不同形式臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)在施工全過(guò)程模擬中的適用性研究

劉軍 田龍強(qiáng) 劉光輝 秦海江

0 引言

伴隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展及“雙碳”政策的實(shí)施，鋼結(jié)構(gòu)以輕質(zhì)高強(qiáng)、抗震性能優(yōu)良、裝配化程度高、綠色環(huán)保、材料可循環(huán)性等優(yōu)勢(shì)，成為結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)用形式之一，也因其裝配式和施工速度備受建筑業(yè)推崇。目前，鋼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于商業(yè)住宅和大型場(chǎng)館等，大型鋼結(jié)構(gòu)施工通常需要?jiǎng)澐譃槎鄠€(gè)施工子部進(jìn)行逐步施作，通過(guò)施工全過(guò)程數(shù)值模擬可以明確施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力變化，為實(shí)際施工做出指導(dǎo)，保證施工安全和施工質(zhì)量。

在施工子部的實(shí)施過(guò)程中，往往需要臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)安全施作做出保障。施工全過(guò)程模擬中，伴隨著施工方案中臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的安裝和拆除，為保證模擬的準(zhǔn)確性，通常需要將臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)建立到模型中同時(shí)進(jìn)行模擬。然而現(xiàn)有關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)施工全過(guò)程的文獻(xiàn)大多集中于研究施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)或桿件的施工力學(xué)行為變化，鮮有文獻(xiàn)對(duì)臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)如何在施工全過(guò)程模擬中設(shè)置做出清晰的闡釋。

筆者立足本職工作，對(duì)施工全過(guò)程模擬中，臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)采用何種形式能夠真實(shí)反映施工中結(jié)構(gòu)和支撐的力學(xué)行為進(jìn)行了探索，研究了對(duì)于同一安裝段，分別在模型中建立實(shí)際比例臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)、與臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)同剛度圓管和設(shè)置支座三種形式的臨時(shí)支撐，在Midas 施工全過(guò)程模擬中研究三種支撐形式在施工過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力和臨時(shí)支撐受力的影響，明確在施工全過(guò)程模擬中，臨時(shí)支撐應(yīng)如何設(shè)置能更好地貼合實(shí)際施工，為工程服務(wù)。

1 模擬方案介紹

為探究不同臨時(shí)支撐方案對(duì)施工全過(guò)程數(shù)值模擬中結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐受力及變形的影響，選取同一安裝過(guò)程，保持安裝結(jié)構(gòu)不變，僅更改其臨時(shí)支撐形式，對(duì)三種不同形式的臨時(shí)支撐方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工全過(guò)程模擬，臨時(shí)支撐方案類型如表1 所示，具體方案見(jiàn)下文詳述。

表1 臨時(shí)支撐方案

1.1 全過(guò)程安裝施工流程

選取某會(huì)展中心鋼結(jié)構(gòu)一安裝計(jì)算單元，包含兩榀大跨度主桁架、次桁架和中間檁條，其中主桁架跨度107 600mm，次桁架跨度18 000mm，該結(jié)構(gòu)受力合理，傳力簡(jiǎn)潔。在施作完下部混凝土結(jié)構(gòu)后進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)安裝，安裝段結(jié)構(gòu)及臨時(shí)支撐布置如圖1 所示。安裝方案為：分段依次安裝主桁架；依次安裝次桁架和檁條；拆除臨時(shí)支撐，具體安裝流程，如圖2 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)及臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)布置圖

圖2 鋼結(jié)構(gòu)安裝流程示意圖

1.2 臨時(shí)支撐方案1 概述

根據(jù)施工方案及需求，施工現(xiàn)場(chǎng)采用公司1.5m×1.5m 標(biāo)準(zhǔn)臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，如圖3 所示，使用Midas 建立與施工現(xiàn)場(chǎng)使用臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)1∶1 的臨時(shí)支撐模型，進(jìn)行全過(guò)程計(jì)算。其中，臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)截面大小如圖4 所示，有限元計(jì)算模型如圖5 所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)

圖4 標(biāo)準(zhǔn)臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)模型

圖5 方案1 有限元計(jì)算模型

1.3 臨時(shí)支撐方案2 概述

臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)主要承受豎向荷載，計(jì)算時(shí)可以假定為軸向受壓構(gòu)件，根據(jù)軸向拉壓桿胡克定律：△=/，在豎向荷載、構(gòu)件長(zhǎng)度和材質(zhì)相同時(shí)，保證桿件截面積相等（壓縮剛度相等）即可實(shí)現(xiàn)豎向荷載下桿件具有相同的壓縮量。因臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)主要受力桿件為4 肢豎桿，因此可采用與其等截面面積的1 根圓管替換，本文中采用P520×16 的圓管進(jìn)行代替，有限元計(jì)算模型如圖6 所示。

圖6 方案2 有限元計(jì)算模型

1.4 臨時(shí)支撐方案3 概述

施工過(guò)程中通過(guò)臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，支撐待安裝結(jié)構(gòu)分段，支撐結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)分段大多采用鉸接連接，因此全過(guò)程模擬中可采用在結(jié)構(gòu)分段支撐點(diǎn)處設(shè)計(jì)鉸支座，從而簡(jiǎn)化模擬臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，有限元計(jì)算模型如圖7 所示。

圖7 方案3 有限元計(jì)算模型

2 結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算三種不同形式的臨時(shí)支撐在同一鋼結(jié)構(gòu)安裝段全過(guò)程模擬中結(jié)構(gòu)及其自身的力學(xué)特征，分析了在不同施工階段結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力和臨時(shí)支撐受力，進(jìn)而研究三種臨時(shí)支撐在鋼結(jié)構(gòu)安裝全過(guò)程模擬中適用性的優(yōu)劣，為工程數(shù)值模擬做出指導(dǎo)。

2.1 安裝過(guò)程結(jié)構(gòu)變形分析

提取三種不同形式的臨時(shí)支撐方案在同一安裝段全過(guò)程模擬中結(jié)構(gòu)的最大變形，分析不同支撐方案對(duì)已安裝結(jié)構(gòu)位移的影響，計(jì)算結(jié)果如圖8 所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，三種支撐結(jié)構(gòu)下，結(jié)構(gòu)最大位移隨安裝過(guò)程變化趨勢(shì)相同，a～d 階段為安裝兩榀主桁架，因其分段相同，故結(jié)構(gòu)最大變形基本保持不變；隨著e 階段安裝次桁架及檁條，結(jié)構(gòu)自身重量增加，結(jié)構(gòu)位移略有增大；待階段f 結(jié)構(gòu)安裝成型，因臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的拆除導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形突增。三種支撐方案所對(duì)應(yīng)各階段的變形也略有差異，其中方案1 結(jié)構(gòu)變形最大，導(dǎo)致最終結(jié)構(gòu)變形也大于其他兩種方案；臨時(shí)支撐卸載之前方案2 所對(duì)應(yīng)的安裝過(guò)程結(jié)構(gòu)的變形大于方案3，臨時(shí)支撐卸載后，兩方案結(jié)構(gòu)變形近似。從以上分析可得，采用與施工臨時(shí)支撐等剛度支撐或者直接設(shè)置鉸支座，雖然能保證結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)與實(shí)際變形趨勢(shì)相同，但在結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程中會(huì)不同程度地減小結(jié)構(gòu)實(shí)際安裝時(shí)位移，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工安裝起拱值偏小，影響結(jié)構(gòu)最終完成面效果。

圖8 3 種支撐方案安裝過(guò)程結(jié)構(gòu)最大豎向位移對(duì)比

2.2 安裝過(guò)程結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

提取三種不同形式的臨時(shí)支撐方案在同一安裝段全過(guò)程模擬中結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力，分析不同支撐方案對(duì)已安裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，計(jì)算結(jié)果如圖9 所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，三種支撐結(jié)構(gòu)下，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力隨安裝過(guò)程變化趨勢(shì)相同，a 階段安裝結(jié)構(gòu)第一分段，應(yīng)力水平較低；b～d 階段結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較a 階段略有提升，主要因隨安裝階段結(jié)構(gòu)桿件增多和重量增大所致；隨著e 階段安裝次桁架及檁條，結(jié)構(gòu)應(yīng)力增大明顯；待階段f結(jié)構(gòu)安裝成型，因臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的移除導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力達(dá)到峰值。從以上分析可得，在三種支撐方案安裝過(guò)程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平相當(dāng)，支撐形式對(duì)施工全過(guò)程模擬中結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響較小，但在施工臨時(shí)支撐卸載后，方案2 和方案3 最后階段的結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較方案1 低，一定程度上影響施工對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的準(zhǔn)確判斷。

圖9 3 種支撐方案安裝過(guò)程結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力對(duì)比

2.3 安裝過(guò)程臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)受力分析

提取三種不同形式的臨時(shí)支撐方案在同一安裝段全過(guò)程模擬中臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的反力（方案1 和方案2 均減去支撐結(jié)構(gòu)自重），分析不同支撐方案對(duì)臨時(shí)支撐受力的影響，計(jì)算結(jié)果如圖10 所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，三種支撐結(jié)構(gòu)下，4 組臨時(shí)支撐受力均隨結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程增大，最后階段均卸載至0；TJ1 和TJ3 受力趨勢(shì)相近，在全過(guò)程模擬中方案1 受力均較方案3 增大近100kN，最大受力相差約20kN；TJ2 和TJ4 受力趨勢(shì)相近，在全過(guò)程模擬中方案1 受力均較方案3 減小近150kN，最大受力相差約50kN。從以上分析可得，臨時(shí)支撐受力隨結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程的推進(jìn)逐步增大，但各步驟中并非所有方案1 臨時(shí)支撐受力均大于或小于其他兩種方案臨時(shí)支撐受力，若在全過(guò)程模擬中采用方案2 和方案3 則不能準(zhǔn)確計(jì)算各臨時(shí)支撐受力狀態(tài)，從而影響施工臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的選用及其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，最終影響施工安全和施工經(jīng)濟(jì)。

圖10 3 種支撐方案安裝過(guò)程臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)反力對(duì)比

3 結(jié)論

本文選取一代表性鋼結(jié)構(gòu)安裝全過(guò)程計(jì)算單元，選擇實(shí)際工程中數(shù)值模擬經(jīng)常采用的3 種臨時(shí)支撐形式，對(duì)同一結(jié)構(gòu)施工全過(guò)程中結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力和臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)受力三方面進(jìn)行計(jì)算分析，得到如下結(jié)論：

（1）因?qū)嶋H施工臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)在其頂部存在轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，故按照與臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)等剛度替換的圓管或者直接設(shè)置支座的方式，在數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果中并不能真實(shí)反映結(jié)構(gòu)安裝變形大小。

（2）結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力水平受臨時(shí)支撐形式影響較小，但最終結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，采用與臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)等剛度替換的圓管或者直接設(shè)置支座的方式與真實(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)存在一定差距。

（3）臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)受力在全過(guò)程模擬中受不同支撐形式的影響較大，且位置不同導(dǎo)致各種形式的臨時(shí)支撐受力差異較大，故施工全過(guò)程模擬不應(yīng)簡(jiǎn)化臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)在全過(guò)程模擬中的設(shè)置。