大型懸臂抬升裙樓施工卸載安全性分析

方勝利， 于重陽， 李國棟

(武漢理工大學(xué) a.土木工程與建筑學(xué)院； b.理學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工過程中大多需要設(shè)置臨時(shí)支撐，以確保施工過程的安全性和順利進(jìn)行，比如重慶大劇院[1]，國家體育場[2]，武漢火車站[3]，上海新國際博覽中心[4]等工程的施工卸載。臨時(shí)支撐的設(shè)置使永久結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)組成一個(gè)共同作用的新的結(jié)構(gòu)體系，待結(jié)構(gòu)安裝完成后需拆除臨時(shí)支撐。拆除臨時(shí)支撐的過程，是結(jié)構(gòu)受力逐漸轉(zhuǎn)移及內(nèi)力重分布的過程，臨時(shí)支撐由承載狀態(tài)變?yōu)闊o荷載狀態(tài)，同時(shí)主體結(jié)構(gòu)則由安裝狀態(tài)過渡到設(shè)計(jì)受力狀態(tài)，在此過程中，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形將發(fā)生較大變化，因此卸載是大型鋼結(jié)構(gòu)體系施工過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[5～8]，有必要對(duì)卸載過程進(jìn)行準(zhǔn)確合理的數(shù)值模擬，同時(shí)在卸載過程中對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測以確保卸載過程的安全性。近年來，郭彥林[9～12]在大跨度空間結(jié)構(gòu)上做了大量研究，主要通過有限元軟件對(duì)施工過程進(jìn)行模擬，從應(yīng)力位移響應(yīng)從理論上指導(dǎo)施工過程的安全性。因此，本文通過ANSYS有限元軟件并利用單元生死技術(shù)模擬整個(gè)結(jié)構(gòu)的卸載過程，主要從支撐胎架應(yīng)力和裙樓位移兩方面探討整體結(jié)構(gòu)在卸載過程中的安全性，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測監(jiān)控結(jié)果對(duì)比，為施工過程提供指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 抬升裙樓概況

深圳證券交易所營運(yùn)中心工程位于深圳市福田中心區(qū)，建筑面積26.7萬m2，共46層，主體總高度245.8 m，鋼結(jié)構(gòu)總重4.2萬t。大廈底座被抬升至36 m高，形成一個(gè)巨大的“漂浮平臺(tái)”，此即為抬升裙樓。它由桁架筒結(jié)構(gòu)和巨型懸挑桁架結(jié)構(gòu)組成(如圖1所示)。抬升裙樓長162 m，寬98 m，高24 m，結(jié)構(gòu)最大特點(diǎn)是超長平臂懸挑、超大構(gòu)件及超重節(jié)點(diǎn)，南北面從塔樓向外懸挑22 m，東西面從桁架筒向外懸挑36 m，構(gòu)件最大截面尺寸為4.2 m×2 m，單個(gè)節(jié)點(diǎn)最大重量172 t，抬升裙樓鋼結(jié)構(gòu)總重量達(dá)2.8萬t。

圖1 深圳證券交易所營運(yùn)中心結(jié)構(gòu)組成

1.2 卸載方案

抬升裙樓采用胎架支撐，高空原位拼裝的施工方法。在裙樓東西兩側(cè)的桁架筒內(nèi)安裝兩臺(tái)M1280D塔吊，附著于主樓六層，對(duì)應(yīng)裙樓下弦的46個(gè)起拱點(diǎn)，設(shè)置46組臨時(shí)支撐胎架，如圖2所示，胎架基礎(chǔ)設(shè)置在加固后的一層樓板上，胎架之間設(shè)聯(lián)系桁架和剪刀撐，保證胎架整體的穩(wěn)定。

圖2 胎架布置

卸載時(shí)，按照由外向內(nèi)的順序，分階段，分批，分級(jí)的方式進(jìn)行。整個(gè)卸載共分12步，由外圈向內(nèi)圈逐圈卸載。當(dāng)外圈，中圈，內(nèi)圈各卸載一步，此即為一個(gè)階段，整個(gè)卸載共分4個(gè)階段完成，以達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)卸載的目的。外圈即為圖2中最外面的黑色圈所圍成的區(qū)域，包含30組臨時(shí)支撐胎架；中圈即為圖2中TJM下方黑色圈所圍成的區(qū)域，包含8組臨時(shí)支撐胎架；內(nèi)圈即為圖2中TJI下方黑色圈所圍成的區(qū)域，包含8組臨時(shí)支撐胎架。深圳證券交易所營運(yùn)中心抬升裙樓的卸載工具為沙箱結(jié)構(gòu)，沙箱是利用封閉容器內(nèi)的干燥細(xì)沙, 在容器側(cè)下部打開開口時(shí)細(xì)沙易流出, 從而減少容器內(nèi)的細(xì)沙體積實(shí)現(xiàn)分級(jí)卸載的目的。

2 卸載過程模擬分析

2.1 計(jì)算模型的建立

2.1.1單元選取

本文采用ANSYS建立了結(jié)構(gòu)的整體模型，模型采用三維直角坐標(biāo)系。梁柱及其胎架結(jié)構(gòu)的模擬選擇BEAM188單元。BEAM188 單元適合于分析從細(xì)長到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，該單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了剪切變形的影響。模型中所有的線彈性混凝土樓板以及直筒墻結(jié)構(gòu)均選擇SHELL63單元。SHELL63具備彎曲和膜的特性，能承受平面內(nèi)和法線方向的荷載。計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型

2.1.2荷載

整個(gè)施工模擬計(jì)算過程只考慮結(jié)構(gòu)本身的自重作用，重力加速度取g=9.80 kg/m2。

2.1.3材料參數(shù)

鋼材彈性模量E=200 GPa，泊松比v=0.3，密度ρ=7.85×103kg/m3；線彈性混凝土采用C30混凝土材料，E=30 GPa，泊松比v=0.2，密度ρ=2.5×103kg/m3。

2.2 分析步驟

本文通過ANSYS的單元生死功能實(shí)現(xiàn)對(duì)整體結(jié)構(gòu)安裝全過程的施工力學(xué)分析。計(jì)算過程中打開幾何大變形控制，采用Newton-Raphson非線性迭代求解。

實(shí)際的卸載方案是胎架由外圈向內(nèi)圈逐級(jí)、分布卸載。在有限元模擬的過程中，將環(huán)境溫度設(shè)置為300 K，在裙樓的下弦節(jié)點(diǎn)與胎架之間建一根豎直短柱(BEAM188單元)，通過給短柱降溫的方法實(shí)現(xiàn)分級(jí)卸載。具體模擬分析的步驟如表1所示。

表1 卸載工況

2.3 計(jì)算結(jié)果

2.3.1胎架支撐反力

卸載過程是整個(gè)施工工程中的重要步驟，而胎架作為主要的支撐結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到卸載過程乃至整體結(jié)構(gòu)的安全。因此研究卸載過程中胎架底部的支撐反力具有重要意義。本文選取8、9、13、H號(hào)點(diǎn)下面的胎架為研究對(duì)象，如圖4所示。每幅胎架由四根角柱主要支撐，如圖5所示，因此每幅胎架有4個(gè)測點(diǎn)。模擬施工過程的計(jì)算結(jié)果列表如下表2所示。該應(yīng)力值為當(dāng)前施工步驟下的應(yīng)力與胎架在自重作用下應(yīng)力的差值。從表中可以看出，所有的應(yīng)力值均為壓應(yīng)力，卸載前應(yīng)力值最大，隨著卸載過程的一步步進(jìn)行，胎架應(yīng)力值逐漸減小，每幅胎架的4個(gè)不同測點(diǎn)的應(yīng)力值變化不大。整個(gè)卸載過程中最大應(yīng)力值為-85.3 MPa，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。因此，從卸載過程中胎架的應(yīng)力變化來看，支撐結(jié)構(gòu)安全可靠。

圖4 抬升裙樓下弦平面測點(diǎn)布置

圖5 TJ8測點(diǎn)布置

測點(diǎn)卸架前第1階段第2階段第3階段第4階段TJ8-1-30.0 -12.0 -2.0 -2.0 -1.8 TJ8-2-31.2-13.1-1.5-1.8-1.7TJ8-3-30.5-9.9-1.0-1.0-1.0TJ8-4-31.0-10.2-0.6-0.5-0.6TJ9-1-25.0 -8.2 -7.3 -7.2 -1.2 TJ9-2-22.0-8.0-7.2-7.1-1.2TJ9-3-22.6-8.3-7.6-7.5-1.6TJ9-4-25.8-10.2-7.7-7.5-1.6TJ13-1-85.3 -62.5 -31.5 -31.4 -1.3 TJ13-2-82.0-60.2-31.0-29.9-1.6TJ13-3-83.6-63.2-31.2-30.3-1.5TJ13-4-84.5-63.3-31.5-28.9-1.0TJH-1-25.2-15.2-10.1-9.8-2.6TJH-2-24.3-14.6-10.3-10.1-2.9TJH-3-24.8-15.0-9.8-9.8-1.8TJH-4-26.3 -16.0 -9.9 -9.8 -1.9

2.3.2抬升裙樓角點(diǎn)位移

卸載過程中，整體結(jié)構(gòu)由于支撐結(jié)構(gòu)的移除，其自重荷載將由結(jié)構(gòu)本身承擔(dān)，在此過程中整體結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的變形。因此，研究卸載過程中整體結(jié)構(gòu)的變形對(duì)其安全性至關(guān)重要。對(duì)于大懸挑結(jié)構(gòu)來說，在卸載過程中，離“懸臂”最遠(yuǎn)的點(diǎn)的位移最大，因此選擇抬升裙樓下弦四個(gè)角點(diǎn)1、11、16、26(見圖4)的豎向位移為分析對(duì)象。模擬計(jì)算結(jié)果如下表3所示。該位移值為當(dāng)前施工步驟下的位移與卸載前測點(diǎn)位移的差值。在整個(gè)卸載階段，測點(diǎn)的豎向位移逐漸增大。整體結(jié)構(gòu)、荷載卸載步驟都是對(duì)稱分布，因此模擬得到的位移點(diǎn)的結(jié)果在數(shù)值上相差不大。施工卸載完成后，測點(diǎn)的最大位移下降了18.9 mm，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)的要求。因此，從卸載過程中懸挑裙樓的位移變化來看，整體結(jié)構(gòu)安全可靠。

表3 測點(diǎn)豎向位移 mm

3 計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對(duì)比分析

為了確保卸載過程的順利進(jìn)行，在裙樓的卸載過程中，利用全站儀和應(yīng)變傳感器，對(duì)裙樓下弦角點(diǎn)位移和胎架反力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將實(shí)測結(jié)果與ANSYS計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果見圖6和圖7，在圖6和圖7中，橫坐標(biāo)與表1中的工況對(duì)應(yīng)。

3.1 胎架支撐反力的對(duì)比分析

圖6給出了TJ8，TJ9，TJ13，TJH測點(diǎn)應(yīng)力在卸載過程中的計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果。由圖6看出，所有胎架4個(gè)不同角柱測點(diǎn)的計(jì)算應(yīng)力結(jié)果相差不大。因?yàn)樵诶碚撚?jì)算中，模型、荷載及施工步驟都是對(duì)稱的，所以每幅胎架的四個(gè)角點(diǎn)在理論上應(yīng)該均勻受力，模擬的結(jié)果很好印證了這一點(diǎn)。但是從監(jiān)測結(jié)果看出，同一幅胎架不同角點(diǎn)的應(yīng)力在卸載階段有很大差異，主要是由于實(shí)際的卸載過程中諸多不可控因素導(dǎo)致的。由圖6(a)TJ8的結(jié)果所示，整體的計(jì)算結(jié)果在卸載前，即0階段，TJ8-2計(jì)算應(yīng)力為-31.2 MPa，監(jiān)測應(yīng)力為-62.3 MPa，誤差較大。但是在卸載的四個(gè)階段，計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果很接近，可控性較高。隨著卸載過程的進(jìn)行，胎架應(yīng)力逐漸減小，在卸載完成后，胎架基本處于無應(yīng)力狀態(tài)。由圖6(b)TJ9的結(jié)果所示，4個(gè)角點(diǎn)的監(jiān)測應(yīng)力在整個(gè)卸載過程中基本保持不變，在卸載完成后4個(gè)角點(diǎn)的胎架應(yīng)力計(jì)算結(jié)果基本趨于零應(yīng)力，與監(jiān)測結(jié)果有些許差別。由圖6(c)TJ13的結(jié)果所示，TJ13的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果在整個(gè)卸載過程中保持較好的一致性，可控性很高。由圖6(d)TJH的結(jié)果所示，TJH的監(jiān)測結(jié)果在卸載完成后，角點(diǎn)的應(yīng)力值為8.5 MPa左右，為正值，可能是由卸載過程中溫度變化引起的。從整個(gè)監(jiān)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比看出，計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果在局部存在著較大的誤差，但是整體的應(yīng)力變化趨勢基本保持一致，在數(shù)值上遠(yuǎn)小于規(guī)范的設(shè)計(jì)要求，整個(gè)卸載過程安全，基本可控。

圖6 胎架應(yīng)力對(duì)比

3.2 裙樓位移對(duì)比分析

卸載過程中，對(duì)裙樓角點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，在卸載的第二階段完成時(shí)，未能及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，因此沒有第二階段的位移監(jiān)測結(jié)果。圖7給出了1，11，16，26號(hào)測點(diǎn)位移在卸載過程中的計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果。計(jì)算值和監(jiān)測值在整體變化趨勢上保持一致，在卸載完成后4個(gè)角點(diǎn)的監(jiān)測值有些許差距，對(duì)比結(jié)果如表4所示。26號(hào)測點(diǎn)計(jì)算值與監(jiān)測值差距較大，1、11、16號(hào)測點(diǎn)的位移計(jì)算值與監(jiān)測值很接近，整體上裙樓的線型控制較好，整個(gè)卸載過程安全，可控。

圖7 裙樓角點(diǎn)豎向位移對(duì)比

數(shù)值1號(hào)11號(hào)16號(hào)26號(hào)實(shí)測值18.821.215.68.6計(jì)算值18.719.918.318.5

通過以上胎架的內(nèi)力和裙樓位移的計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果的對(duì)比可知，在某些局部區(qū)域數(shù)值上存在著較大的差異?；趯?shí)際卸載過程中的諸多因素，可能引起誤差的原因如下：

(1)在監(jiān)測時(shí)無論是儀器本身的精度還是人為因素都會(huì)引起誤差，這就直接導(dǎo)致了測量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果之間的差異。

(2)因?yàn)闇囟茸兓瘯r(shí)，結(jié)構(gòu)的線膨脹系數(shù)和傳感器的線膨脹系數(shù)不一樣，實(shí)際測量時(shí)溫度變化會(huì)影響監(jiān)測數(shù)據(jù)，本文在計(jì)算應(yīng)變變化時(shí)，利用近似公式對(duì)溫度的影響進(jìn)行了修正，但還是存在一定程度的誤差；而在數(shù)值模擬中并未考慮溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，因此會(huì)導(dǎo)致實(shí)測數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果存在誤差。

(3)應(yīng)力監(jiān)測所用的應(yīng)變傳感器在監(jiān)測時(shí)受外界因素影響較大，因而與計(jì)算結(jié)果的吻合度比較低。

(4)數(shù)值模擬時(shí)，荷載工況是按照實(shí)際的施工步驟添加的，但是如此龐大的工程，施工過程必然很復(fù)雜，會(huì)受到各方面因素的影響，在用有限元模擬施工過程時(shí)并不能百分之百和實(shí)際的施工過程相一致，因此數(shù)值計(jì)算存在一定程度的誤差。

4 結(jié) 語

對(duì)卸載過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，應(yīng)力的結(jié)果差異較大，由于在監(jiān)測中，應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果受各方面因素影響比較大，在某些局部區(qū)域與計(jì)算結(jié)果有較大誤差。但是，在施工過程中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化不大，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求；裙樓在卸載過程中的計(jì)算值與監(jiān)測值很接近，整體上裙樓的線型控制較好。從計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果看出，整個(gè)卸載過程安全，可控。

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