大跨結(jié)構(gòu)單個(gè)臨時(shí)支撐卸載的施工內(nèi)力分析

饒曉文 郭容寬

(廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，廣西南寧 530007)

近些年來，大跨結(jié)構(gòu)得到了前所未有的飛速發(fā)展。隨著各種新型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)項(xiàng)目的增多，這種結(jié)構(gòu)類型在施工中出現(xiàn)的事故也日益增多，分析已有的工程事故，我們不難發(fā)現(xiàn)，由于設(shè)計(jì)中未考慮施工過程諸多因素影響或?qū)κ┕み^程中復(fù)雜與突發(fā)情況未進(jìn)行應(yīng)有的受力分析而發(fā)生事故的不在少數(shù)，因此人們開始對大跨結(jié)構(gòu)在施工過程中表現(xiàn)出的諸多力學(xué)及關(guān)鍵技術(shù)問題愈來愈重視。大跨度結(jié)構(gòu)體系的施工不可能一次完成，形成最終的結(jié)構(gòu)體系必須經(jīng)歷一個(gè)分階段的施工過程。為了適應(yīng)施工技術(shù)要求，有時(shí)不得不在施工過程中增加一些臨時(shí)措施，如對未成型的結(jié)構(gòu)體系施加臨時(shí)支撐、臨時(shí)約束等，待某些階段的施工完成后再予以解除，即卸載。

1 臨時(shí)支撐卸載的力學(xué)過程分析

拆除臨時(shí)支撐的過程中，結(jié)構(gòu)受力非常復(fù)雜，假設(shè)先不考慮臨時(shí)支撐卸載的次序問題，就卸載本身這一力學(xué)過程而言，也是非常值得分析和研究的。以一個(gè)臨時(shí)支撐的卸載過程來說應(yīng)注意以下幾點(diǎn):1)作用的荷載，臨時(shí)支撐的卸載過程是通過下調(diào)千斤頂來實(shí)現(xiàn)的，而且千斤頂在這一過程中是人為控制的;2)結(jié)構(gòu)在卸載階段的幾何非線性效應(yīng)，大跨空間結(jié)構(gòu)一般高跨比比較小，在外荷載作用下常表現(xiàn)出強(qiáng)烈的幾何非線性效應(yīng);3)臨時(shí)支撐與上部結(jié)構(gòu)的連接問題，兩者在卸載結(jié)束前保持連接狀態(tài)而在卸載結(jié)束后就會(huì)產(chǎn)生脫離，因此它們之間有一個(gè)非常復(fù)雜的相互作用，存在邊界非線性問題;4)臨時(shí)支撐與上部結(jié)構(gòu)脫離之后，結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化，內(nèi)力重分配。

卸載這一力學(xué)過程應(yīng)該屬于非線性時(shí)變力學(xué)的研究范疇，這類問題的特點(diǎn)在于最后的力學(xué)狀態(tài)不但取決于加載過程，同時(shí)還取決于分析對象幾何域或物理參數(shù)的時(shí)變過程[1]。

2 分析對象

分析對象為一個(gè)兩跨的連續(xù)梁，如圖1所示。連續(xù)梁假設(shè)為上部永久結(jié)構(gòu)，跨中豎向支座假設(shè)為臨時(shí)支撐B，連續(xù)梁承受均布荷載q，設(shè)梁的長度L=14m。

3 分析模型

考慮采用目前實(shí)際工程卸載分析中普遍應(yīng)用的兩種模型，對單個(gè)臨時(shí)支撐卸載的施工內(nèi)力進(jìn)行分析。這兩種分析模型本文分別簡稱為反力替代時(shí)變模型、溫度荷載時(shí)變模型。

3.1 反力替代時(shí)變模型

在分析中將所有的臨時(shí)支撐撤掉并用該臨時(shí)支撐點(diǎn)上的反力代替，通過使反力逐漸減小來模擬卸載過程，當(dāng)反力減小為零時(shí)卸載完成，本文簡稱為反力替代時(shí)變模型。

3.2 溫度荷載時(shí)變模型

將臨時(shí)支撐定義為只壓不拉單元(Link10)或者是采用只壓不拉單元(Link10)定義臨時(shí)支撐桿件和上部永久結(jié)構(gòu)的連接，臨時(shí)支撐桿件的卸載可以利用桿件承受溫度荷載產(chǎn)生收縮來進(jìn)行模擬，初始態(tài)上部結(jié)構(gòu)與支撐接觸，Link10單元受壓處于工作狀態(tài)，隨著卸載的進(jìn)程，結(jié)構(gòu)成型，接觸點(diǎn)與支撐脫離，Link10單元有受拉的趨勢，單元退出工作即卸載完成，本文簡稱為溫度荷載時(shí)變模型。

4 施工內(nèi)力的有限元分析

4.1 ANSYS建模

模型A:連續(xù)梁定義為空間梁單元Beam4，跨中臨時(shí)支撐桿件采用該點(diǎn)的豎向約束反力來替代;

模型B:連續(xù)梁定義為空間梁單元Beam4，臨時(shí)支撐桿件定義為桿單元Link10，在模型中Link10是一個(gè)只壓不拉單元。

4.2 加載

首先分別對模型A，B施加均布荷載q，完成之后才開始進(jìn)入卸載階段的求解。對模型A來說，可將該豎向約束去掉并施加一個(gè)隨時(shí)間變化的荷載F(t)，F(xiàn)(t)隨時(shí)間由F逐漸變化為零;對模型B來說，施加一個(gè)隨時(shí)間變化的溫度荷載T(t)，T(t)隨時(shí)間由0逐漸變化為T。

4.2.1 卸載時(shí)間

在以下分析中假定卸載時(shí)間為120s和240s。

4.2.2 加載方式

模型A只選擇線性方式加載，模型B分別選擇線性、二次函數(shù)和階躍函數(shù)三種加載方式。

4.3 卸載階段的施工內(nèi)力分析結(jié)果

4.3.1 假設(shè)卸載時(shí)間為120s

1)不同模型和加載方式下的支座A的反力分析結(jié)果如圖2～圖5所示。

對圖2～圖5進(jìn)行分析，得到以下認(rèn)識:

a.在線性加載方式下，兩種模型支座A的反力變化曲線都呈現(xiàn)出了非線性的特點(diǎn)。b.線性加載方式下，模型A的分析結(jié)果與模型B的分析結(jié)果存在一定的差異。同樣是采用線性加載方式，從模型A的計(jì)算結(jié)果來看，支座A的反力變化曲線呈上凸形，曲率很小，從模型B的計(jì)算結(jié)果來看，支座A的反力變化曲線呈上凹形，曲率相對要大一些，非線性效應(yīng)更明顯。c.對于模型B來說，線性加載方式下，反力的變化相對平穩(wěn)，階躍函數(shù)加載方式下，反力會(huì)出現(xiàn)突變，二次函數(shù)加載方式下，反力的變化曲線呈明顯的上凹形，即開始比較平緩，然后斜率逐漸增大。

2)不同模型和加載方式下臨時(shí)支撐B的反力分析結(jié)果如圖6～圖8所示。

對圖6～圖8進(jìn)行分析，得到以下認(rèn)識:

a.線性加載方式下，模型B臨時(shí)支撐反力的變化并非線性變化，曲線呈下凸形。b.模型A的分析結(jié)果沒有支撐B的反力變化曲線，但是根據(jù)模型A的特點(diǎn)，如果采用線性方式加載，則相當(dāng)于支撐B的反力變化曲線是直線。c.對于模型B來說，線性加載方式下，反力的變化相對平穩(wěn)，階躍函數(shù)加載方式下，反力階梯形下降，二次函數(shù)加載方式下，反力的變化曲線呈明顯的下凸形，即開始比較平緩，然后斜率逐漸增大。

4.3.2 假設(shè)卸載時(shí)間為240s

對圖9，圖10進(jìn)行分析，得到以下認(rèn)識:

240s的分析結(jié)果與120s的分析結(jié)果非常接近，只是在整個(gè)時(shí)間軸上施工內(nèi)力的變化曲線更平緩。

5 分析結(jié)果的討論

1)即使是在線性加載方式下，內(nèi)力的變化曲線依然呈現(xiàn)出非線性的特點(diǎn)，這充分說明了卸載過程是一個(gè)非線性時(shí)變的力學(xué)過程。

2)反力替代時(shí)變模型(模型A)的分析結(jié)果與溫度荷載時(shí)變模型(模型B)的分析結(jié)果存在一定的差距，產(chǎn)生差異的原因主要有以下幾個(gè)方面:首先模型A對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較大的簡化，用反力來替代臨時(shí)支撐;其次，從模型A本身的特點(diǎn)來說，模型A與模型B模擬卸載的過程中施加的荷載類型不同，對模型A來說施加的是力，而模型B施加的是位移，如果選擇線性方式卸載，則模型A在分析中假設(shè)的是臨時(shí)支撐與上部結(jié)構(gòu)的相互作用力在卸載過程中線性減小，而模型B指的是臨時(shí)支撐的下沉量是線性增加的，因此模型A施工內(nèi)力變化曲線的形狀與模型B的不同。

3)由溫度荷載時(shí)變模型(模型B)的分析結(jié)果來看，線性加載方式下，內(nèi)力的變化相對平穩(wěn)，階躍函數(shù)加載方式下，內(nèi)力會(huì)出現(xiàn)突變，二次函數(shù)加載方式下，開始比較平緩，然后斜率逐漸增大，因此卸載過程中千斤頂應(yīng)該盡量保持勻速下調(diào)，確保支撐結(jié)構(gòu)上的荷載平順地卸落到永久結(jié)構(gòu)上。

4)假設(shè)不同的卸載時(shí)間對卸載過程進(jìn)行模擬，可以看到最后的分析結(jié)果都非常接近，不同之處只是在整個(gè)時(shí)間軸上施工內(nèi)力的變化曲線更平緩，這應(yīng)該與非線性時(shí)變問題的性質(zhì)有關(guān)，它與動(dòng)力分析不同，不計(jì)入慣性力的影響，結(jié)構(gòu)的位移不是時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，只是在每一個(gè)時(shí)間增量改變時(shí)運(yùn)算矩陣同時(shí)計(jì)入幾何域和邊界條件的變化，因此在正常的卸載時(shí)間范圍內(nèi)，卸載時(shí)間的長短對于內(nèi)力的最大值、最小值以及整體變化趨勢影響不大。

[1]曹志遠(yuǎn).土木工程分析的施工力學(xué)和時(shí)變力學(xué)基礎(chǔ)[J].土木工程學(xué)報(bào)，2001，34(3):41-46.

[2]伍小平，高振峰，李子旭.國家大劇院鋼殼體安裝中卸載方案分析[J].建筑施工，2005，27(6):6-8.