温度调节法在大跨空间结构施工控制中的应用

伍小平 李鑫奎,2 焦常科

1. 上海建工集团股份有限公司 上海 200080；2. 同济大学土木工程学院 上海 200092

临时支撑卸载是大跨空间结构常见的体系转换方式之一。支撑卸载通常通过调节千斤顶长度，逐渐降低支撑力，直至千斤顶与结构脱开完成卸载。临时支撑的卸载导致结构边界的调整、荷载的转换以及结构体系的改变。由于涉及结构体系的转变，卸载成为大跨空间结构施工中安全风险最大的工况之一。开展施工控制无疑是保障临时支撑卸载过程安全的重要手段，其中涉及的关键技术包括准确模拟与高效控制。

准确的卸载计算分析是顺利开展卸载控制的前提。卸载分析常用的方法有强制位移法、等效杆端位移法、约束方程法、千斤顶单元法以及千斤顶-间隙单元法。这些计算方法的出发点都是希望更加真实地模拟卸载过程，从而提高计算准确性，但每种计算方法又有其局限性，如强制位移法无法准确模拟非同步卸载过程中先期卸载导致的其他支撑处结构上翘所造成的支撑反力减小，甚至与主体结构脱开的情况。

支撑卸载控制，常采用支撑反力和结构绝对位移作为控制参数。工程中多采用螺旋千斤顶作为卸载装置，而此种千斤顶不具备测力功能，无法实现反力控制。当临时支撑与地基存在弹性变形时，采用结构绝对位移控制法引入了临时支撑与地基变形，会影响控制精度，从而带来安全和质量隐患。

鉴于临时支撑卸载存在的技术难题，本文开展基于温度调节法的卸载仿真计算方法研究，使仿真计算能够更加真实地反映卸载过程的典型力学特征；开展基于千斤顶行程的卸载控制方法研究，使卸载控制量与仿真计算结果直接对应，实现支撑卸载过程与仿真计算原理的一致。通过温度调节法计算与千斤顶行程控制的联合使用，形成系统性大跨空间临时支撑卸载控制技术，降低卸载安全风险，提高施工安全性与便捷性[1-9]。

1 基于温度调节法的仿真计算

卸载过程中支撑点反力与卸载量之间具有显著的非线性特征，不符合胡克定律F＝kΔ（F为反力，k为弹性刚度，Δ为位移）。

因此，很难通过力学方法准确模拟卸载。通过研究发现，采用温度调节法模拟支撑构件的伸长缩短，与临时支撑卸载物理过程十分吻合。

所谓温度调节法，是利用材料的温度变形效应，通过温度的改变实现构件长度调节，模拟卸载过程。开展基于温度调节法的仿真分析，需要构建千斤顶单元，设定该单元刚度为无穷大，单元长度为卸载量的2～3倍，根据计算需要设定材料温度变形系数，千斤顶单元变形计算公式如式（1）所示。

为模拟卸载完成后临时支撑与结构脱开的力学特征，在卸载千斤顶单元上方串联一个只承受压力不承受拉力的只受压单元（图1），实现卸载装置与结构自由脱开的模拟。

图1 等效构件与只受压单元串联示意

2 基于千斤顶行程的卸载控制方法

获得准确计算结果是开展卸载控制的基本条件，在此基础上还需采用高效、可靠的控制方法才能顺利完成卸载施工。

针对支撑反力与结构位移2种卸载控制方法存在的不足，本文提出了基于千斤顶行程的控制方法。该方法以千斤顶回缩量为控制参数，不考虑结构的绝对位移，有效避免了临时支撑与地基弹性变形对结构位移的影响。另外，千斤顶行程参数与基于温度调节的千斤顶单元变形量直接对应，实现了卸载施工与仿真模拟的完美吻合。

基于千斤顶行程的卸载控制法优点体现在以下几个方面：在施工工艺方面，该方法以千斤顶回缩行程作为控制参数，卸载过程中通过钢尺测量千斤顶的回缩量进行控制，无需采用高精度的测量设备；在控制精度方面，该方法消除了因临时支撑反力变化导致的临时支撑与地基弹性变形引入的偏差，提高了控制的准确性；在与仿真模拟关联方面，该方法再现了仿真计算过程，控制参数与仿真结果直接对应。基于千斤顶行程的卸载控制原理如图2所示。

图2 千斤顶行程控制示意

3 工程示范与应用

3.1 国家大剧院钢壳体卸载案例

国家大剧院钢壳体结构呈半椭球形，其长轴（东西向）长212.20 m，短轴（南北向）长143.64 m，建筑总高度为46.285 m，钢壳体共设置446个千斤顶，其中S1、S2上各148个，S0上150个，采用分批分级卸载。结构实景如图3所示。

图3 钢壳体实景

3.1.1 卸载模拟计算

采用MIDAS/GEN通用有限元软件开展卸载仿真模拟分析，钢壳体采用空间梁单元模拟，临时支撑架体采用空间梁单元模拟，采用千斤顶单元与只受压单元模拟卸载装置。材料属性及约束条件按图纸及施工方案确定。结构模型如图4所示。

图4 钢壳体有限元模型

经过计算分析，确定了国家大剧院拆撑过程共分19步，在区域划分上，首先完全拆除S1，然后在S0和S2之间交替下调千斤顶。详细卸载工况如表1所示。其中在第11步和第12步之间将S0箱梁中间的支点完全拆除。

表1 钢壳体卸载顺序

3.1.2 卸载控制

国家大剧院临时支撑点达到446个，采用机械式千斤顶卸载，由于无法实现计算机同步控制卸载，采用了分批分级卸载方法，实施过程中受技术工人数量的限制，每次只能同时开展16～20个临时支撑点的卸载。卸载过程中采用了以千斤顶行程代替结构标高作为卸载控制参数，卸载时由卸载技术人员用钢尺直接量取千斤顶回缩行程量进行控制，提升了卸载效率，原计划1个星期的卸载时间，只用2个半天就完成了全部临时支撑卸载，且卸载过程中临时支撑与主体结构与理论计算结果相符，始终处于安全可控状态。

3.2 世博演艺中心卸载案例

上海世博演艺中心建筑外形呈飞碟状，结构由6层钢框架结构、巨型悬臂桁架和组合桁架结构的钢屋盖。为满足世博演艺中心工程建造的需要，在1ü 36轴桁架下弦节点设置临时支撑系统。

3.2.1 卸载模拟计算

采用MIDAS/GEN通用有限元软件开展卸载仿真模拟分析，所有框架结构和屋顶桁架结构均采用空间梁单元进行模拟。上部钢桁架与下部悬臂桁架的连接采用释放梁端约束的方法。

为模拟卸载过程中临时支撑与主体结构脱开的工况，在千斤顶单元与主体结构之间设置只受压单元，设定只受压单元受压刚度无限大受拉刚度为0，则当临时支撑与主体结构脱离时，临时支撑与主体结构间不受拉力作用。临时支撑卸载通过温度调节实现，为千斤顶单元设置相应的温度系数，根据所要卸载量确定温度变化值。结构整体模型如图5所示，卸载单元模型如图6所示。

图5 钢屋盖整体模型

图6 千斤顶局部模型

为确保卸载过程中主体结构及临时结构安全，并考虑到卸载操作方便，钢屋盖共分为15个卸载步骤，每个卸载步骤施工内容及卸载量如下：

工况1：拆除外圈1ü 36号临时支撑；

工况2：拆除内圈73ü 80号临时支撑；

工况3：所有支撑卸载5 mm；

工况4：所有支撑卸载5 mm；

工况5：所有支撑卸载5 mm；

工况6：所有支撑卸载10 mm；

工况7：所有支撑卸载10 mm；

工况8：所有支撑卸载15 mm，拆除38ü 43、48ü 53、56ü 61、66ü 71号临时支撑；

工况9：81ü 88号临时支撑卸载5 mm，44ü 47、52ü 55号临时支撑卸载2 mm；

工况10：所有支撑卸载15 mm；

工况11：所有支撑卸载20 mm；

工况12：所有支撑卸载20 mm，拆除37、54、55、72号临时支撑，拆除47、44、85、62、65、88、81、44号临时支撑；

工况13：剩余所有支撑卸载20 mm；

工况14：剩余所有支撑卸载20 mm，拆除45、46、63、64号临时支撑；

工况15：剩余所有支撑逐步卸载并拆除。

3.2.2 卸载控制

为了准确掌握钢屋盖系统主要构件及支撑的应力应变情况，在中心纵向桁架、扇形区域桁架、中心横向桁架、外圈受拉环的上弦、下弦、腹杆等部位共设置了14个应变测点。

卸载过程中采用临时支撑与主体结构相对变形作为控制变量，即以临时支撑上部支撑构件的切除量作为控制参数。结果表明，卸载过程中临时支撑与主体结构始终处于安全状态，构件最大应力为受压－126.5 MPa，受拉141.4 MPa，采用支撑构件的缩短量作为控制参数具有操作简单、可靠性好、卸载效率高的优点。

4 结语

1）采用温度调节法进行临时支撑卸载模拟，能够准确模拟卸载过程，真实展现临时支撑与主体结构由接触到脱开的典型力学特征。

2）采用温度调节法进行卸载分析，能够方便地实现分批多级卸载模拟，有助于提升卸载分级计算效率。

3）采用千斤顶行程法对临时支撑卸载进行控制，卸载过程与温度调节法的仿真模拟步骤相同，使卸载过程力学状态始终在可控范围内，保证卸载安全。

4）以千斤顶行程为控制参数开展卸载控制，具有操作简单、卸载效率高的优点，尤其适用于大规模临时支撑非同步分批多级卸载。