還文超

(江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(蘇州科技大學(xué))，江蘇蘇州215011)

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湖州華潤(rùn)萬(wàn)家購(gòu)物中心雙側(cè)懸挑大跨鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐卸載模擬分析

還文超

(江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(蘇州科技大學(xué))，江蘇蘇州215011)

摘要：以湖州華潤(rùn)萬(wàn)家購(gòu)物中心為工程背景，在其東側(cè)雙懸挑鋼結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程中，利用鋼弦式應(yīng)變計(jì)對(duì)懸挑結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)施工監(jiān)測(cè)。同時(shí)，利用有限元軟件Midas/Gen對(duì)卸載過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)支撐卸載順序合理，懸挑結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中應(yīng)力變化均在允許范圍內(nèi)，即整個(gè)施工過(guò)程是安全的。

關(guān)鍵詞：雙側(cè)懸挑結(jié)構(gòu);胎架;卸載;數(shù)值模擬;應(yīng)力

0引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，傳統(tǒng)的建筑形式已不能滿足當(dāng)前大眾的需求，大跨懸挑結(jié)構(gòu)以其獨(dú)特的建筑造型、開(kāi)敞的空間被廣泛應(yīng)用于各種大型公共建筑[1]。由于大跨懸挑鋼結(jié)構(gòu)形式的多樣化、復(fù)雜化，造成施工階段結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜性和可變性。運(yùn)用仿真技術(shù)，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工模擬具有十分重要的意義[2]。

施工模擬是按施工工序，在相應(yīng)的時(shí)間激活相應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件及荷載，實(shí)現(xiàn)逐步加載的過(guò)程。在施工過(guò)程中，卸載和加載是一個(gè)逐步增加約束和荷載的過(guò)程，結(jié)構(gòu)約束和荷載的增加順序?qū)κ┕ず奢d作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化有重要影響[3-4]。

在大跨懸挑鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，通常會(huì)設(shè)置臨時(shí)支撐來(lái)保證結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定，施工完成后再行拆除，而臨時(shí)支撐拆除方案對(duì)結(jié)構(gòu)受力有較大影響。

1工程概況

湖州華潤(rùn)萬(wàn)家購(gòu)物中心結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜獨(dú)特，為多支撐大懸挑、大跨度的復(fù)雜空間組合結(jié)構(gòu)，其東側(cè)立面成“T”型，南北雙側(cè)懸挑，B-A至B-B和B-C至B-D軸3～4層為懸挑結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)支撐作為懸挑端梁、柱規(guī)則分布于樓層之間，懸挑平面尺寸為12.075 m×46.146 m，底層為無(wú)支撐開(kāi)敞空間，跨度為34.246 m，如圖1所示。

圖1　華潤(rùn)萬(wàn)家購(gòu)物中心效果圖

2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是多種學(xué)科理論和技術(shù)的結(jié)合，涉及結(jié)構(gòu)力學(xué)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)(數(shù)據(jù)采集、處理、儲(chǔ)存)、傳感器技術(shù)以及數(shù)值分析等。懸挑結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的測(cè)量系統(tǒng)主要由鋼弦式應(yīng)變計(jì)組成，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由集線器、頻率讀數(shù)儀和計(jì)算機(jī)組成，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)及相關(guān)處理軟件組成[5]。

2.2監(jiān)測(cè)方案

1)監(jiān)測(cè)內(nèi)容。懸挑鋼結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中主要是對(duì)關(guān)鍵鋼桿件、節(jié)點(diǎn)應(yīng)變的監(jiān)測(cè)。

2)測(cè)點(diǎn)布設(shè)。結(jié)合設(shè)計(jì)方要求，根據(jù)雙側(cè)懸挑結(jié)構(gòu)的受力特性，按懸挑結(jié)構(gòu)桿件受力最大原則，選取35處關(guān)鍵鋼桿件和節(jié)點(diǎn)，布設(shè)了35個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中懸挑桁架上布設(shè)10個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖2)。

(a)B-A軸線懸挑桁架測(cè)點(diǎn)布設(shè)　　　　　　　　　　　　　(b)B-D軸線懸挑桁架測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖2　雙側(cè)懸挑桁架測(cè)點(diǎn)布設(shè)

3施工過(guò)程監(jiān)測(cè)流程

為了方便施工及保障安全，施工過(guò)程中共布置24個(gè)胎架。其中，在2層樓板下布置12個(gè)胎架，胎架高度5.7 m,3層樓板下布置12個(gè)胎架，胎架高度11.9 m.胎架布置平面位置和編號(hào)如圖3、圖4所示。

圖3　2層樓板胎架圖

圖4　3層樓板胎架圖

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)胎架連接情況進(jìn)行了勘察，發(fā)現(xiàn)位于同一軸線的3層胎架3、4、5、6未與結(jié)構(gòu)主體連接，2層胎架17由于施工原因已被施工方拆除，因而，實(shí)際參加工作的只有19個(gè)臨時(shí)胎架。

3.1卸載階段

臨時(shí)支撐卸載原則：①結(jié)構(gòu)受力逐步由臨時(shí)支撐向懸挑結(jié)構(gòu)主體過(guò)渡，懸挑結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，應(yīng)保證內(nèi)力和變形緩慢平穩(wěn)地變化；②懸挑鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)在彈性范圍內(nèi)變化并緩慢趨于設(shè)計(jì)受力狀態(tài)，避免懸挑端部撓度超過(guò)規(guī)定限值，桿件發(fā)生強(qiáng)度破壞；③臨時(shí)支撐拆除方案應(yīng)合理可靠，便于控制和操作；④在滿足上述條件后，胎架的卸載步應(yīng)該盡可能少，每次卸載步位移量應(yīng)盡可能大[6]。

懸挑結(jié)構(gòu)的落架方法是采用“分組分步”的拆撐方法，按“先跨中，再支座，最后懸挑”的順序，將所有支撐(起作用的19個(gè)胎架)分為7組，同時(shí)將整個(gè)卸載過(guò)程分為7個(gè)施工工序，即：①將胎架9、13、16分為1組，拆除該組胎架記為工況CS1；②將胎架10、11、12分為1組，拆除該組胎架記為工況CS2；③將胎架14、15、18分為1組，拆除該組胎架記為工況CS3；④將胎架19、20分為1組，拆除該組胎架記為工況CS4；⑤將胎架21、22、23、24分為1組，拆除該組胎架記為工況CS5；⑥將胎架7、8分為1組，拆除該組胎架記為工況CS6；⑦將胎架1、2分為1組，拆除該組胎架記為工況CS7。

3.2加載階段

懸挑結(jié)構(gòu)的加載階段主要包括屋面混凝土、4樓樓面混凝土和3樓樓面混凝土的澆筑過(guò)程。樓面混凝土澆筑采用的是壓型鋼板組合樓板的施工方案，用混凝土汽車(chē)泵進(jìn)行樓面混凝土的澆筑，屋面樓板混凝土澆筑的厚度為150 mm外，4層樓面澆筑的厚度除外走廊B-13軸線至B-14軸線為120 mm外,其余均為150 mm，3樓樓面與4樓樓面澆筑厚度相同，2樓樓面在胎架未拆除時(shí)已澆筑成型。

懸挑結(jié)構(gòu)加載階段監(jiān)測(cè)試驗(yàn)分為3個(gè)施工工序：①澆筑屋面混凝土，記為工況CS8；②澆筑4樓樓面混凝土，記為工況CS9；③澆筑3樓樓面混凝土，記為工況CS10。

4施工過(guò)程數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比分析

4.1卸載過(guò)程

利用Midas/Gen有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，采取等效桿端位移法，懸挑結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧?，臨時(shí)胎架用彈性桿模擬，通過(guò)彈性桿向下的位移來(lái)模擬卸載過(guò)程[7]。工況CS7卸載后結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖5。

圖5　卸載后結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖(工況CS7)

4.2加載階段

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工澆筑混凝土厚度，進(jìn)行施工模擬樓面荷載取值。屋面實(shí)際澆筑混凝土板厚為150 mm，樓面恒載取值為3.75 kN/m2，對(duì)應(yīng)工況CS8；4層、3層樓面與屋面澆筑厚度相同，樓面恒載均取3.75 kN/m2；2層混凝土在胎架拆除前已澆筑，除走廊樓面采用120 mm厚的板外，其余板厚均為150 mm；走廊部分樓面恒荷載取為3.00 kN/m2，其余樓面恒荷載為3.75 kN/m2。監(jiān)測(cè)過(guò)程中并不考慮活荷載、風(fēng)荷載的作用。工況CS10加載完成時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖6。

圖6　加載完成時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖(工況CS10)

4.3模擬應(yīng)力與實(shí)測(cè)應(yīng)力對(duì)比

根據(jù)鋼弦式應(yīng)變計(jì)的原理，只能測(cè)得測(cè)點(diǎn)每個(gè)工況的應(yīng)力增量，而結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力未知，文中將CS0近似對(duì)應(yīng)為零應(yīng)力狀態(tài)，這對(duì)研究測(cè)點(diǎn)各個(gè)工況應(yīng)力變化趨勢(shì)是非常有意義的。本文選取懸挑結(jié)構(gòu)雙側(cè)懸挑桁架上的斜腹桿和下弦桿的應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比分析,如圖7～10。

圖7　懸挑桁架B-A軸斜腹桿

圖8　懸挑桁架B-A軸下弦桿

圖9　懸挑桁架B-D軸斜腹桿

圖10　懸挑桁架B-D軸下弦桿

將懸挑端關(guān)鍵桿件實(shí)測(cè)值與仿真計(jì)算值比較，得到以下結(jié)論：

1)根據(jù)數(shù)值模擬懸挑鋼結(jié)構(gòu)卸載及加載過(guò)程，可以看出卸載前、加載后桿件拉應(yīng)力最大值分別為9.9、44 MPa;壓應(yīng)力最大值分別為-10.5、-49.6 MPa。

2)將懸挑端關(guān)鍵桿件應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算分析數(shù)據(jù)對(duì)比可知，二者比較接近，應(yīng)力變化趨勢(shì)與計(jì)算相符，監(jiān)測(cè)值與理論值間的最大應(yīng)力誤差為13.9 MPa，誤差較小，說(shuō)明仿真計(jì)算的方法可行，能夠有效反映結(jié)構(gòu)的卸載及加載過(guò)程。

3)通過(guò)對(duì)關(guān)鍵桿件的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠有效監(jiān)測(cè)桿件應(yīng)力在卸載及加載過(guò)程中的變化幅值，通過(guò)與卸載前的應(yīng)力計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，可以判斷加載以后桿件應(yīng)力遠(yuǎn)未達(dá)到鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

5結(jié)論

施工監(jiān)測(cè)過(guò)程為臨時(shí)支撐體系卸載階段及樓面混凝土澆筑加載階段，在前期卸載階段，桿件應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢，由此表明卸載過(guò)程是一個(gè)平穩(wěn)緩慢的內(nèi)力重分布過(guò)程，本文的卸載方案是合理的。加載后，桿件應(yīng)力變化幅度不大，應(yīng)力最大值僅為-38.2 MPa，而理論最大值為-49.6 MPa,均遠(yuǎn)小于鋼材允許應(yīng)力，結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化都在允許范圍內(nèi)，施工過(guò)程安全可靠。

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責(zé)任編輯：唐海燕

Simulation Analysis of the Temporary Supports Unloading of the Double Cantilever Large Span Steel Structure of the Vanguard Shopping Center in Huzhou

HUAN Wenchao

(Key Laboratory of Structure Engineering in Jiangsu Province,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215011)

Abstract：In the Huzhou Vanguard shopping center project,steel-string type strain gauge was used for real-time construction monitoring on the cantilever structure during the construction of its east double cantilever large span steel structure.At the same time,the finite element software Midas/Gen was used to simulate the unloading process.A comparison of measured and simulated values showed that the order of demolishing temporary supports discussed was reasonable.Cantilever structure stress changes during the construction process were within the allowable range,which proved the entire construction process was safe.

Key words：bilateral cantilever structure;jig;unloading;numerical simulation;stress

doi:10.3969/j.issn.1671- 0436.2016.02.004

收稿日期：2016- 01-19

作者簡(jiǎn)介：還文超(1990—)，男，碩士研究生。

中圖分類(lèi)號(hào)：TU313.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671- 0436(2016)02- 0016- 04