劉 意， 石深文， 張 林， 鄭秀玉

(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100040)

0 引 言

隨著大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)在大型體育館、展覽館和一些工業(yè)廠房等公共建筑中的廣泛應(yīng)用，大跨度鋼結(jié)構(gòu)的安裝和卸載作為結(jié)構(gòu)成形的重要部分，通過搭設(shè)臨時(shí)支撐，采用分段吊裝、高空拼裝的方法已被普遍適用。但是可以發(fā)現(xiàn)的是，現(xiàn)階段大跨空間結(jié)構(gòu)面臨著施工方法的多元化和復(fù)雜化，造成施工階段時(shí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)使用的主體結(jié)構(gòu)受力隨著施工過程不斷變化。施工階段最為關(guān)鍵也是最后實(shí)施的步驟即為臨時(shí)支撐的卸載。臨時(shí)支撐的卸除過程會導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力不斷重分布，可能給結(jié)構(gòu)在施工中的安全帶來危險(xiǎn)性，所以有必要針對大跨度空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行全過程的卸載過程的模擬，以了解不同施工方法各個(gè)卸載工況下卸載過程的應(yīng)力變化規(guī)律。

1 工程概況

依托工程為目前在施的九江鄱陽湖生態(tài)科技城科創(chuàng)中心工程。本工程1#樓與2#樓及1#樓與3#樓直接為大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊，共計(jì)6層，采用空中散拼法組裝。西連廊為框架結(jié)構(gòu)，由圓管柱、箱型柱、箱型梁、H型鋼梁及斜撐組成。西連廊支撐采用格構(gòu)式支撐形式，格構(gòu)式支撐截面尺寸為1.2 m×1.2 m，主桿件為:L140×12，腹桿為L80×8，材質(zhì)均為Q235B。鋼結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 西連廊鋼結(jié)構(gòu)模型

2 西連廊鋼結(jié)構(gòu)卸載模擬計(jì)算

2.1 計(jì)算依據(jù)

(1)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50017-2003；

(2)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 7-2010；

(3)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》GB 50755-2012；

(4)設(shè)計(jì)相關(guān)圖紙及模型。

2.2 卸載過程模擬分析概況

根據(jù)總體施工方案，西連廊鋼結(jié)構(gòu)采用分段、分塊方式卸載。通過有限元軟件建模，安照施工過程劃分分析工況，計(jì)算結(jié)構(gòu)的最大豎向變形和最大應(yīng)力。

荷載施加情況：施工過程中荷載為結(jié)構(gòu)桿件的自重，由于設(shè)計(jì)模型未將構(gòu)件節(jié)點(diǎn)等重量折算到材料的容重，因此自重系數(shù)取為1.2。

在結(jié)構(gòu)施工分析中，運(yùn)用有限元法計(jì)算程序中將“死”單元(不參與整體結(jié)構(gòu)分析的構(gòu)件)逐次激活的技術(shù)，對結(jié)構(gòu)在整個(gè)施工過程進(jìn)行分析，模擬結(jié)構(gòu)在整個(gè)施工過程中剛度和強(qiáng)度等的變化情況。安裝后的狀態(tài)模型整體和胎架分別如圖2、圖3所示，卸載工況分為XZ1-XZ5，共計(jì)5個(gè)。由于篇幅限制，這里只列出了部分卸載工況示意圖，后面計(jì)算的結(jié)果也是只列出了部分，并于前面對應(yīng)。前兩個(gè)卸載工況對應(yīng)的胎架示意圖如圖4、圖5所示，其中工況XZ5臨時(shí)支撐已完全拆除。卸載工況計(jì)算按照施工流程模擬。

圖2 安裝后狀態(tài)(整體)

圖3 安裝后狀態(tài)(胎架)

圖4 工況XZ1

圖5 工況XZ2

2.3 卸載全過程分析結(jié)果

根據(jù)施工過程計(jì)算出各卸載工況下結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力，得到西連廊結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力情況。部分卸載工況計(jì)算結(jié)果如圖6～圖13所示。

圖6 工況XZ1結(jié)構(gòu)最大豎向變形(單位：mm)

(1)工況XZ1計(jì)算結(jié)果：

圖7 工況XZ1結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力(單位：MPa)

(2)工況XZ2計(jì)算結(jié)果：

圖8 工況XZ2結(jié)構(gòu)最大豎向變形(單位：mm)

圖9 工況XZ2結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力(單位：MPa)

(3)工況XZ3計(jì)算結(jié)果：

圖10 工況XZ3結(jié)構(gòu)最大豎向變形(單位：mm)

圖11 工況XZ3結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力(單位：MPa)

(4)卸載后穩(wěn)定狀態(tài)計(jì)算結(jié)果：

圖12 結(jié)構(gòu)最大豎向變形(單位：mm)

圖13 結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力(單位：MPa)

由圖6～圖13可以看出，隨著臨時(shí)支撐的逐漸拆除，結(jié)構(gòu)的最大豎向變形先是逐漸增大，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后有所減小，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力隨著拆除的過程有升有降。這是因?yàn)樾遁d過程中出現(xiàn)了內(nèi)力的重分布，當(dāng)拆除某些受力較大的臨時(shí)支撐時(shí)，會對周圍支撐受力影響較大，引起應(yīng)力波動(dòng)。卸載過程是主體結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐體系相互作用的復(fù)雜過程，是兩個(gè)系統(tǒng)之間內(nèi)力逐漸轉(zhuǎn)移和重分布的過程，臨時(shí)支撐由承載狀態(tài)變?yōu)闊o荷載狀態(tài)，同時(shí)主體結(jié)構(gòu)由安裝狀態(tài)過渡到設(shè)計(jì)受力狀態(tài)。結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)均處于支撐能夠承受允許范圍內(nèi)，表明實(shí)際卸載施工過程中結(jié)構(gòu)均處于安全狀態(tài)。

3 結(jié)束語

本文依托目前在施的九江鄱陽湖生態(tài)科技城科創(chuàng)中心工程大跨度鋼結(jié)構(gòu)西連廊，采用有限元軟件MIDAS Gen 2014對西連廊鋼結(jié)構(gòu)的各個(gè)卸載工況進(jìn)行模擬分析，結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)在各個(gè)卸載工況中均處于安全狀態(tài)，驗(yàn)證了卸載施工中的安全性和可靠性。一般來說，施工技術(shù)人員不僅要對結(jié)構(gòu)在施工過程中可能遇到的問題有所預(yù)見，還應(yīng)明確施工過程中結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)變化情況，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，對大型空間鋼結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以達(dá)到預(yù)期的效果。