大型悬臂抬升裙楼施工卸载安全性分析

方胜利， 于重阳， 李国栋

(武汉理工大学 a.土木工程与建筑学院； b.理学院， 湖北 武汉 430070)

大跨度空间钢结构施工过程中大多需要设置临时支撑，以确保施工过程的安全性和顺利进行，比如重庆大剧院[1]，国家体育场[2]，武汉火车站[3]，上海新国际博览中心[4]等工程的施工卸载。临时支撑的设置使永久结构和临时支撑结构组成一个共同作用的新的结构体系，待结构安装完成后需拆除临时支撑。拆除临时支撑的过程，是结构受力逐渐转移及内力重分布的过程，临时支撑由承载状态变为无荷载状态，同时主体结构则由安装状态过渡到设计受力状态，在此过程中，结构的内力和变形将发生较大变化，因此卸载是大型钢结构体系施工过程中的一个重要环节[5～8]，有必要对卸载过程进行准确合理的数值模拟，同时在卸载过程中对结构进行跟踪监测以确保卸载过程的安全性。近年来，郭彦林[9～12]在大跨度空间结构上做了大量研究，主要通过有限元软件对施工过程进行模拟，从应力位移响应从理论上指导施工过程的安全性。因此，本文通过ANSYS有限元软件并利用单元生死技术模拟整个结构的卸载过程，主要从支撑胎架应力和裙楼位移两方面探讨整体结构在卸载过程中的安全性，并将计算结果与实测监控结果对比，为施工过程提供指导。

1 工程概况

1.1 抬升裙楼概况

深圳证券交易所营运中心工程位于深圳市福田中心区，建筑面积26.7万m2，共46层，主体总高度245.8 m，钢结构总重4.2万t。大厦底座被抬升至36 m高，形成一个巨大的“漂浮平台”，此即为抬升裙楼。它由桁架筒结构和巨型悬挑桁架结构组成(如图1所示)。抬升裙楼长162 m，宽98 m，高24 m，结构最大特点是超长平臂悬挑、超大构件及超重节点，南北面从塔楼向外悬挑22 m，东西面从桁架筒向外悬挑36 m，构件最大截面尺寸为4.2 m×2 m，单个节点最大重量172 t，抬升裙楼钢结构总重量达2.8万t。

图1 深圳证券交易所营运中心结构组成

1.2 卸载方案

抬升裙楼采用胎架支撑，高空原位拼装的施工方法。在裙楼东西两侧的桁架筒内安装两台M1280D塔吊，附着于主楼六层，对应裙楼下弦的46个起拱点，设置46组临时支撑胎架，如图2所示，胎架基础设置在加固后的一层楼板上，胎架之间设联系桁架和剪刀撑，保证胎架整体的稳定。

图2 胎架布置

卸载时，按照由外向内的顺序，分阶段，分批，分级的方式进行。整个卸载共分12步，由外圈向内圈逐圈卸载。当外圈，中圈，内圈各卸载一步，此即为一个阶段，整个卸载共分4个阶段完成，以达到准静态卸载的目的。外圈即为图2中最外面的黑色圈所围成的区域，包含30组临时支撑胎架；中圈即为图2中TJM下方黑色圈所围成的区域，包含8组临时支撑胎架；内圈即为图2中TJI下方黑色圈所围成的区域，包含8组临时支撑胎架。深圳证券交易所营运中心抬升裙楼的卸载工具为沙箱结构，沙箱是利用封闭容器内的干燥细沙, 在容器侧下部打开开口时细沙易流出, 从而减少容器内的细沙体积实现分级卸载的目的。

2 卸载过程模拟分析

2.1 计算模型的建立

2.1.1单元选取

本文采用ANSYS建立了结构的整体模型，模型采用三维直角坐标系。梁柱及其胎架结构的模拟选择BEAM188单元。BEAM188 单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛哥梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响。模型中所有的线弹性混凝土楼板以及直筒墙结构均选择SHELL63单元。SHELL63具备弯曲和膜的特性，能承受平面内和法线方向的荷载。计算模型如图3所示。

图3 计算模型

2.1.2荷载

整个施工模拟计算过程只考虑结构本身的自重作用，重力加速度取g=9.80 kg/m2。

2.1.3材料参数

钢材弹性模量E=200 GPa，泊松比v=0.3，密度ρ=7.85×103kg/m3；线弹性混凝土采用C30混凝土材料，E=30 GPa，泊松比v=0.2，密度ρ=2.5×103kg/m3。

2.2 分析步骤

本文通过ANSYS的单元生死功能实现对整体结构安装全过程的施工力学分析。计算过程中打开几何大变形控制，采用Newton-Raphson非线性迭代求解。

实际的卸载方案是胎架由外圈向内圈逐级、分布卸载。在有限元模拟的过程中，将环境温度设置为300 K，在裙楼的下弦节点与胎架之间建一根竖直短柱(BEAM188单元)，通过给短柱降温的方法实现分级卸载。具体模拟分析的步骤如表1所示。

表1 卸载工况

2.3 计算结果

2.3.1胎架支撑反力

卸载过程是整个施工工程中的重要步骤，而胎架作为主要的支撑结构，其稳定性直接关系到卸载过程乃至整体结构的安全。因此研究卸载过程中胎架底部的支撑反力具有重要意义。本文选取8、9、13、H号点下面的胎架为研究对象，如图4所示。每幅胎架由四根角柱主要支撑，如图5所示，因此每幅胎架有4个测点。模拟施工过程的计算结果列表如下表2所示。该应力值为当前施工步骤下的应力与胎架在自重作用下应力的差值。从表中可以看出，所有的应力值均为压应力，卸载前应力值最大，随着卸载过程的一步步进行，胎架应力值逐渐减小，每幅胎架的4个不同测点的应力值变化不大。整个卸载过程中最大应力值为-85.3 MPa，满足设计规范的要求。因此，从卸载过程中胎架的应力变化来看，支撑结构安全可靠。

图4 抬升裙楼下弦平面测点布置

图5 TJ8测点布置

测点卸架前第1阶段第2阶段第3阶段第4阶段TJ8-1-30.0 -12.0 -2.0 -2.0 -1.8 TJ8-2-31.2-13.1-1.5-1.8-1.7TJ8-3-30.5-9.9-1.0-1.0-1.0TJ8-4-31.0-10.2-0.6-0.5-0.6TJ9-1-25.0 -8.2 -7.3 -7.2 -1.2 TJ9-2-22.0-8.0-7.2-7.1-1.2TJ9-3-22.6-8.3-7.6-7.5-1.6TJ9-4-25.8-10.2-7.7-7.5-1.6TJ13-1-85.3 -62.5 -31.5 -31.4 -1.3 TJ13-2-82.0-60.2-31.0-29.9-1.6TJ13-3-83.6-63.2-31.2-30.3-1.5TJ13-4-84.5-63.3-31.5-28.9-1.0TJH-1-25.2-15.2-10.1-9.8-2.6TJH-2-24.3-14.6-10.3-10.1-2.9TJH-3-24.8-15.0-9.8-9.8-1.8TJH-4-26.3 -16.0 -9.9 -9.8 -1.9

2.3.2抬升裙楼角点位移

卸载过程中，整体结构由于支撑结构的移除，其自重荷载将由结构本身承担，在此过程中整体结构会产生较大的变形。因此，研究卸载过程中整体结构的变形对其安全性至关重要。对于大悬挑结构来说，在卸载过程中，离“悬臂”最远的点的位移最大，因此选择抬升裙楼下弦四个角点1、11、16、26(见图4)的竖向位移为分析对象。模拟计算结果如下表3所示。该位移值为当前施工步骤下的位移与卸载前测点位移的差值。在整个卸载阶段，测点的竖向位移逐渐增大。整体结构、荷载卸载步骤都是对称分布，因此模拟得到的位移点的结果在数值上相差不大。施工卸载完成后，测点的最大位移下降了18.9 mm，满足规范设计的要求。因此，从卸载过程中悬挑裙楼的位移变化来看，整体结构安全可靠。

表3 测点竖向位移 mm

3 计算结果与监测结果对比分析

为了确保卸载过程的顺利进行，在裙楼的卸载过程中，利用全站仪和应变传感器，对裙楼下弦角点位移和胎架反力进行实时监测，并将实测结果与ANSYS计算结果进行对比分析，对比结果见图6和图7，在图6和图7中，横坐标与表1中的工况对应。

3.1 胎架支撑反力的对比分析

图6给出了TJ8，TJ9，TJ13，TJH测点应力在卸载过程中的计算结果与监测结果。由图6看出，所有胎架4个不同角柱测点的计算应力结果相差不大。因为在理论计算中，模型、荷载及施工步骤都是对称的，所以每幅胎架的四个角点在理论上应该均匀受力，模拟的结果很好印证了这一点。但是从监测结果看出，同一幅胎架不同角点的应力在卸载阶段有很大差异，主要是由于实际的卸载过程中诸多不可控因素导致的。由图6(a)TJ8的结果所示，整体的计算结果在卸载前，即0阶段，TJ8-2计算应力为-31.2 MPa，监测应力为-62.3 MPa，误差较大。但是在卸载的四个阶段，计算结果与监测结果很接近，可控性较高。随着卸载过程的进行，胎架应力逐渐减小，在卸载完成后，胎架基本处于无应力状态。由图6(b)TJ9的结果所示，4个角点的监测应力在整个卸载过程中基本保持不变，在卸载完成后4个角点的胎架应力计算结果基本趋于零应力，与监测结果有些许差别。由图6(c)TJ13的结果所示，TJ13的应力计算结果与监测结果在整个卸载过程中保持较好的一致性，可控性很高。由图6(d)TJH的结果所示，TJH的监测结果在卸载完成后，角点的应力值为8.5 MPa左右，为正值，可能是由卸载过程中温度变化引起的。从整个监测结果与计算结果的对比看出，计算结果与监测结果在局部存在着较大的误差，但是整体的应力变化趋势基本保持一致，在数值上远小于规范的设计要求，整个卸载过程安全，基本可控。

图6 胎架应力对比

3.2 裙楼位移对比分析

卸载过程中，对裙楼角点进行监测时，在卸载的第二阶段完成时，未能及时进行监测，因此没有第二阶段的位移监测结果。图7给出了1，11，16，26号测点位移在卸载过程中的计算结果与监测结果。计算值和监测值在整体变化趋势上保持一致，在卸载完成后4个角点的监测值有些许差距，对比结果如表4所示。26号测点计算值与监测值差距较大，1、11、16号测点的位移计算值与监测值很接近，整体上裙楼的线型控制较好，整个卸载过程安全，可控。

图7 裙楼角点竖向位移对比

数值1号11号16号26号实测值18.821.215.68.6计算值18.719.918.318.5

通过以上胎架的内力和裙楼位移的计算结果与监测结果的对比可知，在某些局部区域数值上存在着较大的差异。基于实际卸载过程中的诸多因素，可能引起误差的原因如下：

(1)在监测时无论是仪器本身的精度还是人为因素都会引起误差，这就直接导致了测量结果和计算结果之间的差异。

(2)因为温度变化时，结构的线膨胀系数和传感器的线膨胀系数不一样，实际测量时温度变化会影响监测数据，本文在计算应变变化时，利用近似公式对温度的影响进行了修正，但还是存在一定程度的误差；而在数值模拟中并未考虑温度变化对结构的影响，因此会导致实测数据和计算结果存在误差。

(3)应力监测所用的应变传感器在监测时受外界因素影响较大，因而与计算结果的吻合度比较低。

(4)数值模拟时，荷载工况是按照实际的施工步骤添加的，但是如此庞大的工程，施工过程必然很复杂，会受到各方面因素的影响，在用有限元模拟施工过程时并不能百分之百和实际的施工过程相一致，因此数值计算存在一定程度的误差。

4 结 语

对卸载过程进行了实时监测，并将计算结果与实测结果进行了对比分析，应力的结果差异较大，由于在监测中，应力监测结果受各方面因素影响比较大，在某些局部区域与计算结果有较大误差。但是，在施工过程中，结构的应力变化不大，满足设计规范的要求；裙楼在卸载过程中的计算值与监测值很接近，整体上裙楼的线型控制较好。从计算结果与监测结果看出，整个卸载过程安全，可控。

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