拆模工序對沈陽文化藝術中心音樂廳緩黏結預應力結構內力變形的影響

王 強馬 玥王占飛侯 猛宋雪迪馬 燚

（1.沈陽建筑大學土木工程學院，沈陽110168；2.大連海洋大學應用技術學院，大連116300；3.沈陽五里河建設發展有限公司，沈陽110016；4.沈陽市建設工程質量檢測中心，沈陽110016）

拆模工序對沈陽文化藝術中心音樂廳緩黏結預應力結構內力變形的影響

王 強1，*馬 玥1，2王占飛1侯 猛3宋雪迪1馬 燚4

（1.沈陽建筑大學土木工程學院，沈陽110168；2.大連海洋大學應用技術學院，大連116300；3.沈陽五里河建設發展有限公司，沈陽110016；4.沈陽市建設工程質量檢測中心，沈陽110016）

為了探明模架拆除對復雜大空間大懸挑結構內力及變形的影響，對沈陽文化藝術中心音樂廳結構進行施工階段有限元分析。在分析中，考慮了混凝土、鋼束等材料的時效性能，利用“生死技術”設計了4個拆模階段、6種拆模方案，考察各拆模方案、拆模階段對音樂廳結構變形、關鍵構件的混凝土及鋼束的應力分布。分析結果表明：①雖然各方案模架拆除順序不同，但最終狀態下音樂廳的變形最大位移均出現在屋頂懸挑端部；②當拆除23.2 m懸挑區域模架時，對音樂廳結構的變形變化、混凝土應力分布以及鋼束有效應力變化具有較大影響；③當拆除屋頂非懸挑區域模架時，方案一、方案三和方案五音樂廳懸挑端均出現向上翹曲的變形；④建議采用二、四或六拆模方案進行施工。

復雜空間結構，施工工序，有限元分析，內力，變形

1 引 言

隨著我國經濟的快速發展，建筑結構呈現出大空間化、復雜化的發展趨勢，如國家體育館“鳥巢”、國家大劇院、央視CCTV新臺址主樓等。這不但使得建筑結構設計面臨著巨大的挑戰，同時對建筑結構施工也提出了更嚴格、更精密的要求。因為復雜結構從開始施工經過幾何尺寸的時變性、材料性質的時變性、荷載狀態的時變性、結構體系轉換等過程，在各施工階段結構的內力、變形累加，使得施工成型后的結構內力變形與設計的結構內力變形有較大差異［1-2］。為此，近年來在這類建筑的建設過程中，進行了施工階段關鍵工序的施工優化分析及施工監測方面的研究工作［3-7］。

沈陽文化藝術中心主體結構是由1 800座綜合劇場、500座多功能廳、1200座的音樂廳組成，總建筑面積89 000m2、建筑高度68.50m、復雜的大空間建筑。同時在該工程中，采用了緩黏結預應力混凝土新技術。該技術特點秉承了無黏結預應力結構施工簡便易行的優點；緩黏結劑固化后，又具備有黏結預應力混凝土結構的傳力機制，抗震性能優良［8］。但此項技術具有明顯的時效性，即預應力鋼束在張拉適用期期間，鋼束與混凝土之間沒有形成握裹力；張拉結束后，緩黏結劑逐漸固化形成一定強度，把鋼束的有效應力傳遞給混凝土，形式有黏結預應力狀態。為了提出音樂廳合理的拆模施工，指導施工作業，同時也為類似工程施工提供參考，本文對該工程音樂廳部分的關鍵施工工況即模架拆除階段進行有限元分析。在分析中，考慮結構材料等的時效性及結構體系轉化，詳細劃分4個拆模工序，提出6種拆模方案。

2 音樂廳結構

2.1 工程概況

音樂廳結構為豎向壘在綜合劇場上的懸挑+懸掛不規則的混凝土復雜空間結構，橫跨為55 m，縱跨為57 m，凈高21 m，音樂廳向外懸挑出20多m［9］。音樂廳下部由23.2 m、25.6 m雙層混凝土梁及結構板構成，上下兩層梁通過兩道1 300×3 900 mm環形大梁及短剪力墻連系在一起。屋面由坡屋面大空間預應力梁板構成。音樂廳底部與屋面之間在懸挑端部為3排500× 600 mm共16根混凝土柱構成，并在各層梁及柱利用緩粘結預應力鋼束形成空間預應力結構體系。各層結構構件混凝土強度均為C50。主體結構的立面圖、音樂廳23.2 m層及屋頂層平面圖如圖1所示。

2.2 拆模施工階段劃分

本研究中，對音樂廳模架拆除階段的施工，進行了詳細的拆模劃分即拆屋頂懸挑模架、拆屋頂非懸挑模架、拆23.2 m懸挑模架和拆23.2 m非懸挑模架等四個階段（區域見圖1（b）和圖1（c）），利用單元“生死”技術進行有限元分析，考慮拆模“先上后下，上下不交叉”的拆模原則，設置了如表1所示的6種拆模施工方案，考察各方案、各拆模工序對結構內力及變形的影響。

3 有限元模型的建立

3.1 模型概述

利用有限元軟件Midas-GEN對沈陽文化藝術中心主體結構建立有限元模型，如圖2所示。各構件截面尺寸按照工程設計文件建立模型，樓面和屋面板采用板單元，結構中的梁與柱采用梁單元，剪力墻采用板單元，單元數為24 039。音樂廳結構聯系23.2 m、25.6 m雙層混凝土梁的1 300 mm×3 900 mm環形大梁起到一層托兩層的作用，建模時環梁與兩層各梁之間設置成剛臂連接，如圖3所示。

本工程音樂廳結構采用C50混凝土、低松弛緩粘結預應力鋼束等材料。分析中混凝土的彈性模量、抗壓強度根據混凝土設計規范規定取值，強度和彈性模量隨時間的依存特性（即時效性）根據歐洲混凝土規范CEB-FIP規定進行設置，混凝土收縮徐變系數參考《我國公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（GJIGD62—2004）進行設置［10］。緩粘結預應力鋼束的設置如下：后張法施工，預應力鋼絞線抗拉強度標準值取1 860 MPa，低松弛鋼絞線其松弛系數取0.3，預應力鋼筋與管道壁的摩擦系數取0.3，管道每米局部偏差的摩擦影響系數取0.004，粘結類型取無黏結［11］。

3.2 邊界條件及臨時支撐體系的設置

根據工程設計意圖，在有限元模型底部采用完全固定的邊界條件，并利用邊界生死技術模擬音樂廳部分支模和拆模等臨時支撐的結構體系變化。分析中，主要是對音樂廳拆模階段進行詳細的劃分，共設計了4個拆模施工過程。臨時支撐采用彈性節點支撐形式，支撐線剛度及自重等的設置參考施工單位模架布置方案計算求得。在模架拆除階段利用鈍化對應節點彈性支撐及模架自重模擬該階段模架拆除施工。

圖1 沈陽文化藝術中心音樂廳結構概況圖Fig.1 Shenyang culture art center concert hall structure sketch

表1 六種拆模施工方案施工階段對應表Table 1 Construction phase of six stripping construction plans

圖2 有限元分析模型Fig.2 Finite elementmodel

圖3 環梁與23.2 m、25.6 m層各梁之間剛臂設置Fig.3 The rigid wall set between the circling beam and beams on the floor at 23.2 meter and 25.6 meter

3.3 荷載設置

在荷載設置方面根據《建筑施工模板安全技術規范》（JGJ 162—2008）［12］，主要考慮了結構自重、模架自重、預應力荷載及施工臨時荷載。模架重量的計算參考施工單位提供的各層模架用材料總重量，除以該層面積求得支撐屋頂模架面荷載為2.0 kN/m2、支撐23.2 m層模架面荷載為4.3 kN/m2。

4 分析結果

由于篇幅有限，對上述6個施工方案有限元模型最終成型狀態下典型位置的變形，各施工階段變形變化，典型梁混凝土上下緣及緩黏結預應力鋼束有效應力分布進行對比分析。

4.1 各施工方案變形分析

音樂廳結構6種施工方案最終狀態下的變形，取23.2 m層懸挑端A點、跨中B點，屋頂懸挑端C點、跨中D點（圖1）部位豎向位移進行對比，結果如表2所示。同時表2也給出了實際模架拆除完畢四個測點的最終變形。由表2可知，最終狀態下音樂廳的變形無論哪種施工方案最大變形均出現在C點即屋頂懸挑端部，然后依次是A點、D點和B點。另外，無論哪種施工方案變形均大于實際監測結果，說明結構施工完成后的剛度大于設計剛度。

為了進一步考察6種施工方案、各拆模工況對結構變形的影響。取上述4個測點，各施工方案下4個拆模階段變形如圖4所示。橫坐標表示工況順序（每個施工方案的工況順序如表1所示），縱坐標表示各階段拆模完成后的豎向變形。

由圖4可以看出，雖然各方案模架拆除順序不同，但當拆除23.2 m懸挑區域模架時，A、C兩點的豎向變形變化達到了40 mm以上。各方案中，當拆除本層非懸挑區域模架時B、D兩點的豎向變形變化最大，達到10 mm左右。同時發現，當拆除屋頂非懸挑區域模架時，方案一（圖4（a））、方案三（圖4（c））和方案五（圖4（e））A、C兩點有向上翹曲趨勢，最大翹曲達4 mm（圖4（e））。施工中，隨著拆模的完成，結構逐漸下沉，在某個拆模階段結構向上翹曲，相關構件截面應力將會由拉（或壓）轉變成壓（或拉），應力重分布較快，不利于之后模架的拆除。因此，建議本工程采用方案二、四或六進行拆模施工，而本工程最終采取第四種施工方案。

表2 各拆模施工方案最終完成階段各測點的豎向變形Table 2 Vertical deformation of different measuring points in the final phase of six stripping construction p lans

4.2 典型混凝土梁上下緣應力分析

音樂廳結構隨各拆模階段混凝土內力變化情況，以23.2 m層8號梁（圖1）為例進行說明。圖5表示各施工方案4個拆模階段8號梁混凝土上緣應力沿梁長分布，圖6是8號梁混凝土下緣應力沿梁長分布。橫坐標表示梁長方向，縱坐標為混凝土應力，縱坐標正方向表示受拉，負方向表示受壓。

由圖5可知，各施工方案無論拆模順序如何變化，拆除23.2 m層懸挑區域模架，8號梁混凝土上緣應力變化最大，應力由原來的受拉（或受壓）轉為受壓（或受拉），其他模架拆除時相對影響較小。在模架完全拆除后，8號梁混凝土上緣應力絕大部分處于受壓狀態，應力值大小在3 MPa范圍內。同樣由圖6可知，拆除23.2 m層懸挑區域模架，8號梁混凝土下緣應力變化最大，其他階段影響較小。在模架完全拆除完后，8號梁混凝土下緣應力大部分處于受拉狀態，應力值大小在2 MPa范圍內，小于混凝土的抗拉強度2.64 MPa，混凝土不開裂。實際模架拆除完畢，8號梁跨中上下緣測得混凝土的應力：上翼緣-6.49 MPa，下緣+1.77 MPa。受力狀態與有限元分析結果一致，但離散性較大。這主要是由于音樂廳模架拆除是在3月中旬到4月中旬完成，經歷時間較長，溫度變化大，監測的數據受溫度變化影響所致。

圖4 各方案4個拆模階段對音樂廳典型部位的變形Fig.4 Deformation of typical positions in concert hall in 4 stripping phases in all construction plans

圖5 各方案4個拆模階段音樂廳8號梁混凝土上翼緣應力Fig.5 The upper flange stress on No.8 beam of concert hall in 4 stripping phases of all construction plans

4.3 緩粘結鋼絞線有效應力

由于混凝土收縮徐變，鋼束松弛等因素，預應力結構有效應力在預應力鋼束張拉結束后，隨著時間的變化，有效應力逐漸減少。本文考察了該工程緩黏結預應力鋼束在拆模過程中有效應力分布變化情況。圖7表示各方案4個拆模階段音樂廳8號梁鋼束有效應力沿鋼束長度的分布。由圖7可知，無論施工方案拆模順序如何，隨著各拆模階段依次完成，鋼束有效應力略有增加，拆除23.2 m懸挑區域模架時，鋼束有效應力的增加幅度較大，增加比較明顯的區段在鋼束5~17 m之間。

5 結 論

（1）雖然各方案拆模順序不同，最終狀態下音樂廳最大位移均出現在C點即屋頂懸挑端部。當拆除23.2m懸挑區域模架時，A、C兩點的變形變化最大；當拆除本層非懸挑區域模架時B、D的變形變化最大。

（2）各拆模方案最后狀態下的8號梁混凝土上緣均受壓，下緣均受拉，拉力小于混凝土抗拉強度。拆除23.2 m懸挑區域模架對混凝土應力分布影響最大。模架完全拆除時的實測結果與理論分析結構受力狀態一致，但離散性較大。

圖6 各方案4個拆模階段音樂廳8號梁混凝土下翼緣應力Fig.6 The below flange stress on No.8 beam of concert hall in 4 stripping phases of all construction plans

圖7 各方案4個拆模階段對8號梁預應力鋼束有效應力沿梁長分布Fig.7 Stress distribution of the pre-tensioned cable in No.8 beam in 4 stripping phases of all construction plans

（3）隨著各拆模階段依次完成，各施工方案鋼束有效應力均略有增加，拆除23.2 m懸挑區域模架時，對鋼束有效應力影響最大。建議施工單位拆除23.2 m懸挑端區域模架時密切關注音樂廳結構的變形及內力的監測。

（4）當拆除屋頂非懸挑區域模架時，方案一、方案三和方案五A、C兩點有向上翹曲的變形，建議采用拆模方案二、四或六進行施工。

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The Form Removal Effect on the Internal Force and Deformation of Shenyang Culture Art Center Concert Hall w ith Bond-retarded Pre-stressed Structure

WANG Qiang1，*MA Yue1，2WANG Zhanfei1HOU Meng3SONG Xuedi1MA Yi4
（1.School of Civil Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China；2.Applied Technology College of Dalian Ocean University，Dalian 116300，China；3.Shenyang Wulihe construction development co.，LTD，Shenyang 110016，China；4.Shenyang construction testing center，Shenyang 110015，China）

In order to ascertain the effect of form removal on the internal force and deformation of complex large space and long cantilever structure，finite element analysis of the concert hall structure of Shenyang culture art center is carried out.In the analysis，the temporal effectiveness ofmaterials such as concrete and steel cableis considered，four stripping construction process and six stripping construction plans are designed in the usage of“life and death technology”.The result indicates as follows 1）Themaximum displacement of the concert hall all eventually occurred at the cantilever of the roof regardless of the order of form removal in different plans；2）Stripping cantilever formwork at23.2meter has greateffecton the deformation，distribution stress of concrete and effective stress of steel cable of concert hall；3）The upward deformation occurred at the cantilever of concert hall while stripping roof non-cantilever formwork in plan 1，plan 3 and plan 5；4）It is recommended that plan2（or plan4 and plan 6）in the construction.

Complex space structure，Form removal，Finite element analysis，Internal force，Deformation

2014-09-01

國家自然科學基金（51178279）*聯系作者，Email：wangqiangsy@163.com