大跨度復雜鋼結構卸載全過程模擬分析

劉 意， 石深文， 張 林， 鄭秀玉

(中鐵建設集團有限公司，北京 100040)

0 引 言

隨著大跨度空間鋼結構在大型體育館、展覽館和一些工業廠房等公共建筑中的廣泛應用，大跨度鋼結構的安裝和卸載作為結構成形的重要部分，通過搭設臨時支撐，采用分段吊裝、高空拼裝的方法已被普遍適用。但是可以發現的是，現階段大跨空間結構面臨著施工方法的多元化和復雜化，造成施工階段時結構的內力分布較為復雜，設計使用的主體結構受力隨著施工過程不斷變化。施工階段最為關鍵也是最后實施的步驟即為臨時支撐的卸載。臨時支撐的卸除過程會導致主體結構內力不斷重分布，可能給結構在施工中的安全帶來危險性，所以有必要針對大跨度空間結構進行全過程的卸載過程的模擬，以了解不同施工方法各個卸載工況下卸載過程的應力變化規律。

1 工程概況

依托工程為目前在施的九江鄱陽湖生態科技城科創中心工程。本工程1#樓與2#樓及1#樓與3#樓直接為大跨度鋼結構連廊，共計6層，采用空中散拼法組裝。西連廊為框架結構，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式支撐形式，格構式支撐截面尺寸為1.2 m×1.2 m，主桿件為:L140×12，腹桿為L80×8，材質均為Q235B。鋼結構模型如圖1所示。

圖1 西連廊鋼結構模型

2 西連廊鋼結構卸載模擬計算

2.1 計算依據

(1)《鋼結構設計規范》GB 50017-2003；

(2)《空間網格結構技術規程》JGJ 7-2010；

(3)《鋼結構工程施工規范》GB 50755-2012；

(4)設計相關圖紙及模型。

2.2 卸載過程模擬分析概況

根據總體施工方案，西連廊鋼結構采用分段、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，計算結構的最大豎向變形和最大應力。

荷載施加情況：施工過程中荷載為結構桿件的自重，由于設計模型未將構件節點等重量折算到材料的容重，因此自重系數取為1.2。

在結構施工分析中，運用有限元法計算程序中將“死”單元(不參與整體結構分析的構件)逐次激活的技術，對結構在整個施工過程進行分析，模擬結構在整個施工過程中剛度和強度等的變化情況。安裝后的狀態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5個。由于篇幅限制，這里只列出了部分卸載工況示意圖，后面計算的結果也是只列出了部分，并于前面對應。前兩個卸載工況對應的胎架示意圖如圖4、圖5所示，其中工況XZ5臨時支撐已完全拆除。卸載工況計算按照施工流程模擬。

圖2 安裝后狀態(整體)

圖3 安裝后狀態(胎架)

圖4 工況XZ1

圖5 工況XZ2

2.3 卸載全過程分析結果

根據施工過程計算出各卸載工況下結構的變形、應力，得到西連廊結構的變形、應力情況。部分卸載工況計算結果如圖6～圖13所示。

圖6 工況XZ1結構最大豎向變形(單位：mm)

(1)工況XZ1計算結果：

圖7 工況XZ1結構最大應力(單位：MPa)

(2)工況XZ2計算結果：

圖8 工況XZ2結構最大豎向變形(單位：mm)

圖9 工況XZ2結構最大應力(單位：MPa)

(3)工況XZ3計算結果：

圖10 工況XZ3結構最大豎向變形(單位：mm)

圖11 工況XZ3結構最大應力(單位：MPa)

(4)卸載后穩定狀態計算結果：

圖12 結構最大豎向變形(單位：mm)

圖13 結構最大應力(單位：MPa)

由圖6～圖13可以看出，隨著臨時支撐的逐漸拆除，結構的最大豎向變形先是逐漸增大，達到穩定狀態后有所減小，結構最大應力隨著拆除的過程有升有降。這是因為卸載過程中出現了內力的重分布，當拆除某些受力較大的臨時支撐時，會對周圍支撐受力影響較大，引起應力波動。卸載過程是主體結構和臨時支撐體系相互作用的復雜過程，是兩個系統之間內力逐漸轉移和重分布的過程，臨時支撐由承載狀態變為無荷載狀態，同時主體結構由安裝狀態過渡到設計受力狀態。結果顯示結構均處于支撐能夠承受允許范圍內，表明實際卸載施工過程中結構均處于安全狀態。

3 結束語

本文依托目前在施的九江鄱陽湖生態科技城科創中心工程大跨度鋼結構西連廊，采用有限元軟件MIDAS Gen 2014對西連廊鋼結構的各個卸載工況進行模擬分析，結果顯示該結構在各個卸載工況中均處于安全狀態，驗證了卸載施工中的安全性和可靠性。一般來說，施工技術人員不僅要對結構在施工過程中可能遇到的問題有所預見，還應明確施工過程中結構的力學狀態變化情況，結合現代計算機軟件技術，對大型空間鋼結構施工過程進行數值模擬分析，以達到預期的效果。