溫度調節法在大跨空間結構施工控制中的應用

伍小平 李鑫奎,2 焦常科

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 同濟大學土木工程學院 上海 200092

臨時支撐卸載是大跨空間結構常見的體系轉換方式之一。支撐卸載通常通過調節千斤頂長度，逐漸降低支撐力，直至千斤頂與結構脫開完成卸載。臨時支撐的卸載導致結構邊界的調整、荷載的轉換以及結構體系的改變。由于涉及結構體系的轉變，卸載成為大跨空間結構施工中安全風險最大的工況之一。開展施工控制無疑是保障臨時支撐卸載過程安全的重要手段，其中涉及的關鍵技術包括準確模擬與高效控制。

準確的卸載計算分析是順利開展卸載控制的前提。卸載分析常用的方法有強制位移法、等效桿端位移法、約束方程法、千斤頂單元法以及千斤頂-間隙單元法。這些計算方法的出發點都是希望更加真實地模擬卸載過程，從而提高計算準確性，但每種計算方法又有其局限性，如強制位移法無法準確模擬非同步卸載過程中先期卸載導致的其他支撐處結構上翹所造成的支撐反力減小，甚至與主體結構脫開的情況。

支撐卸載控制，常采用支撐反力和結構絕對位移作為控制參數。工程中多采用螺旋千斤頂作為卸載裝置，而此種千斤頂不具備測力功能，無法實現反力控制。當臨時支撐與地基存在彈性變形時，采用結構絕對位移控制法引入了臨時支撐與地基變形，會影響控制精度，從而帶來安全和質量隱患。

鑒于臨時支撐卸載存在的技術難題，本文開展基于溫度調節法的卸載仿真計算方法研究，使仿真計算能夠更加真實地反映卸載過程的典型力學特征；開展基于千斤頂行程的卸載控制方法研究，使卸載控制量與仿真計算結果直接對應，實現支撐卸載過程與仿真計算原理的一致。通過溫度調節法計算與千斤頂行程控制的聯合使用，形成系統性大跨空間臨時支撐卸載控制技術，降低卸載安全風險，提高施工安全性與便捷性[1-9]。

1 基于溫度調節法的仿真計算

卸載過程中支撐點反力與卸載量之間具有顯著的非線性特征，不符合胡克定律F＝kΔ（F為反力，k為彈性剛度，Δ為位移）。

因此，很難通過力學方法準確模擬卸載。通過研究發現，采用溫度調節法模擬支撐構件的伸長縮短，與臨時支撐卸載物理過程十分吻合。

所謂溫度調節法，是利用材料的溫度變形效應，通過溫度的改變實現構件長度調節，模擬卸載過程。開展基于溫度調節法的仿真分析，需要構建千斤頂單元，設定該單元剛度為無窮大，單元長度為卸載量的2～3倍，根據計算需要設定材料溫度變形系數，千斤頂單元變形計算公式如式（1）所示。

為模擬卸載完成后臨時支撐與結構脫開的力學特征，在卸載千斤頂單元上方串聯一個只承受壓力不承受拉力的只受壓單元（圖1），實現卸載裝置與結構自由脫開的模擬。

圖1 等效構件與只受壓單元串聯示意

2 基于千斤頂行程的卸載控制方法

獲得準確計算結果是開展卸載控制的基本條件，在此基礎上還需采用高效、可靠的控制方法才能順利完成卸載施工。

針對支撐反力與結構位移2種卸載控制方法存在的不足，本文提出了基于千斤頂行程的控制方法。該方法以千斤頂回縮量為控制參數，不考慮結構的絕對位移，有效避免了臨時支撐與地基彈性變形對結構位移的影響。另外，千斤頂行程參數與基于溫度調節的千斤頂單元變形量直接對應，實現了卸載施工與仿真模擬的完美吻合。

基于千斤頂行程的卸載控制法優點體現在以下幾個方面：在施工工藝方面，該方法以千斤頂回縮行程作為控制參數，卸載過程中通過鋼尺測量千斤頂的回縮量進行控制，無需采用高精度的測量設備；在控制精度方面，該方法消除了因臨時支撐反力變化導致的臨時支撐與地基彈性變形引入的偏差，提高了控制的準確性；在與仿真模擬關聯方面，該方法再現了仿真計算過程，控制參數與仿真結果直接對應。基于千斤頂行程的卸載控制原理如圖2所示。

圖2 千斤頂行程控制示意

3 工程示范與應用

3.1 國家大劇院鋼殼體卸載案例

國家大劇院鋼殼體結構呈半橢球形，其長軸（東西向）長212.20 m，短軸（南北向）長143.64 m，建筑總高度為46.285 m，鋼殼體共設置446個千斤頂，其中S1、S2上各148個，S0上150個，采用分批分級卸載。結構實景如圖3所示。

圖3 鋼殼體實景

3.1.1 卸載模擬計算

采用MIDAS/GEN通用有限元軟件開展卸載仿真模擬分析，鋼殼體采用空間梁單元模擬，臨時支撐架體采用空間梁單元模擬，采用千斤頂單元與只受壓單元模擬卸載裝置。材料屬性及約束條件按圖紙及施工方案確定。結構模型如圖4所示。

圖4 鋼殼體有限元模型

經過計算分析，確定了國家大劇院拆撐過程共分19步，在區域劃分上，首先完全拆除S1，然后在S0和S2之間交替下調千斤頂。詳細卸載工況如表1所示。其中在第11步和第12步之間將S0箱梁中間的支點完全拆除。

表1 鋼殼體卸載順序

3.1.2 卸載控制

國家大劇院臨時支撐點達到446個，采用機械式千斤頂卸載，由于無法實現計算機同步控制卸載，采用了分批分級卸載方法，實施過程中受技術工人數量的限制，每次只能同時開展16～20個臨時支撐點的卸載。卸載過程中采用了以千斤頂行程代替結構標高作為卸載控制參數，卸載時由卸載技術人員用鋼尺直接量取千斤頂回縮行程量進行控制，提升了卸載效率，原計劃1個星期的卸載時間，只用2個半天就完成了全部臨時支撐卸載，且卸載過程中臨時支撐與主體結構與理論計算結果相符，始終處于安全可控狀態。

3.2 世博演藝中心卸載案例

上海世博演藝中心建筑外形呈飛碟狀，結構由6層鋼框架結構、巨型懸臂桁架和組合桁架結構的鋼屋蓋。為滿足世博演藝中心工程建造的需要，在1ü 36軸桁架下弦節點設置臨時支撐系統。

3.2.1 卸載模擬計算

采用MIDAS/GEN通用有限元軟件開展卸載仿真模擬分析，所有框架結構和屋頂桁架結構均采用空間梁單元進行模擬。上部鋼桁架與下部懸臂桁架的連接采用釋放梁端約束的方法。

為模擬卸載過程中臨時支撐與主體結構脫開的工況，在千斤頂單元與主體結構之間設置只受壓單元，設定只受壓單元受壓剛度無限大受拉剛度為0，則當臨時支撐與主體結構脫離時，臨時支撐與主體結構間不受拉力作用。臨時支撐卸載通過溫度調節實現，為千斤頂單元設置相應的溫度系數，根據所要卸載量確定溫度變化值。結構整體模型如圖5所示，卸載單元模型如圖6所示。

圖5 鋼屋蓋整體模型

圖6 千斤頂局部模型

為確保卸載過程中主體結構及臨時結構安全，并考慮到卸載操作方便，鋼屋蓋共分為15個卸載步驟，每個卸載步驟施工內容及卸載量如下：

工況1：拆除外圈1ü 36號臨時支撐；

工況2：拆除內圈73ü 80號臨時支撐；

工況3：所有支撐卸載5 mm；

工況4：所有支撐卸載5 mm；

工況5：所有支撐卸載5 mm；

工況6：所有支撐卸載10 mm；

工況7：所有支撐卸載10 mm；

工況8：所有支撐卸載15 mm，拆除38ü 43、48ü 53、56ü 61、66ü 71號臨時支撐；

工況9：81ü 88號臨時支撐卸載5 mm，44ü 47、52ü 55號臨時支撐卸載2 mm；

工況10：所有支撐卸載15 mm；

工況11：所有支撐卸載20 mm；

工況12：所有支撐卸載20 mm，拆除37、54、55、72號臨時支撐，拆除47、44、85、62、65、88、81、44號臨時支撐；

工況13：剩余所有支撐卸載20 mm；

工況14：剩余所有支撐卸載20 mm，拆除45、46、63、64號臨時支撐；

工況15：剩余所有支撐逐步卸載并拆除。

3.2.2 卸載控制

為了準確掌握鋼屋蓋系統主要構件及支撐的應力應變情況，在中心縱向桁架、扇形區域桁架、中心橫向桁架、外圈受拉環的上弦、下弦、腹桿等部位共設置了14個應變測點。

卸載過程中采用臨時支撐與主體結構相對變形作為控制變量，即以臨時支撐上部支撐構件的切除量作為控制參數。結果表明，卸載過程中臨時支撐與主體結構始終處于安全狀態，構件最大應力為受壓－126.5 MPa，受拉141.4 MPa，采用支撐構件的縮短量作為控制參數具有操作簡單、可靠性好、卸載效率高的優點。

4 結語

1）采用溫度調節法進行臨時支撐卸載模擬，能夠準確模擬卸載過程，真實展現臨時支撐與主體結構由接觸到脫開的典型力學特征。

2）采用溫度調節法進行卸載分析，能夠方便地實現分批多級卸載模擬，有助于提升卸載分級計算效率。

3）采用千斤頂行程法對臨時支撐卸載進行控制，卸載過程與溫度調節法的仿真模擬步驟相同，使卸載過程力學狀態始終在可控范圍內，保證卸載安全。

4）以千斤頂行程為控制參數開展卸載控制，具有操作簡單、卸載效率高的優點，尤其適用于大規模臨時支撐非同步分批多級卸載。