拆模工序?qū)ι蜿栁幕囆g(shù)中心音樂廳緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形的影響

王 強(qiáng)馬 玥王占飛侯 猛宋雪迪馬 燚

（1.沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，沈陽110168；2.大連海洋大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，大連116300；3.沈陽五里河建設(shè)發(fā)展有限公司，沈陽110016；4.沈陽市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，沈陽110016）

拆模工序?qū)ι蜿栁幕囆g(shù)中心音樂廳緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形的影響

王 強(qiáng)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(xué)土木工程學(xué)院，沈陽110168；2.大連海洋大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，大連116300；3.沈陽五里河建設(shè)發(fā)展有限公司，沈陽110016；4.沈陽市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，沈陽110016）

為了探明模架拆除對復(fù)雜大空間大懸挑結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的影響，對沈陽文化藝術(shù)中心音樂廳結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)效性能，利用“生死技術(shù)”設(shè)計(jì)了4個(gè)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(jié)構(gòu)變形、關(guān)鍵構(gòu)件的混凝土及鋼束的應(yīng)力分布。分析結(jié)果表明：①雖然各方案模架拆除順序不同，但最終狀態(tài)下音樂廳的變形最大位移均出現(xiàn)在屋頂懸挑端部；②當(dāng)拆除23.2 m懸挑區(qū)域模架時(shí)，對音樂廳結(jié)構(gòu)的變形變化、混凝土應(yīng)力分布以及鋼束有效應(yīng)力變化具有較大影響；③當(dāng)拆除屋頂非懸挑區(qū)域模架時(shí)，方案一、方案三和方案五音樂廳懸挑端均出現(xiàn)向上翹曲的變形；④建議采用二、四或六拆模方案進(jìn)行施工。

復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，施工工序，有限元分析，內(nèi)力，變形

1 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出大空間化、復(fù)雜化的發(fā)展趨勢，如國家體育館“鳥巢”、國家大劇院、央視CCTV新臺(tái)址主樓等。這不但使得建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，同時(shí)對建筑結(jié)構(gòu)施工也提出了更嚴(yán)格、更精密的要求。因?yàn)閺?fù)雜結(jié)構(gòu)從開始施工經(jīng)過幾何尺寸的時(shí)變性、材料性質(zhì)的時(shí)變性、荷載狀態(tài)的時(shí)變性、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換等過程，在各施工階段結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形累加，使得施工成型后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形與設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形有較大差異［1-2］。為此，近年來在這類建筑的建設(shè)過程中，進(jìn)行了施工階段關(guān)鍵工序的施工優(yōu)化分析及施工監(jiān)測方面的研究工作［3-7］。

沈陽文化藝術(shù)中心主體結(jié)構(gòu)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(fù)雜的大空間建筑。同時(shí)在該工程中，采用了緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土新技術(shù)。該技術(shù)特點(diǎn)秉承了無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)施工簡便易行的優(yōu)點(diǎn)；緩黏結(jié)劑固化后，又具備有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的傳力機(jī)制，抗震性能優(yōu)良［8］。但此項(xiàng)技術(shù)具有明顯的時(shí)效性，即預(yù)應(yīng)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(jié)束后，緩黏結(jié)劑逐漸固化形成一定強(qiáng)度，把鋼束的有效應(yīng)力傳遞給混凝土，形式有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。為了提出音樂廳合理的拆模施工，指導(dǎo)施工作業(yè)，同時(shí)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(guān)鍵施工工況即模架拆除階段進(jìn)行有限元分析。在分析中，考慮結(jié)構(gòu)材料等的時(shí)效性及結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)化，詳細(xì)劃分4個(gè)拆模工序，提出6種拆模方案。

2 音樂廳結(jié)構(gòu)

2.1 工程概況

音樂廳結(jié)構(gòu)為豎向壘在綜合劇場上的懸挑+懸掛不規(guī)則的混凝土復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)板構(gòu)成，上下兩層梁通過兩道1 300×3 900 mm環(huán)形大梁及短剪力墻連系在一起。屋面由坡屋面大空間預(yù)應(yīng)力梁板構(gòu)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(gòu)成，并在各層梁及柱利用緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼束形成空間預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系。各層結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土強(qiáng)度均為C50。主體結(jié)構(gòu)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(jìn)行了詳細(xì)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(gè)階段（區(qū)域見圖1（b）和圖1（c）），利用單元“生死”技術(shù)進(jìn)行有限元分析，考慮拆?！跋壬虾笙?，上下不交叉”的拆模原則，設(shè)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?qū)Y(jié)構(gòu)內(nèi)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(shù)中心主體結(jié)構(gòu)建立有限元模型，如圖2所示。各構(gòu)件截面尺寸按照工程設(shè)計(jì)文件建立模型，樓面和屋面板采用板單元，結(jié)構(gòu)中的梁與柱采用梁單元，剪力墻采用板單元，單元數(shù)為24 039。音樂廳結(jié)構(gòu)聯(lián)系23.2 m、25.6 m雙層混凝土梁的1 300 mm×3 900 mm環(huán)形大梁起到一層托兩層的作用，建模時(shí)環(huán)梁與兩層各梁之間設(shè)置成剛臂連接，如圖3所示。

本工程音樂廳結(jié)構(gòu)采用C50混凝土、低松弛緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼束等材料。分析中混凝土的彈性模量、抗壓強(qiáng)度根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定取值，強(qiáng)度和彈性模量隨時(shí)間的依存特性（即時(shí)效性）根據(jù)歐洲混凝土規(guī)范CEB-FIP規(guī)定進(jìn)行設(shè)置，混凝土收縮徐變系數(shù)參考《我國公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GJIGD62—2004）進(jìn)行設(shè)置［10］。緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼束的設(shè)置如下：后張法施工，預(yù)應(yīng)力鋼絞線抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取1 860 MPa，低松弛鋼絞線其松弛系數(shù)取0.3，預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁的摩擦系數(shù)取0.3，管道每米局部偏差的摩擦影響系數(shù)取0.004，粘結(jié)類型取無黏結(jié)［11］。

3.2 邊界條件及臨時(shí)支撐體系的設(shè)置

根據(jù)工程設(shè)計(jì)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(shù)模擬音樂廳部分支模和拆模等臨時(shí)支撐的結(jié)構(gòu)體系變化。分析中，主要是對音樂廳拆模階段進(jìn)行詳細(xì)的劃分，共設(shè)計(jì)了4個(gè)拆模施工過程。臨時(shí)支撐采用彈性節(jié)點(diǎn)支撐形式，支撐線剛度及自重等的設(shè)置參考施工單位模架布置方案計(jì)算求得。在模架拆除階段利用鈍化對應(yīng)節(jié)點(diǎn)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(shù)中心音樂廳結(jié)構(gòu)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(yīng)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(huán)梁與23.2 m、25.6 m層各梁之間剛臂設(shè)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(shè)置

在荷載設(shè)置方面根據(jù)《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 162—2008）［12］，主要考慮了結(jié)構(gòu)自重、模架自重、預(yù)應(yīng)力荷載及施工臨時(shí)荷載。模架重量的計(jì)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(jié)果

由于篇幅有限，對上述6個(gè)施工方案有限元模型最終成型狀態(tài)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(jié)預(yù)應(yīng)力鋼束有效應(yīng)力分布進(jìn)行對比分析。

4.1 各施工方案變形分析

音樂廳結(jié)構(gòu)6種施工方案最終狀態(tài)下的變形，取23.2 m層懸挑端A點(diǎn)、跨中B點(diǎn)，屋頂懸挑端C點(diǎn)、跨中D點(diǎn)（圖1）部位豎向位移進(jìn)行對比，結(jié)果如表2所示。同時(shí)表2也給出了實(shí)際模架拆除完畢四個(gè)測點(diǎn)的最終變形。由表2可知，最終狀態(tài)下音樂廳的變形無論哪種施工方案最大變形均出現(xiàn)在C點(diǎn)即屋頂懸挑端部，然后依次是A點(diǎn)、D點(diǎn)和B點(diǎn)。另外，無論哪種施工方案變形均大于實(shí)際監(jiān)測結(jié)果，說明結(jié)構(gòu)施工完成后的剛度大于設(shè)計(jì)剛度。

為了進(jìn)一步考察6種施工方案、各拆模工況對結(jié)構(gòu)變形的影響。取上述4個(gè)測點(diǎn)，各施工方案下4個(gè)拆模階段變形如圖4所示。橫坐標(biāo)表示工況順序（每個(gè)施工方案的工況順序如表1所示），縱坐標(biāo)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(dāng)拆除23.2 m懸挑區(qū)域模架時(shí)，A、C兩點(diǎn)的豎向變形變化達(dá)到了40 mm以上。各方案中，當(dāng)拆除本層非懸挑區(qū)域模架時(shí)B、D兩點(diǎn)的豎向變形變化最大，達(dá)到10 mm左右。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拆除屋頂非懸挑區(qū)域模架時(shí)，方案一（圖4（a））、方案三（圖4（c））和方案五（圖4（e））A、C兩點(diǎn)有向上翹曲趨勢，最大翹曲達(dá)4 mm（圖4（e））。施工中，隨著拆模的完成，結(jié)構(gòu)逐漸下沉，在某個(gè)拆模階段結(jié)構(gòu)向上翹曲，相關(guān)構(gòu)件截面應(yīng)力將會(huì)由拉（或壓）轉(zhuǎn)變成壓（或拉），應(yīng)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(jìn)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(diǎn)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(yīng)力分析

音樂廳結(jié)構(gòu)隨各拆模階段混凝土內(nèi)力變化情況，以23.2 m層8號(hào)梁（圖1）為例進(jìn)行說明。圖5表示各施工方案4個(gè)拆模階段8號(hào)梁混凝土上緣應(yīng)力沿梁長分布，圖6是8號(hào)梁混凝土下緣應(yīng)力沿梁長分布。橫坐標(biāo)表示梁長方向，縱坐標(biāo)為混凝土應(yīng)力，縱坐標(biāo)正方向表示受拉，負(fù)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(qū)域模架，8號(hào)梁混凝土上緣應(yīng)力變化最大，應(yīng)力由原來的受拉（或受壓）轉(zhuǎn)為受壓（或受拉），其他模架拆除時(shí)相對影響較小。在模架完全拆除后，8號(hào)梁混凝土上緣應(yīng)力絕大部分處于受壓狀態(tài)，應(yīng)力值大小在3 MPa范圍內(nèi)。同樣由圖6可知，拆除23.2 m層懸挑區(qū)域模架，8號(hào)梁混凝土下緣應(yīng)力變化最大，其他階段影響較小。在模架完全拆除完后，8號(hào)梁混凝土下緣應(yīng)力大部分處于受拉狀態(tài)，應(yīng)力值大小在2 MPa范圍內(nèi)，小于混凝土的抗拉強(qiáng)度2.64 MPa，混凝土不開裂。實(shí)際模架拆除完畢，8號(hào)梁跨中上下緣測得混凝土的應(yīng)力：上翼緣-6.49 MPa，下緣+1.77 MPa。受力狀態(tài)與有限元分析結(jié)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(jīng)歷時(shí)間較長，溫度變化大，監(jiān)測的數(shù)據(jù)受溫度變化影響所致。

圖4 各方案4個(gè)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(gè)拆模階段音樂廳8號(hào)梁混凝土上翼緣應(yīng)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(jié)鋼絞線有效應(yīng)力

由于混凝土收縮徐變，鋼束松弛等因素，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)有效應(yīng)力在預(yù)應(yīng)力鋼束張拉結(jié)束后，隨著時(shí)間的變化，有效應(yīng)力逐漸減少。本文考察了該工程緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼束在拆模過程中有效應(yīng)力分布變化情況。圖7表示各方案4個(gè)拆模階段音樂廳8號(hào)梁鋼束有效應(yīng)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(yīng)力略有增加，拆除23.2 m懸挑區(qū)域模架時(shí)，鋼束有效應(yīng)力的增加幅度較大，增加比較明顯的區(qū)段在鋼束5~17 m之間。

5 結(jié) 論

（1）雖然各方案拆模順序不同，最終狀態(tài)下音樂廳最大位移均出現(xiàn)在C點(diǎn)即屋頂懸挑端部。當(dāng)拆除23.2m懸挑區(qū)域模架時(shí)，A、C兩點(diǎn)的變形變化最大；當(dāng)拆除本層非懸挑區(qū)域模架時(shí)B、D的變形變化最大。

（2）各拆模方案最后狀態(tài)下的8號(hào)梁混凝土上緣均受壓，下緣均受拉，拉力小于混凝土抗拉強(qiáng)度。拆除23.2 m懸挑區(qū)域模架對混凝土應(yīng)力分布影響最大。模架完全拆除時(shí)的實(shí)測結(jié)果與理論分析結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)一致，但離散性較大。

圖6 各方案4個(gè)拆模階段音樂廳8號(hào)梁混凝土下翼緣應(yīng)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(gè)拆模階段對8號(hào)梁預(yù)應(yīng)力鋼束有效應(yīng)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(yīng)力均略有增加，拆除23.2 m懸挑區(qū)域模架時(shí)，對鋼束有效應(yīng)力影響最大。建議施工單位拆除23.2 m懸挑端區(qū)域模架時(shí)密切關(guān)注音樂廳結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力的監(jiān)測。

（4）當(dāng)拆除屋頂非懸挑區(qū)域模架時(shí)，方案一、方案三和方案五A、C兩點(diǎn)有向上翹曲的變形，建議采用拆模方案二、四或六進(jìn)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“l(fā)ife 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，F(xiàn)orm removal，F(xiàn)inite element analysis，Internal force，Deformation

2014-09-01

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