不同形式臨時支撐結構在施工全過程模擬中的適用性研究

劉軍 田龍強 劉光輝 秦海江

0 引言

伴隨著國家經濟快速發展及“雙碳”政策的實施，鋼結構以輕質高強、抗震性能優良、裝配化程度高、綠色環保、材料可循環性等優勢，成為結構的主要應用形式之一，也因其裝配式和施工速度備受建筑業推崇。目前，鋼結構廣泛應用于商業住宅和大型場館等，大型鋼結構施工通常需要劃分為多個施工子部進行逐步施作，通過施工全過程數值模擬可以明確施工過程中結構的變形和應力變化，為實際施工做出指導，保證施工安全和施工質量。

在施工子部的實施過程中，往往需要臨時支撐結構為結構安全施作做出保障。施工全過程模擬中，伴隨著施工方案中臨時支撐結構的安裝和拆除，為保證模擬的準確性，通常需要將臨時支撐結構建立到模型中同時進行模擬。然而現有關于鋼結構施工全過程的文獻大多集中于研究施工過程中結構或桿件的施工力學行為變化，鮮有文獻對臨時支撐結構如何在施工全過程模擬中設置做出清晰的闡釋。

筆者立足本職工作，對施工全過程模擬中，臨時支撐結構采用何種形式能夠真實反映施工中結構和支撐的力學行為進行了探索，研究了對于同一安裝段，分別在模型中建立實際比例臨時支撐結構、與臨時支撐結構同剛度圓管和設置支座三種形式的臨時支撐，在Midas 施工全過程模擬中研究三種支撐形式在施工過程中對結構變形、應力和臨時支撐受力的影響，明確在施工全過程模擬中，臨時支撐應如何設置能更好地貼合實際施工，為工程服務。

1 模擬方案介紹

為探究不同臨時支撐方案對施工全過程數值模擬中結構和臨時支撐受力及變形的影響，選取同一安裝過程，保持安裝結構不變，僅更改其臨時支撐形式，對三種不同形式的臨時支撐方案進行結構施工全過程模擬，臨時支撐方案類型如表1 所示，具體方案見下文詳述。

表1 臨時支撐方案

1.1 全過程安裝施工流程

選取某會展中心鋼結構一安裝計算單元，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，該結構受力合理，傳力簡潔。在施作完下部混凝土結構后進行鋼結構安裝，安裝段結構及臨時支撐布置如圖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；拆除臨時支撐，具體安裝流程，如圖2 所示。

圖1 結構及臨時支撐結構布置圖

圖2 鋼結構安裝流程示意圖

1.2 臨時支撐方案1 概述

根據施工方案及需求，施工現場采用公司1.5m×1.5m 標準臨時支撐結構，如圖3 所示，使用Midas 建立與施工現場使用臨時支撐結構1∶1 的臨時支撐模型，進行全過程計算。其中，臨時支撐結構截面大小如圖4 所示，有限元計算模型如圖5 所示。

圖3 標準臨時支撐結構

圖4 標準臨時支撐結構模型

圖5 方案1 有限元計算模型

1.3 臨時支撐方案2 概述

臨時支撐結構主要承受豎向荷載，計算時可以假定為軸向受壓構件，根據軸向拉壓桿胡克定律：△=/，在豎向荷載、構件長度和材質相同時，保證桿件截面積相等（壓縮剛度相等）即可實現豎向荷載下桿件具有相同的壓縮量。因臨時支撐結構主要受力桿件為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 的圓管進行代替，有限元計算模型如圖6 所示。

圖6 方案2 有限元計算模型

1.4 臨時支撐方案3 概述

施工過程中通過臨時支撐結構，支撐待安裝結構分段，支撐結構與結構分段大多采用鉸接連接，因此全過程模擬中可采用在結構分段支撐點處設計鉸支座，從而簡化模擬臨時支撐結構，有限元計算模型如圖7 所示。

圖7 方案3 有限元計算模型

2 結果分析

通過計算三種不同形式的臨時支撐在同一鋼結構安裝段全過程模擬中結構及其自身的力學特征，分析了在不同施工階段結構變形、應力和臨時支撐受力，進而研究三種臨時支撐在鋼結構安裝全過程模擬中適用性的優劣，為工程數值模擬做出指導。

2.1 安裝過程結構變形分析

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

圖8 3 種支撐方案安裝過程結構最大豎向位移對比

2.2 安裝過程結構應力分析

提取三種不同形式的臨時支撐方案在同一安裝段全過程模擬中結構的最大應力，分析不同支撐方案對已安裝結構應力的影響，計算結果如圖9 所示。根據計算結果可知，三種支撐結構下，結構最大應力隨安裝過程變化趨勢相同，a 階段安裝結構第一分段，應力水平較低；b～d 階段結構應力水平較a 階段略有提升，主要因隨安裝階段結構桿件增多和重量增大所致；隨著e 階段安裝次桁架及檁條，結構應力增大明顯；待階段f結構安裝成型，因臨時支撐結構的移除導致結構應力達到峰值。從以上分析可得，在三種支撐方案安裝過程中結構應力水平相當，支撐形式對施工全過程模擬中結構應力影響較小，但在施工臨時支撐卸載后，方案2 和方案3 最后階段的結構應力水平較方案1 低，一定程度上影響施工對結構應力的準確判斷。

圖9 3 種支撐方案安裝過程結構最大應力對比

2.3 安裝過程臨時支撐結構受力分析

提取三種不同形式的臨時支撐方案在同一安裝段全過程模擬中臨時支撐結構的反力（方案1 和方案2 均減去支撐結構自重），分析不同支撐方案對臨時支撐受力的影響，計算結果如圖10 所示。根據計算結果可知，三種支撐結構下，4 組臨時支撐受力均隨結構安裝過程增大，最后階段均卸載至0；TJ1 和TJ3 受力趨勢相近，在全過程模擬中方案1 受力均較方案3 增大近100kN，最大受力相差約20kN；TJ2 和TJ4 受力趨勢相近，在全過程模擬中方案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，臨時支撐受力隨結構安裝過程的推進逐步增大，但各步驟中并非所有方案1 臨時支撐受力均大于或小于其他兩種方案臨時支撐受力，若在全過程模擬中采用方案2 和方案3 則不能準確計算各臨時支撐受力狀態，從而影響施工臨時支撐結構的選用及其基礎設計，最終影響施工安全和施工經濟。

圖10 3 種支撐方案安裝過程臨時支撐結構反力對比

3 結論

本文選取一代表性鋼結構安裝全過程計算單元，選擇實際工程中數值模擬經常采用的3 種臨時支撐形式，對同一結構施工全過程中結構位移、應力和臨時支撐結構受力三方面進行計算分析，得到如下結論：

（1）因實際施工臨時支撐結構在其頂部存在轉換結構，故按照與臨時支撐結構等剛度替換的圓管或者直接設置支座的方式，在數值模擬計算結果中并不能真實反映結構安裝變形大小。

（2）結構整體應力水平受臨時支撐形式影響較小，但最終結構應力狀態，采用與臨時支撐結構等剛度替換的圓管或者直接設置支座的方式與真實結構應力狀態存在一定差距。

（3）臨時支撐結構受力在全過程模擬中受不同支撐形式的影響較大，且位置不同導致各種形式的臨時支撐受力差異較大，故施工全過程模擬不應簡化臨時支撐結構在全過程模擬中的設置。