φAf)=0.31<1.0；分肢稳定长细比λ=26.3<[150]，φ=0.93，N1/(φA1f)=0.29<1.0。分三阶段（30%、70%、100%）张拉拱脚拉索并逐步卸载临时支撑，是形成自平衡体系的关键。

**3. 组合板挂柱节点试验**
选取直径200 mm、长3900 mm的1:4缩尺试样进行面内纯剪试验。采用两个400 t液压千斤顶同步加载至500 t（目标荷载）。监测截面5（中板截断处）最大主应力达549.98 MPa，超过Q460GJC钢屈服强度460 MPa，但其余测点应力均低于460 MPa，且焊缝无可见损伤。数值模拟（ABAQUS）与试验吻合良好，加载至800 t（试验荷载的1.6倍）时中板截断处出现局部屈服，焊缝应力从侧板向中板扩散，屈服应力扩散长度约350 mm。表明焊缝有效传递拉力，实现钢板协同承载。

**4. 拱脚节点试验**
1:4缩尺模型包括主拱（箱型截面250 mm×200 mm×20 mm×25 mm）和两根高钒拉索（直径38 mm，抗拉强度1670 MPa）。采用三个千斤顶同步加载至设计荷载的2倍（主拱轴向660 t）。应变监测显示，测点1-2、1-3、2-4处应变达到Q460钢屈服应变（2233 με），最大主应变2636.66 με，折合最大主应力490.56 MPa，出现局部塑性，但构件无明显变形或焊缝损伤。数值模拟在相同荷载下局部应力达460 MPa，其余区域保持弹性，与试验一致。

**5. 拱顶节点试验**
1:4缩尺模型由两根主梁、两根主拱和一根钢柱组成（Q420GJC钢）。采用400 t液压千斤顶通过加载架施荷至330 t（设计荷载的4.3倍）。主梁、主拱和钢柱各测点应变均低于Q420GJC屈服应变（2089 με），保持弹性；连接区域（截面6和7）最大主应变达15729.36 με，对应平均最大主应力789 MPa，超出屈服强度，大面积进入塑性。数值模拟显示荷载330 t时最大应力471 MPa，连接区塑性扩展，主要构件仍弹性，验证了高安全裕度。

**总结讨论**
研究结论指出：分区分段施工法（17步工序）适用于大跨度拱形悬挂结构，临时支撑在施工全过程中稳定可靠；组合板挂柱节点在1.6倍试验荷载下方出现局部屈服，焊缝传力有效；拱脚节点在2倍设计荷载下仅出现局部塑性，拱顶节点在4.3倍设计荷载下连接区屈服但主要构件弹性，两者均满足规范要求的1.5倍设计荷载承载力限值，未达到性能上限或失效状态。研究结果适用于类似多层拱形悬挂结构，并为常规大跨度钢结构项目提供参考。但需注意，本研究未进行全尺寸节点试验，数值模拟缺少原型尺度模型；拱力学理论、拉索力及拱-柱相互作用的理论分析有限；疲劳和长期性能未评估（项目位于非强震区、气候温和，疲劳概率较低，施工阶段由总承包方进行监测，服役后将开展长期性能评估）。

**研究结论翻译**
（1）分区分段施工法配合17步工序对大跨度拱形悬挂结构可行。模拟显示临时支撑最大轴力1425 kN（安装完成时），峰值变形27 mm（卸载期间），均远低于规范限值（41.2 mm和150 MPa）。（2）在最不利荷载1425 kN下，钢管支撑长细比50.48、稳定系数0.796，格构支撑等效长细比40.3、稳定系数0.863，均满足规范要求。分三阶段（30%、70%、100%）张拉拱脚拉索和逐步卸载临时支撑是形成自平衡体系的关键。（3）组合板挂柱（由三块钢板焊接而成，直径从325 mm渐缩至150 mm）表现出良好的协同承载性能。在500 t面内纯剪荷载下，除一个测点外其余均低于屈服强度460 MPa，焊缝无可见损伤。中板截断处局部屈服仅在800 t（试验荷载的1.6倍）时出现，焊缝有效传递拉力，实现钢板共同作用。（4）拱脚节点（由箱型主拱和两根高钒拉索组成）在2倍设计荷载（660 t）下保持完整，仅拉索连接点处出现局部塑性（最大主应变2958.04 με），其余测点弹性，无可见变形或焊缝损伤，验证了设计的充分性。（5）拱顶组件（由两根主梁、两根主拱和一根Q420GJC钢柱组成）具有高安全裕度：在4.3倍设计荷载（330 t）下，主要构件弹性（应变低于2089 με），连接区屈服（最大主应变15729.36 με）。这些结果证实拱形悬挂结构具有显著储备承载力，为类似创新设计提供了参考。