大型懸臂抬升裙樓施工卸載安全性分析

方勝利， 于重陽， 李國棟

(武漢理工大學 a.土木工程與建筑學院； b.理學院， 湖北 武漢 430070)

大跨度空間鋼結構施工過程中大多需要設置臨時支撐，以確保施工過程的安全性和順利進行，比如重慶大劇院[1]，國家體育場[2]，武漢火車站[3]，上海新國際博覽中心[4]等工程的施工卸載。臨時支撐的設置使永久結構和臨時支撐結構組成一個共同作用的新的結構體系，待結構安裝完成后需拆除臨時支撐。拆除臨時支撐的過程，是結構受力逐漸轉移及內力重分布的過程，臨時支撐由承載狀態變為無荷載狀態，同時主體結構則由安裝狀態過渡到設計受力狀態，在此過程中，結構的內力和變形將發生較大變化，因此卸載是大型鋼結構體系施工過程中的一個重要環節[5～8]，有必要對卸載過程進行準確合理的數值模擬，同時在卸載過程中對結構進行跟蹤監測以確保卸載過程的安全性。近年來，郭彥林[9～12]在大跨度空間結構上做了大量研究，主要通過有限元軟件對施工過程進行模擬，從應力位移響應從理論上指導施工過程的安全性。因此，本文通過ANSYS有限元軟件并利用單元生死技術模擬整個結構的卸載過程，主要從支撐胎架應力和裙樓位移兩方面探討整體結構在卸載過程中的安全性，并將計算結果與實測監控結果對比，為施工過程提供指導。

1 工程概況

1.1 抬升裙樓概況

深圳證券交易所營運中心工程位于深圳市福田中心區，建筑面積26.7萬m2，共46層，主體總高度245.8 m，鋼結構總重4.2萬t。大廈底座被抬升至36 m高，形成一個巨大的“漂浮平臺”，此即為抬升裙樓。它由桁架筒結構和巨型懸挑桁架結構組成(如圖1所示)。抬升裙樓長162 m，寬98 m，高24 m，結構最大特點是超長平臂懸挑、超大構件及超重節點，南北面從塔樓向外懸挑22 m，東西面從桁架筒向外懸挑36 m，構件最大截面尺寸為4.2 m×2 m，單個節點最大重量172 t，抬升裙樓鋼結構總重量達2.8萬t。

圖1 深圳證券交易所營運中心結構組成

1.2 卸載方案

抬升裙樓采用胎架支撐，高空原位拼裝的施工方法。在裙樓東西兩側的桁架筒內安裝兩臺M1280D塔吊，附著于主樓六層，對應裙樓下弦的46個起拱點，設置46組臨時支撐胎架，如圖2所示，胎架基礎設置在加固后的一層樓板上，胎架之間設聯系桁架和剪刀撐，保證胎架整體的穩定。

圖2 胎架布置

卸載時，按照由外向內的順序，分階段，分批，分級的方式進行。整個卸載共分12步，由外圈向內圈逐圈卸載。當外圈，中圈，內圈各卸載一步，此即為一個階段，整個卸載共分4個階段完成，以達到準靜態卸載的目的。外圈即為圖2中最外面的黑色圈所圍成的區域，包含30組臨時支撐胎架；中圈即為圖2中TJM下方黑色圈所圍成的區域，包含8組臨時支撐胎架；內圈即為圖2中TJI下方黑色圈所圍成的區域，包含8組臨時支撐胎架。深圳證券交易所營運中心抬升裙樓的卸載工具為沙箱結構，沙箱是利用封閉容器內的干燥細沙, 在容器側下部打開開口時細沙易流出, 從而減少容器內的細沙體積實現分級卸載的目的。

2 卸載過程模擬分析

2.1 計算模型的建立

2.1.1單元選取

本文采用ANSYS建立了結構的整體模型，模型采用三維直角坐標系。梁柱及其胎架結構的模擬選擇BEAM188單元。BEAM188 單元適合于分析從細長到中等粗短的梁結構，該單元基于鐵木辛哥梁結構理論，并考慮了剪切變形的影響。模型中所有的線彈性混凝土樓板以及直筒墻結構均選擇SHELL63單元。SHELL63具備彎曲和膜的特性，能承受平面內和法線方向的荷載。計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型

2.1.2荷載

整個施工模擬計算過程只考慮結構本身的自重作用，重力加速度取g=9.80 kg/m2。

2.1.3材料參數

鋼材彈性模量E=200 GPa，泊松比v=0.3，密度ρ=7.85×103kg/m3；線彈性混凝土采用C30混凝土材料，E=30 GPa，泊松比v=0.2，密度ρ=2.5×103kg/m3。

2.2 分析步驟

本文通過ANSYS的單元生死功能實現對整體結構安裝全過程的施工力學分析。計算過程中打開幾何大變形控制，采用Newton-Raphson非線性迭代求解。

實際的卸載方案是胎架由外圈向內圈逐級、分布卸載。在有限元模擬的過程中，將環境溫度設置為300 K，在裙樓的下弦節點與胎架之間建一根豎直短柱(BEAM188單元)，通過給短柱降溫的方法實現分級卸載。具體模擬分析的步驟如表1所示。

表1 卸載工況

2.3 計算結果

2.3.1胎架支撐反力

卸載過程是整個施工工程中的重要步驟，而胎架作為主要的支撐結構，其穩定性直接關系到卸載過程乃至整體結構的安全。因此研究卸載過程中胎架底部的支撐反力具有重要意義。本文選取8、9、13、H號點下面的胎架為研究對象，如圖4所示。每幅胎架由四根角柱主要支撐，如圖5所示，因此每幅胎架有4個測點。模擬施工過程的計算結果列表如下表2所示。該應力值為當前施工步驟下的應力與胎架在自重作用下應力的差值。從表中可以看出，所有的應力值均為壓應力，卸載前應力值最大，隨著卸載過程的一步步進行，胎架應力值逐漸減小，每幅胎架的4個不同測點的應力值變化不大。整個卸載過程中最大應力值為-85.3 MPa，滿足設計規范的要求。因此，從卸載過程中胎架的應力變化來看，支撐結構安全可靠。

圖4 抬升裙樓下弦平面測點布置

圖5 TJ8測點布置

測點卸架前第1階段第2階段第3階段第4階段TJ8-1-30.0 -12.0 -2.0 -2.0 -1.8 TJ8-2-31.2-13.1-1.5-1.8-1.7TJ8-3-30.5-9.9-1.0-1.0-1.0TJ8-4-31.0-10.2-0.6-0.5-0.6TJ9-1-25.0 -8.2 -7.3 -7.2 -1.2 TJ9-2-22.0-8.0-7.2-7.1-1.2TJ9-3-22.6-8.3-7.6-7.5-1.6TJ9-4-25.8-10.2-7.7-7.5-1.6TJ13-1-85.3 -62.5 -31.5 -31.4 -1.3 TJ13-2-82.0-60.2-31.0-29.9-1.6TJ13-3-83.6-63.2-31.2-30.3-1.5TJ13-4-84.5-63.3-31.5-28.9-1.0TJH-1-25.2-15.2-10.1-9.8-2.6TJH-2-24.3-14.6-10.3-10.1-2.9TJH-3-24.8-15.0-9.8-9.8-1.8TJH-4-26.3 -16.0 -9.9 -9.8 -1.9

2.3.2抬升裙樓角點位移

卸載過程中，整體結構由于支撐結構的移除，其自重荷載將由結構本身承擔，在此過程中整體結構會產生較大的變形。因此，研究卸載過程中整體結構的變形對其安全性至關重要。對于大懸挑結構來說，在卸載過程中，離“懸臂”最遠的點的位移最大，因此選擇抬升裙樓下弦四個角點1、11、16、26(見圖4)的豎向位移為分析對象。模擬計算結果如下表3所示。該位移值為當前施工步驟下的位移與卸載前測點位移的差值。在整個卸載階段，測點的豎向位移逐漸增大。整體結構、荷載卸載步驟都是對稱分布，因此模擬得到的位移點的結果在數值上相差不大。施工卸載完成后，測點的最大位移下降了18.9 mm，滿足規范設計的要求。因此，從卸載過程中懸挑裙樓的位移變化來看，整體結構安全可靠。

表3 測點豎向位移 mm

3 計算結果與監測結果對比分析

為了確保卸載過程的順利進行，在裙樓的卸載過程中，利用全站儀和應變傳感器，對裙樓下弦角點位移和胎架反力進行實時監測，并將實測結果與ANSYS計算結果進行對比分析，對比結果見圖6和圖7，在圖6和圖7中，橫坐標與表1中的工況對應。

3.1 胎架支撐反力的對比分析

圖6給出了TJ8，TJ9，TJ13，TJH測點應力在卸載過程中的計算結果與監測結果。由圖6看出，所有胎架4個不同角柱測點的計算應力結果相差不大。因為在理論計算中，模型、荷載及施工步驟都是對稱的，所以每幅胎架的四個角點在理論上應該均勻受力，模擬的結果很好印證了這一點。但是從監測結果看出，同一幅胎架不同角點的應力在卸載階段有很大差異，主要是由于實際的卸載過程中諸多不可控因素導致的。由圖6(a)TJ8的結果所示，整體的計算結果在卸載前，即0階段，TJ8-2計算應力為-31.2 MPa，監測應力為-62.3 MPa，誤差較大。但是在卸載的四個階段，計算結果與監測結果很接近，可控性較高。隨著卸載過程的進行，胎架應力逐漸減小，在卸載完成后，胎架基本處于無應力狀態。由圖6(b)TJ9的結果所示，4個角點的監測應力在整個卸載過程中基本保持不變，在卸載完成后4個角點的胎架應力計算結果基本趨于零應力，與監測結果有些許差別。由圖6(c)TJ13的結果所示，TJ13的應力計算結果與監測結果在整個卸載過程中保持較好的一致性，可控性很高。由圖6(d)TJH的結果所示，TJH的監測結果在卸載完成后，角點的應力值為8.5 MPa左右，為正值，可能是由卸載過程中溫度變化引起的。從整個監測結果與計算結果的對比看出，計算結果與監測結果在局部存在著較大的誤差，但是整體的應力變化趨勢基本保持一致，在數值上遠小于規范的設計要求，整個卸載過程安全，基本可控。

圖6 胎架應力對比

3.2 裙樓位移對比分析

卸載過程中，對裙樓角點進行監測時，在卸載的第二階段完成時，未能及時進行監測，因此沒有第二階段的位移監測結果。圖7給出了1，11，16，26號測點位移在卸載過程中的計算結果與監測結果。計算值和監測值在整體變化趨勢上保持一致，在卸載完成后4個角點的監測值有些許差距，對比結果如表4所示。26號測點計算值與監測值差距較大，1、11、16號測點的位移計算值與監測值很接近，整體上裙樓的線型控制較好，整個卸載過程安全，可控。

圖7 裙樓角點豎向位移對比

數值1號11號16號26號實測值18.821.215.68.6計算值18.719.918.318.5

通過以上胎架的內力和裙樓位移的計算結果與監測結果的對比可知，在某些局部區域數值上存在著較大的差異。基于實際卸載過程中的諸多因素，可能引起誤差的原因如下：

(1)在監測時無論是儀器本身的精度還是人為因素都會引起誤差，這就直接導致了測量結果和計算結果之間的差異。

(2)因為溫度變化時，結構的線膨脹系數和傳感器的線膨脹系數不一樣，實際測量時溫度變化會影響監測數據，本文在計算應變變化時，利用近似公式對溫度的影響進行了修正，但還是存在一定程度的誤差；而在數值模擬中并未考慮溫度變化對結構的影響，因此會導致實測數據和計算結果存在誤差。

(3)應力監測所用的應變傳感器在監測時受外界因素影響較大，因而與計算結果的吻合度比較低。

(4)數值模擬時，荷載工況是按照實際的施工步驟添加的，但是如此龐大的工程，施工過程必然很復雜，會受到各方面因素的影響，在用有限元模擬施工過程時并不能百分之百和實際的施工過程相一致，因此數值計算存在一定程度的誤差。

4 結 語

對卸載過程進行了實時監測，并將計算結果與實測結果進行了對比分析，應力的結果差異較大，由于在監測中，應力監測結果受各方面因素影響比較大，在某些局部區域與計算結果有較大誤差。但是，在施工過程中，結構的應力變化不大，滿足設計規范的要求；裙樓在卸載過程中的計算值與監測值很接近，整體上裙樓的線型控制較好。從計算結果與監測結果看出，整個卸載過程安全，可控。

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