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(yè)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(fā)現(xiàn)的是，現(xiàn)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(guī)律。

1 工程概況

依托工程為目前在施的九江鄱陽湖生態(tài)科技城科創(chuàng)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(guī)范》GB 50017-2003；

(2)《空間網格結構技術規(guī)程》JGJ 7-2010；

(3)《鋼結構工程施工規(guī)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(jié)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(tài)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(tài)(整體)

圖3 安裝后狀態(tài)(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(wěn)定狀態(tài)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(wěn)定狀態(tài)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(xiàn)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(tǒng)之間內力逐漸轉移和重分布的過程，臨時支撐由承載狀態(tài)變?yōu)闊o荷載狀態(tài)，同時主體結構由安裝狀態(tài)過渡到設計受力狀態(tài)。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(tài)。

3 結束語

本文依托目前在施的九江鄱陽湖生態(tài)科技城科創(chuàng)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(tài)，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(tài)變化情況，結合現(xiàn)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。