復雜環形內懸空空間網格結構施工卸載優化

王小慶，邢耀安，李孝澤，蔡向東，程選生

（1.中鐵二十一局集團第二工程有限公司，蘭州 730030；2.蘭州理工大學土木工程學院，蘭州 730050）

0 引言

隨著社會經濟的不斷發展和人類需求的提高，在一些大型復雜的建筑中，人類采用復雜環形內懸空分段錯位的結構形式。由于環形內懸空分段錯位鋼結構的成型和受力情況與普通鋼結構的巨大差異，不能盲目采用現有的拆卸技術。文中通過有限元軟件對復雜環形內懸空空間網格結構進行了施工仿真分析,擬定了4 種卸載方法，綜合對比分析了4 種施工卸載方法的優劣，選取最優的施工方法,保證了施工過程的安全性。

在拆撐過程中要盡量保證主體結構與支撐體系內力緩慢均勻變化，最終使參與受力的桿件在彈性范圍內進行調整而逐漸趨近設計狀態，不允許結構構件出現永久變形[1]。拆撐過程對于主體結構來講是加載過程，而對于臨時支撐來講是卸載過程[2]。喻永聲[3]結合實際工程的施工，采用多重子結構矩陣位移法分析了不同施工因素對結構的影響，研究結果表明施工過程對結構內力的影響不容忽視。史洪泉[4]按照結構和支撐胎架卸載過程中受力最優、卸載最快的原則設計出對卸載路徑進行目標優化的分析法。伍小平等[5]結合國家大劇院工程實例通過多次計算比較分析,最終確立了一條安全、有效的卸載技術路線。崔曉強等[6]針對大型空間鋼結構中采用復雜臨時支撐時如何在計算分析中對其簡化處理進行了研究，詳細分析了不同的臨時支撐體系的作用機理及其等效方法。2006 年，崔曉強等[7]利用ANSYS 軟件中的生死單元技術進行模擬來實現大跨度鋼結構施工全過程的跟蹤分析。劉學軍等[8]依托實際工程按照施工方法，確定拆除臨時支承的卸載方案一通過控制臨時支承的千斤頂行程來實現臨時支撐的逐步卸載。鄒昕[9]采用有限元分析理論,對大跨度空間結構的卸載施工過程進行計算機模擬計算分析,并把卸載時主體構件或臨時支撐結構的內力變化分為突變型和直線型兩種變化形式。王秀麗等[10]結合實際工程應用ANSYS 有限元軟件分析其卸載過程，并與實測數據對比分析，得出其關鍵桿件的內力相對其卸載前的應力變化不大，且所有桿件的應力隨卸載過程的進行變化都比較平緩。金礪[11]結合實際工程，詳細分析了結構卸載階段、溫度作用對結構內力變化的影響，得出卸載的應力變化占整個施工階段應力變化的比例最大。王永平[12]對針對臨時支撐卸載過程結構的受力特點，結合卸載過程模擬計算方法，提出了綜合預警評估方法。

對于大型空間鋼結構的整個建造過程的研究屬施工力學的內容，國內對此的研究也較多，但多是結合具體工程實例采用有限元技術模擬施工全過程所得出的理論與施工技術。文中借助有限元軟件進行三維數值仿真，對4 種方法進行了施工卸載模擬，得到了4 種方法下結構的變形變化數據圖、結構受力變化數據圖和臨時支撐受力變化數據圖，綜合對比分析了4 種施工卸載方法的優劣，選取最優的施工方法。其相應的分析過程和分析結果都能為類似結構的安全卸載施工提供相關指導和借鑒。

1 復雜環形懸空空間網格結構卸載方案

圖1 卸載圖

1.1 計算模型

文中利用有限元軟件MIDAS GEN 對A2 區域懸空鋼結構進行施工過程模擬。通過計算得到臨時受壓節點彈性支承剛度近似為39063kN/m。

研究基于線彈性分析，鋼材未進入塑性屈服階段，鋼材的典型應力應變曲線如圖2 所示。

圖2 鋼材本構關系

邊界條件：屋面橫梁與桁架柱節點為鉸接，大跨底層橫梁與桁架柱節點為鉸接。豎向支承體系與基礎面連接節點為剛接，采用一般支承。

荷載定義：在模擬卸載的過程中，只考慮結構自重對卸載過程的影響，考慮1.3 倍的結構自重。

有限元模型中，所有桿件均采用梁單元模擬。整體模型中梁單元共9897個，總共有3622個節點。整體模型如圖3 所示。

圖3 整體模型圖

1.2 卸載方案的提出

文中利用MIDAS GEN 擬定對A2 區進行一次性卸載，其初始的豎向位移云圖和A2 區一次性卸載結構豎向位移云圖如圖4、圖5 所示。

由圖4 和圖5 可知，A2 區域卸載過程中的內力重分布對整體結構的影響。通過對A2 區域15個軸的外環外側節點的初始位移和最終位移的數據進行差值分析，得到了該15個節點卸載過程中的真實位移，如圖6 所示。

2)把時間序列類Xp1和Xq1包含的所有時間序列合為一個時間序列類，其他時間序列類不變，計算距離矩陣，記為D2，令Dp2,q2=min(D2)；

圖4 整體結構的豎向位移云圖

圖5 A2 區一次性卸載結構豎向位移云圖

圖6 外環外側節點真實位移

由圖6 可知，A2 區卸載過程中最大的位移不超過12mm。文中采用整體分組分部的卸載原則，按照軸線劃分為小組，結合臨時支撐布置情況，擬提出以下4種卸載方案：方案1：逆時針卸載；方案2：順時針卸載；方案3：內至外卸載；方案4：外至內卸載，每次卸載均同步拆除所在軸線的臨時支撐。

2 卸載方案的優選

按照以上的4 種卸載順序，采用MIDAS GEN 對4 種卸載方案進行模擬分析。結構變形的考慮主要針對外環部分。外環31個節點中選取9a軸、10c軸和10g軸3個點進行分析。在各個卸載方案下，觀察A2 區域所有桿件在卸載過程中應力的變化動態以及卸載過程A2 區域的主體支撐的總反力值變化動態。分析卸載過程中的臨時支撐的最大支撐反力和整體臨時支撐的總反力值，判定卸載過程中的臨時支撐受力穩定。

2.1 結構變形情況對比

由圖7 可知，節點933 在4 種不同的卸載方案下，逆時針卸載和外至內卸載的變化集中在了后十個工程步，出現工程步越往后推，位移增量越大的現象。順時針卸載和內至外卸載的曲線整體表現得更為平穩，尤其是內至外卸載，所有工程步幾乎都參與到了卸載過程中，而順時針卸載的效應則集中在了中間的工程步，部分首尾工程步不參與到卸載過程中。

圖7 Z 向累計位移圖

節點1320 在4 種不同卸載方案下，外至內卸載的變化集中在后十個工程步，出現工程步越往后推，位移增量越大的現象。順時針卸載和逆時針卸載的效應則集中在了中間的工程步。而內至外卸載方案的所有工程步幾乎都參與到了卸載過程中。

節點1406 在4 種不同的卸載方案下，外至內卸載的變化集中在后十個工程步，出現工程步越往后推，位移增量越大的現象。順時針卸載和逆時針卸載的效應集中在了中間的工程步。而外至內卸載過程中前四步工程步幾乎不參與工作，相比而言，內至外卸載方案的工程步之間的增量相對穩定。

綜合考慮節點Z 向的累計位移圖，結合3個節點各自代表區域的位移動態，在內至外卸載方案下，A2區域的卸載表現出更為平穩的Z 向變形協調。

2.2 結構受力情況對比

文中分析A2 區域最大應力變化動態和A2 區域結構的桿件在卸載過程中的內力重分布情況。不同卸載方案下，A2 區域的最大正應力和最大負應力均出現在結構的左右兩側的固端的豎桿或斜桿，其對應工程步的應力曲線如圖8 所示。

圖8 應力累計圖

順時針卸載和內至外卸載方案下，A2 區域的最大正應力變化曲線較逆時針卸載和內至外卸載方案更平穩。逆時針卸載的五個初始工程步對結構的正應力幾乎無影響，后九個過程步的應力變化相對平穩。外至內卸載前期的工作步十分穩定，但后期的工作步表現出了正應力劇增的現象。進一步對比分析順時針卸載和內至外卸載，兩者之間的差距較小，順時針卸載下，結構的正應力的增量在前期工程步大，后期工程步小。內至外卸載下整體的內力重分布出現在中期，相對平穩。

對于結構負應力的變化，內至外卸載過程內力重分布均衡。逆時針卸載和外至內卸載的曲線表現總體一致，結構受力變化不平穩。逆時針卸載的曲線內力重分布的效應集中發生在中間工程步。從結構的負應力變化曲線看，內至外卸載最優。

綜合結構的正應力和負應力變化曲線，內至外卸載最優，結構的桿件受力變換均衡。為了進一步分析不同方案下的內力重分布情況，收集了A2 區主要部分的固端總反力值，如圖9 所示。

圖9 固端總反力圖

由圖9 可知，外至內卸載的效果最差，主體支承體系的受力轉變不均勻。逆時針卸載方案下，其特征與外至內卸載類似。順時針卸載和逆時針卸載的曲線幾乎一致，曲線整體貼近直線，表明卸載過程中，固端總反力值的增量趨于穩定，主體支承體系的受力轉變均勻。綜合考慮結構在卸載過程中，所有桿件最大應力值的變化和固端總反力的變化，內至外卸載方案下，主體結構表現出更為穩定的內力重分布。

2.3 臨時支撐受力情況對比

臨時支撐受力變化的穩定是結構成型的重要保證。文中跟蹤收集了不同卸載方案下，每一個工程步下臨時支撐的最大反力值，如圖10 所示。

由圖10 可知，在順時針卸載方案下，臨時支撐在卸載過程中的最大反力值達到442.71kN，最小值是74.08kN，說明卸載過程中，臨時支撐受力不均衡，臨時支撐利用率低。在逆時針卸載方案下，臨時支撐在卸載過程中的最大反力值達到400.83kN，最小值是175.95kN，說明卸載過程中，臨時支撐受力相對均衡，臨時支撐利用率高。在內至外卸載方案下，臨時支撐在卸載過程中的最大反力值達到398.16kN，最小值是175.95kN，說明卸載過程中，臨時支撐受力相對均衡，臨時支撐利用率高。

在外至內卸載方案下，臨時支撐在卸載過程中的最大反力值達到583.38kN，最小值是276.66kN，說明卸載過程中，臨時支撐受力相對均衡，臨時支撐利用率高，但最大反力值過大，可能會影響臨時支撐的安全性。綜合對比臨時支撐在卸載過程中的最大反力值以及臨時支撐承載情況的利用率，逆時針卸載和內至外卸載更有利于臨時支撐的穩定，最大臨時支撐反力值較小，不容易出現破壞情況，同時臨時支撐的整體利用率高，使得每個工程步都會參與到卸載過程中，避免出現無效工程步或者是效應劇增的工程步。

臨時支撐在卸載過程中的總反力值變化，能宏觀的描述結構臨時支撐的受力轉變情況，其臨時支撐總反力值圖，如圖10 所示。

圖10 臨時支撐反力圖

由圖11 可知，外至內卸載和逆時針卸載的臨時支撐總反力曲線幾乎一致，隨著工程步的推進，臨時支撐的總反力增量越來越大。順時針卸載和內至外卸載的曲線表明卸載過程中的臨時支撐總反力變化相對穩定。內至外卸載方案后期工程步對卸載的參與度相對較高，而順時針卸載方案的最后工程步的參與度偏低。內至外卸載方案臨時支撐的受力變化轉變情況最為平穩，該方案最優。結合卸載過程中臨時支撐的最大反力變化和臨時支撐總反力的變化，內至外卸載方案最優，最利于結構臨時支撐在卸載過程的穩定。通過對結構在卸載過程中的位移變形變化，桿件的最大應力值變化，主體支承體系的受力轉變以及臨時支撐的最大反力和臨時支撐總反力的變化，最終認為內至外卸載的施工方案更有利于結構和臨時支撐的穩定。

圖11 臨時支撐總反力圖

綜合考慮內至外卸載方案的數據，對于主體結構位移大，承重大的臨時支撐為卸載的優先級。對于該類型結構，由于優先卸載了承重大的臨時支撐，缺失臨時支撐的承重分到了剩余臨時支撐和主體的支撐體系中，隨著卸載步的推進，那些承載小的臨時支撐的承載值會逐漸變大，這能充分利用這些臨時支撐的承載，對于臨時支撐的穩定是有利的。其次優先拆除卸載承重大的臨時支撐，其內力重分布是最劇烈的，但是由于剩余臨時支撐最初的承載相對小，分擔到它們上面的承載不會讓它們破壞。對于結構主體而言，由于臨時支撐的利用率的提高，使得每一工程步能得到充分利用，不會有無效工程步的出現。綜上所述，對于類似結構的卸載施工的考慮，可以優先卸載大承重臨時支撐為原則進行卸載施工。

3 結語

（1）在不同的卸載方案下，順時針卸載、逆時針卸載和外至內卸載在其工程步的前后期卸載數據幾乎不變。而其他有效工程步的卸載數據會有很大的突變，這對于整體結構是不利的，結構桿件容易受損。

（2）在卸載過程中，內至外卸載方案的臨時支撐表現最優，該方案得益于優先卸載高承重的支撐臨時支撐，在一定程度提高剩余臨時支撐的利用率，同時能顯著避免卸載過程中部分臨時支撐出現承重過大的承載情況。

（3）對于結構主體而言，內至外卸載方案使得其內力重分布最為平穩。該方案優先卸載高承重臨時支撐，充分利用了臨時支撐承載力，使得每一施工步幾乎都有效地參與到了卸載過程中。

（4）對于類似結構的卸載，可以優先卸載高承重臨時支撐為依據進行卸載，該優先級下的卸載方案，能提高臨時支撐的利用率，同時能避免部分臨時支撐出現承載過大的現象。