新型大跨度空間結(jié)構(gòu)施工卸載優(yōu)化數(shù)值研究

周 峰 崔理鋼 劉 凱

(南昌工程學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，南昌330099)

1 引言

施工卸載過程是指對(duì)支撐體系(腳手架體系)的卸載，而對(duì)結(jié)構(gòu)體系自身來說恰恰正是加載過程，在此過程中由于結(jié)構(gòu)的邊界條件會(huì)發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力水平也會(huì)發(fā)生較大的變化，應(yīng)力重新分配，部分桿件的受力狀態(tài)甚至?xí)S加載過程發(fā)生正負(fù)交替的變化或超出設(shè)計(jì)應(yīng)力，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的幾何撓度變化。如設(shè)計(jì)時(shí)考慮不周，很可能造成個(gè)別桿件由于內(nèi)力交替變化而導(dǎo)致桿件屈曲和破壞，由此引發(fā)結(jié)構(gòu)的局部塌陷甚至結(jié)構(gòu)的整體垮塌。不僅如此，在此過程中，支撐體系也同樣經(jīng)受著考驗(yàn)，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、形狀的改變會(huì)對(duì)支撐體系的受荷狀態(tài)產(chǎn)生影響，不過這種影響會(huì)隨著卸載工作的推進(jìn)而逐漸減小，最后消失，但在卸載過程中，支撐體系的不同區(qū)域、不同部位的受荷狀態(tài)都會(huì)發(fā)生不同程度的改變，這與施工卸載的方案有關(guān)。對(duì)于不同的施工卸載設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)體系和支撐體系所經(jīng)歷的受力轉(zhuǎn)變過程也都不盡相同。因此，在結(jié)構(gòu)施工卸載之前，必要時(shí)需要對(duì)支撐體系的局部進(jìn)行檢驗(yàn)和加強(qiáng)，以保證支撐體系在卸載過程中的強(qiáng)度和穩(wěn)定性［1，2］。

本文對(duì)新型大跨度空間結(jié)構(gòu)(國(guó)家游泳中心結(jié)構(gòu))鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工卸載過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，探討了不同施工卸載方案對(duì)結(jié)構(gòu)造成的影響(結(jié)構(gòu)內(nèi)力和支撐體系內(nèi)力方面)，最后給出了較優(yōu)的鋼結(jié)構(gòu)施工卸載方案。

2 結(jié)構(gòu)有限元模型建立

本文采用大型有限元分析軟件ANSYS建立了結(jié)構(gòu)整體有限元模型及施工安裝模型，鋼結(jié)構(gòu)單元總數(shù)為91 855個(gè)(其中包含有Mass21質(zhì)量單元 10 075個(gè)、Beam189梁?jiǎn)卧?36 626個(gè)、Pipe20管單元45 154個(gè))，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為14 4981個(gè)，節(jié)點(diǎn)之間的連接全部為剛性連接，鋼結(jié)構(gòu)整體有限元模型如圖1所示。Mass21單元用于模擬節(jié)點(diǎn)球的質(zhì)量，Beam189單元用于模擬結(jié)構(gòu)的上下弦桿，而Pipe20單元用于模擬結(jié)構(gòu)的腹桿。

圖1 結(jié)構(gòu)整體有限元模型Fig．1 Finite element model

為了減小結(jié)構(gòu)的下弦撓度值以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，結(jié)構(gòu)在實(shí)際施工過程中對(duì)結(jié)構(gòu)跨度最大的屋蓋(R3區(qū)，即場(chǎng)館區(qū))采取了預(yù)起拱措施，起拱形式為環(huán)狀起拱，起拱高度約為 11．7 cm［3］。為了使計(jì)算模型能夠反映結(jié)構(gòu)真實(shí)的受力狀態(tài)，本計(jì)算模型按照實(shí)際情況對(duì)模型的各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了更新，以模擬起拱高度對(duì)結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)水平及豎向位移的影響，起拱形式如圖2所示［3］。

圖2 結(jié)構(gòu)預(yù)起拱示意圖Fig．2 Pre-arching mode of structure

3 施工卸載方案數(shù)值研究

為了較好地把握大跨度空間結(jié)構(gòu)施工卸載階段的受力狀態(tài)，本文進(jìn)行了大跨度空間結(jié)構(gòu)施工卸載的有限元數(shù)值模擬，揭示結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。

3．1 施工卸載方案

鋼結(jié)構(gòu)屋蓋卸載是將屋蓋結(jié)構(gòu)從外來支撐受力狀態(tài)轉(zhuǎn)換到體系自身承重狀態(tài)的過程，應(yīng)力分布會(huì)發(fā)生較大的變化。

結(jié)構(gòu)選用分區(qū)、同時(shí)、等距、分步的方法來完成卸載過程。卸載分為不同的區(qū)域先后分別進(jìn)行，共分2次完成，每次卸載的每個(gè)卸載行程為5 mm，所有千斤頂同時(shí)卸載，且行程相同，千斤頂隨卸載過程從外圍向中部逐圈、逐步地退出工作，最終，將屋蓋結(jié)構(gòu)從外部支撐狀態(tài)轉(zhuǎn)換到自支撐狀態(tài)。

千斤頂布設(shè)位置如圖3所示。第一次卸載區(qū)域?yàn)镽1、R2區(qū)，共51個(gè)千斤頂(圖3(c))卸載，分為10個(gè)卸載行程，每個(gè)卸載行程5 mm;第二次卸載區(qū)域?yàn)镽3區(qū)，共88個(gè)千斤頂(圖3(d))卸載，為50個(gè)卸載行程，每個(gè)卸載行程5 mm。結(jié)構(gòu)區(qū)域劃分方式如圖3(a)所示，千斤頂布設(shè)位置共135處，如圖3(b)所示。

圖3 千斤頂布設(shè)位置(共135只)Fig．3 Locations of lifting jacks(135)

由于鋼結(jié)構(gòu)體積龐大，為了盡可能地減小由鋼結(jié)構(gòu)施工拼裝引起的累積安裝應(yīng)力，特設(shè)了施工后焊接帶，高度位置位于屋蓋的上弦平面。焊接帶的焊合時(shí)間為第一次施工卸載完成后和第二次施工卸載前的某段時(shí)間，兩次施工卸載間隔約為30 d。

3．2 施工卸載有限元模型建立

施工卸載模型除了需要用到單元生死“特性”以模擬施工后焊接帶施工外，還需增加Link10單元135個(gè)，作為模擬施工卸載所需的135個(gè)千斤頂之用。千斤頂卸載數(shù)值模擬見圖4所示?？紤]到千斤頂在施工卸載過程中只承受壓力，因此，在進(jìn)行有限元計(jì)算模擬時(shí)只利用Link10單元的受壓特性，當(dāng)單元受拉時(shí)，單元不再提供剛度，說明千斤頂已退出工作狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的該點(diǎn)也完成卸載。為了進(jìn)一步模擬千斤頂只具有豎向剛度的特性(不提供水平剛度)，同時(shí)避免Link10單元在施工卸載模擬過程中出現(xiàn)機(jī)構(gòu)性運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致無法進(jìn)行卸載模擬，需要在千斤頂與對(duì)應(yīng)的卸載點(diǎn)之間建立水平位移方向的約束方程:

式中，i為參與約束方程的變量數(shù)量;U(i)為參與約束方程的變量，這里指結(jié)構(gòu)水平位移和千斤頂?shù)乃轿灰?α(i)為各變量之間的關(guān)系系數(shù)，這里取-1;C為常數(shù)，這里取0。

圖4 千斤頂卸載數(shù)值模擬示意圖Fig．4 Unloading lifting jack

3．3 施工卸載方案數(shù)值研究

屋面卸載是將屋面結(jié)構(gòu)從支撐受力狀態(tài)下，轉(zhuǎn)換到自由受力狀態(tài)的過程，即從支撐體系受力轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)體系自受力的過程。對(duì)于跨度較大的屋面結(jié)構(gòu)，在卸載過程中，桿件的內(nèi)應(yīng)力隨卸載進(jìn)程會(huì)發(fā)生顯著的變化，有可能超出設(shè)計(jì)應(yīng)力，因此在選擇卸載工況時(shí)，必須保證桿件內(nèi)應(yīng)力控制在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。對(duì)于幾何非線性發(fā)生不明顯的剛性結(jié)構(gòu)而言，不同的卸載方案雖然不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)及支撐體系的最終狀態(tài)造成影響，但卻會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的成型過程造成一定的影響。在此期間，支撐體系同樣經(jīng)歷著不同的變化過程，過程的優(yōu)化就顯得尤為重要，好的卸載方案會(huì)給卸載的具體實(shí)施帶來方便，如增加卸載的安全可靠性，避免因卸載所引起的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變更，避免卸載引起的支撐體系設(shè)計(jì)變更，可有效降低建設(shè)成本及提高實(shí)施效率等［4］。

有鑒于此，本節(jié)根據(jù)該工程特點(diǎn)，從區(qū)域劃分方式、區(qū)域卸載順序、千斤頂卸載方式等方面，先后對(duì)四種施工卸載方案進(jìn)行了對(duì)比性的優(yōu)化數(shù)值模擬分析，以達(dá)到施工卸載的優(yōu)化選取，其卸載方案如表1所示。具體實(shí)施時(shí)，可根據(jù)安裝計(jì)劃，屋面安裝分區(qū)進(jìn)行，充分利用本工程縱橫內(nèi)隔墻的有利條件，將卸載分兩個(gè)區(qū)域隨安裝過程進(jìn)行，以節(jié)約施工臨時(shí)支撐的數(shù)量。

表1 卸載方案列表Table 1 List of unloading plans

圖5給出了采用施工卸載方案1時(shí)，千斤頂退出工作的情況。從圖中可以看出，卸載時(shí)，屋蓋發(fā)生的位移介于2～22 cm之間，按照每個(gè)卸載行程5 mm計(jì)算，第4步卸載完成時(shí)即有部分千斤頂退出工作，由于第一次卸載的屋蓋區(qū)域撓度發(fā)生值較小，因此，在第8步即完成了卸載的全過程。第二次卸載時(shí)，經(jīng)歷的有效卸載步數(shù)達(dá)到了44步，在此期間，接觸非線性行為持續(xù)發(fā)生。數(shù)值模擬時(shí)，為了保證千斤頂完全脫離結(jié)構(gòu)，第一次卸載給出的荷載步為15步，第二次為52步，共模擬了67步，部分千斤頂受荷變化全過程如圖7(a)所示，千斤頂分布位置如圖6所示。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋支撐點(diǎn)布置及千斤頂卸載情況Fig．5 Locations of lifting jacks in roof and unloading status

圖6 千斤頂標(biāo)號(hào)Fig．6 Number of liftig jackets

從圖7(a)中可以看出，卸載過程中，接觸非線性行為導(dǎo)致千斤頂受力并非單調(diào)線性變化，而是非線性的、存在起伏的變化，由此引起的起伏幅值可達(dá)千斤頂初始?jí)毫?未卸載時(shí)千斤頂受力)的21%，顯然，這對(duì)于支撐體系是十分不利的。從圖8(a)的結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力變化過程可以看出，結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力變化仍具有明顯的非線性特征(結(jié)構(gòu)桿件位置分布如圖9所示)，且部分桿件內(nèi)力在卸載過程中存在較大起伏性變化，內(nèi)力起伏幅值可達(dá)結(jié)構(gòu)成型時(shí)桿件內(nèi)力的24%。同樣地，由于兩次卸載的溫差變化達(dá)到了近20℃，由此引起的應(yīng)變變化也相當(dāng)大，其部分桿件內(nèi)力變化幅度超出了結(jié)構(gòu)成型時(shí)桿件內(nèi)力的20%。由此可以看出，該施工卸載方法雖然施工方法簡(jiǎn)便，易于操作，但對(duì)結(jié)構(gòu)及支撐體系會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)面影響，為了消除此負(fù)面影響，需對(duì)結(jié)構(gòu)及支撐體系進(jìn)行加強(qiáng)，以確保卸載的順利進(jìn)行。顯然，所采用的加強(qiáng)操作會(huì)使結(jié)構(gòu)及支撐體系設(shè)計(jì)得過于保守，加大建設(shè)投入，是十分不經(jīng)濟(jì)的，同時(shí)也大幅度增加了卸載實(shí)施的安全隱患。

圖7(b)給出了施工卸載方案2(調(diào)換分區(qū)卸載順序)時(shí)千斤頂受荷變化曲線。由于該卸載方案未能充分利用不同區(qū)域屋蓋所產(chǎn)生的重力平衡作用及結(jié)構(gòu)內(nèi)部墻體的支撐作用，導(dǎo)致支撐體系的部分卸載位置受荷過大，受荷增加幅度超出10%，部分結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)變變化幅度大幅度增加，達(dá)到45%，如圖8(b)所示。由此可以看出，當(dāng)采用分區(qū)方法卸載時(shí)，不同的分區(qū)卸載順序?qū)χ误w系和結(jié)構(gòu)體系都存在較大的影響。

圖7 千斤頂受力變化Fig．7 Changes of lifting jack’s stresses during unloading

圖8 桿件應(yīng)變變化Fig．8 Changes of bars stresses during unloading

圖9 桿件標(biāo)號(hào)及位置分布Fig．9 Lable and distribntion of bars

圖7 (c)給出了施工卸載方案3(分區(qū)比例卸載法)時(shí)千斤頂受荷變化情況，從圖中可以看出，當(dāng)采用比例卸載時(shí)，支撐體系受荷呈現(xiàn)出單調(diào)線性下降的變化趨勢(shì)，圖8(c)給出的結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力變化也呈現(xiàn)出單調(diào)、線性的變化規(guī)律。理論上講，由于是采用千斤頂比例卸載(所有千斤頂?shù)男遁d次數(shù)相同，只是每只千斤頂?shù)膯未涡遁d行程不同，單次卸載行程大小由結(jié)構(gòu)撓度曲線確定)，該卸載方法可實(shí)現(xiàn)全部千斤頂同時(shí)脫離結(jié)構(gòu)，即全部千斤頂在最后卸載步時(shí)相繼脫離結(jié)構(gòu)，但由于千斤頂支反力約束會(huì)引起結(jié)構(gòu)撓曲線的二次變化，如圖10所示，從而使卸載過程中結(jié)構(gòu)的撓曲線不再嚴(yán)格按照結(jié)構(gòu)自由狀態(tài)的撓曲線進(jìn)行，由此導(dǎo)致部分千斤頂提前退出工作，而部分千斤頂又出現(xiàn)延遲退出的情況，這也解釋了圖7(c)顯示的千斤頂未能同步退出工作狀態(tài)的原因，但全部千斤頂退出工作狀態(tài)限定在最后10個(gè)卸載步以內(nèi)，相較于分區(qū)等距卸載法的44步而言，其接觸非線性行為減小，顯然不論對(duì)結(jié)構(gòu)自身還是支撐體系均是十分有利的。

圖7(d)給出了施工卸載方案4(整體比例卸載法)時(shí)千斤頂受荷變化情況。從圖中可以看出，支撐體系受荷呈現(xiàn)出單調(diào)、線性、下降的變化趨勢(shì)，圖8(d)給出的結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力變化也呈現(xiàn)出單調(diào)、線性的變化規(guī)律，由于該卸載方案為結(jié)構(gòu)一次整體成型，避免了兩次卸載所引起的溫度應(yīng)力效應(yīng)，但同時(shí)也增加了單次卸載中結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化幅度。

圖10 千斤頂支反力約束引起的撓曲線二次變化Fig．10 Deflection quadratic curve caused by lifting jack’s reaction

圖11 和圖12分別給出了后三種施工卸載方案中135支千斤頂及240根監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)桿件受力相對(duì)于施工卸載方案一的變化情況。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，與實(shí)際工程中所采用的方法相比，分區(qū)比例卸載法可有效降低支撐體系的受荷程度，同時(shí)也可減小部分桿件的內(nèi)力變化幅度，而整體比例卸載法不論對(duì)于結(jié)構(gòu)體系自身還是支撐體系均達(dá)到了比較好的優(yōu)化效果，支撐體系的大部分位置受荷明顯降低，大部分結(jié)構(gòu)桿件的內(nèi)力變化水平也大幅度降低。

圖11 千斤頂壓力變化情況Fig．11 Changes of lifting jack’s stresses during unloading

圖12 桿件應(yīng)變變化情況Fig．12 Changes of bars stresses during unloading

通過以上施工卸載的對(duì)比性優(yōu)化分析可以看出，不論是對(duì)于結(jié)構(gòu)體系自身還是對(duì)于支撐體系而言，比例卸載法在各方面均優(yōu)于等步卸載法，但實(shí)施難度較大，對(duì)建筑施工技術(shù)有較高要求;理論上講，二次分區(qū)卸載法可有效降低結(jié)構(gòu)及支撐體系在單次卸載過程中的受荷程度，但需做好優(yōu)化分析，確定最優(yōu)的區(qū)域劃分方式及區(qū)域卸載順序，同時(shí)應(yīng)做好施工的組織規(guī)劃，避免因溫差過大所產(chǎn)生的溫度內(nèi)力;而整體一次成型卸載卻不存在上述問題?？梢?，對(duì)本工程而言，整體一次成型比例卸載應(yīng)為其最佳施工卸載方案。

3．4 整體施工卸載的施工工藝

由上述分析可知，對(duì)于大跨度空間結(jié)構(gòu)而言，整體施工卸載方法對(duì)于結(jié)構(gòu)施工成型最為有利，可最大限度減小卸載過程中結(jié)構(gòu)和支撐體系的受荷。但該卸載方法對(duì)施工卸載工藝卻提出了較高的要求:

(1)卸載前應(yīng)首先對(duì)非卸載點(diǎn)的支撐進(jìn)行卸除，卸除應(yīng)徹底，且應(yīng)按照區(qū)域和位置，有計(jì)劃有步驟地進(jìn)行，基本原則為:盡可能減小臨時(shí)支撐卸除時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沖擊和避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大范圍和較大幅度不均勻受力。

(2)此外，卸載前，應(yīng)對(duì)卸載點(diǎn)處的支撐進(jìn)行加固，以抵御卸載過程中產(chǎn)生的沖擊荷載，及卸載不均勻?qū)е碌木植奎c(diǎn)位超負(fù)荷加載。

(3)大跨度空間結(jié)構(gòu)的卸載點(diǎn)往往超過上百個(gè)，如此多的卸載點(diǎn)如要同步卸載，理想的卸載方法是采用計(jì)算機(jī)控制下的分級(jí)同步卸載方法，以最低限度減小卸載時(shí)產(chǎn)生的沖擊和避免卸載不同步導(dǎo)致的局部點(diǎn)位反向加載的情況。

(4)如受施工條件所限，無法采用計(jì)算機(jī)同步卸載時(shí)，應(yīng)對(duì)施工卸載人員進(jìn)行細(xì)致講解、培訓(xùn)，使卸載人員在卸載過程中嚴(yán)格按照給出的指令操作，按照每級(jí)卸載的行程進(jìn)行操作，杜絕卸載人員不聽指揮、不按進(jìn)度，加快或拖慢卸載步驟，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和支撐體系出現(xiàn)局部受荷過大的情況，產(chǎn)生安全隱患。

(5)卸載過程應(yīng)緩慢進(jìn)行，以給結(jié)構(gòu)充分的時(shí)間進(jìn)行內(nèi)力重分配，如卸載過程中出現(xiàn)個(gè)別卸載點(diǎn)無法卸除的情況，應(yīng)立即停止卸載，對(duì)故障千斤頂進(jìn)行快速替換，并繼續(xù)完成后續(xù)卸載工作。

4 結(jié)論

本文對(duì)新型空間鋼結(jié)構(gòu)的施工卸載過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，揭示了該類結(jié)構(gòu)施工卸載過程中的結(jié)構(gòu)與支撐體系受力狀態(tài)變化特點(diǎn)。主要結(jié)論有:

(1)施工卸載過程的數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)采用等距卸載法時(shí)，空間結(jié)構(gòu)與其支撐體系在卸載過程中的內(nèi)力水平會(huì)出現(xiàn)大幅度反彈，并非呈現(xiàn)單調(diào)下降趨勢(shì)，增加了結(jié)構(gòu)與支撐體系的危險(xiǎn)性，其內(nèi)力增加幅度可達(dá)結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的24%。

(2)施工卸載過程的對(duì)比性分析表明，不論是從結(jié)構(gòu)角度還是支撐體系角度，等比例卸載法均優(yōu)于該實(shí)際工程中所采用的等距卸載法，且采用結(jié)構(gòu)整體的一次成型卸載對(duì)結(jié)構(gòu)和支撐體系最為有利。

(3)當(dāng)采用分區(qū)域、分步驟卸載法時(shí)，不同卸載區(qū)域的溫度控制以及由此導(dǎo)致的卸載過程中局部體系變化會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成不利影響，確定較優(yōu)施工卸載分區(qū)方式與區(qū)域卸載順序至關(guān)重要。

(4)整體卸載法對(duì)施工卸載工藝要求較高，理想的卸載方法為采用計(jì)算機(jī)控制下的分級(jí)同步卸載法。

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