大跨度懸挑結(jié)構(gòu)的施工仿真分析

武云鵬

中冶（上海）鋼結(jié)構(gòu)科技有限公司 上海 201908

近年來，我國(guó)大跨度復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)得到了迅猛發(fā)展，各種先進(jìn)的施工技術(shù)也層出不窮。其中，通過搭設(shè)臨時(shí)支撐，采用分段拼裝、高空組裝或直接高空散裝的安裝方法，以及安裝完成后拆除臨時(shí)支撐的卸載方法，更是在大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工過程中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

卸載是主體結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐相互作用的一個(gè)復(fù)雜過程，是結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布的過程。臨時(shí)支撐可以理解為主體結(jié)構(gòu)的彈性約束。隨著臨時(shí)支撐頂部千斤頂?shù)南陆?，主體結(jié)構(gòu)的邊界條件在不斷變化，結(jié)構(gòu)傳力體系也在逐漸變化，由施工狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)狀態(tài)[4-7]。

卸載原則為：

1）制訂合理的卸載方案。在卸載過程中，下降某個(gè)支撐點(diǎn)，相應(yīng)的臨時(shí)支撐受力會(huì)明顯變小，但同時(shí)相鄰臨時(shí)支撐的受力會(huì)變大，主體結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力也隨著改變。如果卸載方案不合理，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力過大。

2）整個(gè)卸載過程應(yīng)緩慢進(jìn)行，以保證結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的平穩(wěn)過渡。如果支撐點(diǎn)下降太快，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力突變。

3）整個(gè)卸載過程應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性均安全可靠，不發(fā)生破壞或失穩(wěn)。

卸載方式為：在理想情況下，依據(jù)主體結(jié)構(gòu)在各個(gè)支撐點(diǎn)處的總豎向位移值，同時(shí)等比例下降所有支撐點(diǎn)，并保證下降過程緩慢進(jìn)行，這樣的卸載方式是最合理的。在實(shí)際工程中，支撐點(diǎn)的數(shù)目會(huì)很多，考慮到技術(shù)難度和經(jīng)濟(jì)合理性，應(yīng)采用“分組分步”的卸載方式。計(jì)算機(jī)同步控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)卸載過程的同步協(xié)調(diào)和緩慢進(jìn)行。

1 工程概況

某商務(wù)樓地下3層，地上10層，總建筑面積34 000 m2，建筑尺寸41.8 m×104.3 m，總高度49 m。采用鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系，框架柱均采用鋼管柱，框架梁為H型鋼梁。在樓梯和電梯圍墻位置設(shè)置支撐，加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。樓面次梁也均為鋼梁，樓板采用壓型鋼板。箱形梁柱撐材質(zhì)為Q420GJC，H型鋼梁為Q345B。其中懸挑結(jié)構(gòu)位于1－6層（標(biāo)高5.50～27.15 m），軸線B－H/－，挑出長(zhǎng)度24.3 m，質(zhì)量約為1 100 t（圖1）。

2 臨時(shí)支撐

臨時(shí)支撐在軸線 / 和C/G 的交點(diǎn)處設(shè)置，共設(shè)置4個(gè)（圖2）。

1#、2#支撐從筏板基礎(chǔ)到懸挑結(jié)構(gòu)底部通長(zhǎng)設(shè)置，汽車坡道樓板碰撞處預(yù)留相應(yīng)的洞口（圖3）。1#支撐為獨(dú)立格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，2#支撐為聯(lián)合格構(gòu)式結(jié)構(gòu)（因避開地下室剪力墻）。

圖1 整體結(jié)構(gòu)軸測(cè)示意

圖2 臨時(shí)支撐平面布置

圖3 1#、2#支撐立面示意

3#、4#支撐設(shè)置在地下室頂板框架梁上，在地下室各層對(duì)應(yīng)位置設(shè)置相同規(guī)格的支撐，支撐端面與框架梁貼緊，使得懸挑結(jié)構(gòu)荷載直接傳遞到筏板基礎(chǔ)上（圖4）。支撐為實(shí)腹式圓管結(jié)構(gòu)。

支撐端面與框架梁之間的縫隙，采用環(huán)氧樹脂灌注粘鋼膠（WJ-503）填補(bǔ)，以保證荷載可以通過框架梁均勻地傳遞下去，保證框架梁不發(fā)生局部受壓破壞。

3 卸載工藝

圖4 3#、4#支撐立面示意

卸載采用液壓頂升系統(tǒng)。液壓頂升系統(tǒng)由液壓千斤頂、液壓泵源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成。液壓千斤頂采用液壓缸作為剛性頂舉件。本工程共4個(gè)支撐點(diǎn)，每個(gè)支撐點(diǎn)配置1臺(tái)350 t的液壓千斤頂作為頂升設(shè)備。液壓泵源系統(tǒng)為液壓千斤頂提供液壓動(dòng)力，并執(zhí)行計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令。本工程采用了模塊化結(jié)構(gòu)，共配置2臺(tái)液壓泵源系統(tǒng)，分別控制 軸線和 軸線的液壓千斤頂。數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)提供施工過程中數(shù)據(jù)的測(cè)量及收集，本工程每個(gè)液壓千斤頂配置1套壓力傳感器和1套行程傳感器。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)反饋和控制指令傳遞，可以實(shí)現(xiàn)多種功能（如同步動(dòng)作、負(fù)載均衡、姿態(tài)矯正、應(yīng)力控制、操作閉鎖、過程顯示和故障報(bào)警等）。本工程共配置1套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。工程師可以通過操作計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)界面，對(duì)整個(gè)施工過程進(jìn)行控制。

卸載前準(zhǔn)備：主樓結(jié)構(gòu)（①— 軸，至4層）安裝焊接完成；懸挑結(jié)構(gòu)安裝焊接完成；焊縫檢測(cè)合格，螺栓終擰完成；對(duì)卸載過程進(jìn)行有限元仿真分析，以選取卸載點(diǎn)最大反力和位移（理論值）。

卸載步驟：卸載設(shè)備安裝，千斤頂就位；在主體結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐未脫離的情況下，依次加載至理論值的10%、20%、40%、60%、80%，每次加載完成后，靜止觀察不小于15 min；支撐頂部小立柱采用火焰切割割除，荷載傳力路徑由小立柱轉(zhuǎn)移至千斤頂，靜止觀察不小于1 h；分階段分級(jí)同步卸載，先卸載一半位移量（理論值），觀察3 h后再將剩余的位移量卸載完成；卸載完成，千斤頂與主體結(jié)構(gòu)脫離，拆除臨時(shí)支撐。

4 安裝卸載方案

根據(jù)以往類似項(xiàng)目的施工經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)形式、場(chǎng)地條件、工期要求，制訂以下施工方案：

方案1：先將結(jié)構(gòu)全部安裝完成，然后卸載臨時(shí)支撐（圖5）。

方案2：先安裝結(jié)構(gòu)A，然后卸載臨時(shí)支撐，最后安裝剩余結(jié)構(gòu)（圖6）。

其中，結(jié)構(gòu)A由軸線C—G/ — （1—3層）上的桿件組成。

圖5 方案1安裝步驟

圖6 方案2安裝步驟

軸線C /G/ （1—3層）上的梁柱垂直撐，可以看作是3個(gè)平面桁架。該平面桁架的高度為9.2 m，弦桿為箱形變截面1 400 mm×1 000 mm×100 mm×100 mm～1 200 mm×1 000 mm×60 mm×60 mm，腹桿為箱形截面1 200 mm×600 mm×80 mm×80 mm、900 mm×600 mm×50 mm×50 mm、600 mm× 600 mm× 40 mm×40 mm，具有較大的剛度，再加上它們之間的連系桿件，可以形成一個(gè)穩(wěn)定體系。

方案1是常規(guī)做法，方案2是優(yōu)化調(diào)整做法。本文從安全、經(jīng)濟(jì)、效率等多方面，對(duì)2個(gè)方案進(jìn)行比較分析，以選出更優(yōu)的方案。

5 施工驗(yàn)算

5.1 強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算

采用Midas Gen對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工階段分析。臨時(shí)支撐卸載后，方案1的懸挑結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力比為0.16，方案2為0.14，數(shù)值均較小，有較大的強(qiáng)度儲(chǔ)備，偏安全。

5.2 剛度驗(yàn)算

臨時(shí)支撐卸載后，方案1 的懸挑結(jié)構(gòu)桿件位移為19.65 mm，方案2為15.38 mm，數(shù)值均較小（限值121.5 mm），滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

5.3 胎架的上部荷載和卸載量

相比方案1，方案2臨時(shí)支撐的上部荷載和卸載量減少了1/4，如表1所示。

表1 臨時(shí)支撐上部荷載及卸載量對(duì)比

5.4 分析結(jié)果

由以上分析可知，相比方案1，方案2桿件的應(yīng)力比和位移略微增大，臨時(shí)支撐的上部荷載和卸載量顯著降低。因此，方案2有更好的經(jīng)濟(jì)效果：上部荷載和卸載量較小，可以選用小規(guī)格的臨時(shí)支撐和液壓千斤頂；臨時(shí)支撐提前卸載，可以提高其周轉(zhuǎn)率；工作面提前移交給下一道工序，可以縮短整個(gè)項(xiàng)目的施工工期。

6 結(jié)語

本文根據(jù)懸挑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和現(xiàn)場(chǎng)條件，確定了臨時(shí)支撐的布置方式和結(jié)構(gòu)形式，并選定了卸載方式（液壓頂升系統(tǒng)分階段分級(jí)同步卸載）。

本文建立了有限元分析模型，對(duì)2種安裝卸載方案進(jìn)行了施工階段分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果（臨時(shí)支撐的上部荷載和卸載量），得出了優(yōu)選方案。同時(shí)，對(duì)施工過程中結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)算（滿足要求）。

采用優(yōu)選方案，完成了懸挑結(jié)構(gòu)的安裝卸載工作，在確保施工安全和質(zhì)量合格的情況下，降低了施工成本，加快了施工進(jìn)度，滿足了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)，為今后類似工程的施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。