大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋落架過程數(shù)值模擬方法

大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋落架過程數(shù)值模擬方法

0分段拼裝、高空組裝或直接高空疏浚的施工方法在大跨度復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用在過去10年中，隨著中國(guó)建筑業(yè)的快速發(fā)展，不同的新方法和新技術(shù)被應(yīng)用于大型鋼結(jié)構(gòu)的建設(shè)。其中通過搭設(shè)臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu),采用分段拼裝、高空組裝或直接高空散裝的施工方法更是在一些大跨度復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用,如廣州新體育館、深圳會(huì)議展覽中心、國(guó)家大劇院等。與此同時(shí),人們對(duì)大跨度結(jié)構(gòu)在施工過程中表現(xiàn)出的諸多力學(xué)及技術(shù)問題愈來(lái)愈重視,其中一個(gè)重要的問題就是落架(拆撐)過程中主體結(jié)構(gòu)和臨時(shí)結(jié)構(gòu)的相互作用及其安全問題。1落架的結(jié)構(gòu)形式鋼結(jié)構(gòu)落架(拆撐)的準(zhǔn)確定義為:通過下沉臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)頂部的千斤頂,使主體結(jié)構(gòu)逐漸脫離支撐結(jié)構(gòu),最終進(jìn)入設(shè)計(jì)受力狀態(tài)的一個(gè)過程。簡(jiǎn)單來(lái)講,落架就是使結(jié)構(gòu)由被外力(臨時(shí)結(jié)構(gòu)提供)支撐的狀態(tài)變?yōu)橥耆科渥陨碇蔚臓顟B(tài),所以在有些文獻(xiàn)中又把落架稱為卸載,含義就是對(duì)臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的卸載,而對(duì)主體結(jié)構(gòu)來(lái)說是一個(gè)加載的過程。工程中常采用的臨時(shí)支撐的結(jié)構(gòu)形式可以大致分為獨(dú)立式支撐結(jié)構(gòu)和聯(lián)合式支撐結(jié)構(gòu),如圖1所示。廣州新體育館的施工中采用的是獨(dú)立式臨時(shí)支撐,而國(guó)家大劇院的施工中2種支撐形式都有。落架過程是主體結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐相互作用的一個(gè)復(fù)雜過程,是結(jié)構(gòu)受力逐漸轉(zhuǎn)移和內(nèi)力重分布的過程。臨時(shí)支撐是由承載狀態(tài)變?yōu)闊o(wú)載狀態(tài),而主體結(jié)構(gòu)則是由安裝狀態(tài)過渡到設(shè)計(jì)受力狀態(tài)。該過程中,影響結(jié)構(gòu)安全的因素很多,如支撐塔架的設(shè)計(jì)、落架方案的選取、落架過程的有效控制等均會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生很大影響,因此,落架是大型鋼結(jié)構(gòu)體系施工過程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),是施工力學(xué)中的一個(gè)重要內(nèi)容,所以對(duì)落架過程實(shí)施精確合理的數(shù)值模擬是至關(guān)重要的。2基本維護(hù)原則和維護(hù)方法2.1落架方案的確定原則(1)制定合理的落架方案,包括落架方式、落架順序及各支撐點(diǎn)下降的位移步長(zhǎng)(每步落架千斤頂?shù)奈灰葡鲁亮?。如第1節(jié)所述,臨時(shí)支撐的拆除是結(jié)構(gòu)受力體系轉(zhuǎn)變的過程。在落架過程中,下降其中一些支撐點(diǎn),相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)受力會(huì)明顯變小,但同時(shí)相鄰支撐點(diǎn)處的受力會(huì)變大,主體結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力也伴隨著這種變化而不斷改變。如果落架方案不合理,勢(shì)必造成臨時(shí)支撐局部受力過大或主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布不合理。落架方案的制定必須考慮結(jié)構(gòu)的受力特性(對(duì)稱性),保證各個(gè)支撐點(diǎn)每步的下沉量與主體結(jié)構(gòu)的變形相協(xié)調(diào)。另外,落架方案應(yīng)考慮實(shí)際的技術(shù)條件,使落架過程易于控制且安全可靠。(2)落架過程中應(yīng)保證主體結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移的變化是緩慢的。落架過程伴隨著主體結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐內(nèi)力和變形的不斷改變,緩慢的意義就是保證結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)平穩(wěn)過渡。如果支撐點(diǎn)下降太快,由此引入的動(dòng)力因素會(huì)造成結(jié)構(gòu)局部受力的不合理甚至破壞。(3)落架過程中應(yīng)保證主體結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力控制在彈性范圍內(nèi),同時(shí)保證內(nèi)力和位移的變化幅值控制在合理的范圍內(nèi),使它們不引發(fā)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞或失穩(wěn)。落架過程中,某些臨時(shí)支撐點(diǎn)的受力會(huì)較大,應(yīng)根據(jù)所制定的落架方案設(shè)計(jì)安全可靠的臨時(shí)支撐,同時(shí)針對(duì)所制定的落架方案進(jìn)行全過程跟蹤模擬分析,監(jiān)控主體結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移變化,驗(yàn)算是否滿足上述落架基本原則。2.2“同步”或“分層分步”落架方案的選擇應(yīng)遵循上述落架基本原則。理論上來(lái)講,如果按照主體結(jié)構(gòu)在各個(gè)支撐點(diǎn)處實(shí)際豎向位移的比例,同時(shí)下降所有臨時(shí)支撐點(diǎn),并保證下降過程緩慢進(jìn)行,則這種落架方式對(duì)于主體結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐來(lái)講都是最合理的,本文中稱之為“同步協(xié)調(diào)”的落架方式。所謂同步即指所有支撐點(diǎn)同時(shí)下降,協(xié)調(diào)的含義則是各個(gè)支撐點(diǎn)的下降位移比例與主體結(jié)構(gòu)落架完成后在各支撐點(diǎn)處的豎向位移比例相同。在實(shí)際工程中,臨時(shí)支撐點(diǎn)的數(shù)目往往很多(國(guó)家大劇院的臨時(shí)支撐點(diǎn)達(dá)446個(gè)),即使采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)同步控制技術(shù),也很難實(shí)現(xiàn)所有支撐點(diǎn)同時(shí)按比例下降。在這種情況下,為滿足落架的基本原則及要求,應(yīng)采用“分組分步”的落架方式。通過分組,總的臨時(shí)支撐點(diǎn)被分為幾個(gè)部分,從而可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)每組支撐點(diǎn)的同步控制,而分步則是為了實(shí)現(xiàn)落架過程的緩慢進(jìn)行,同時(shí)也保證支撐點(diǎn)在下降過程中不引起過大的不均勻內(nèi)力。采用分組分步的落架方式時(shí),落架順序(各組支撐點(diǎn)的下降順序)的選擇就變得極為重要。落架順序的選擇主要依據(jù)結(jié)構(gòu)形式及其支撐的布置方案視具體工程而定。3等效桿端位移法與千斤頂單元法選擇合理的數(shù)值計(jì)算方法是保證落架順利進(jìn)行的前提,傳統(tǒng)的做法是采用支座下移來(lái)模擬臨時(shí)支撐的卸載作用,在此基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的一種方法稱為等效桿端位移法。此外,一種新的方法是采用一種特殊的單元來(lái)模擬千斤頂?shù)淖饔?稱之為千斤頂單元法?，F(xiàn)詳述各種計(jì)算方法的原理和特點(diǎn)。3.1臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的計(jì)算建立計(jì)算模型時(shí),將臨時(shí)支撐直接替換為相應(yīng)的支座,即豎向約束,如圖2所示。計(jì)算時(shí)通過給各支座施加豎直向下的位移荷載來(lái)模擬實(shí)際中支撐結(jié)構(gòu)下降脫離主體結(jié)構(gòu)的過程。該方法特點(diǎn)是計(jì)算模型簡(jiǎn)單,無(wú)需在模型中建立臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)。計(jì)算中要跟蹤每步落架后臨時(shí)支撐對(duì)應(yīng)的支座反力方向的壓力或拉力。因?yàn)閷?shí)際中臨時(shí)支撐不能承受拉力,當(dāng)計(jì)算的支座反力為拉力時(shí),該支撐應(yīng)退出工作并人為地改變主體結(jié)構(gòu)的支座位移條件重新迭代計(jì)算。當(dāng)所有臨時(shí)支撐對(duì)應(yīng)的支座都去除時(shí),代表落架過程分析完成,但是采用支座位移法不能模擬落架過程中臨時(shí)支撐與主體結(jié)構(gòu)暫時(shí)脫離的現(xiàn)象。該方法另外一個(gè)很大的缺點(diǎn)就是無(wú)法模擬臨時(shí)支撐在落架過程中由于豎向壓力的變化引起的壓縮及回彈,因此,對(duì)于支座位移法的計(jì)算結(jié)果需要深入判斷分析,若無(wú)法得到合理結(jié)果應(yīng)選擇其他計(jì)算方法。3.2受拉單元模擬法該方法采用的是一種等效的思路,將各個(gè)獨(dú)立的臨時(shí)支撐塔架等效為具有相同軸向線剛度的彈性桿,同時(shí)該彈性桿采用只能受壓不能受拉的單元來(lái)模擬,通過彈性桿端支座下降的位移模擬支撐塔架頂端的下降,如圖3所示。該方法的特點(diǎn)是可以很好地考慮落架過程中支撐塔架由于軸向壓力的變化引起的壓縮和回彈,同時(shí)只壓不拉的單元特性可以準(zhǔn)確地模擬塔架在落架過程中可能與主體結(jié)構(gòu)脫離的現(xiàn)象。當(dāng)落架過程進(jìn)行到某一步時(shí),若所有彈性桿的軸向壓力變?yōu)?,說明整個(gè)落架過程完成。3.3千斤頂抗壓剛度計(jì)算方法以上2種方法都是對(duì)實(shí)際情況的一種簡(jiǎn)化模擬,在某些特殊情況下,需要采用更為精確的方法來(lái)模擬落架過程中主體結(jié)構(gòu)與臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的變化(內(nèi)力、變形),則一種合理的選擇就是采用千斤頂單元法,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)落架過程的高精確度模擬。所謂千斤頂單元法,就是在建立計(jì)算模型時(shí),將主體結(jié)構(gòu)與臨時(shí)結(jié)構(gòu)同時(shí)建立,在二者之間采用一種特殊的單元來(lái)模擬真實(shí)的千斤頂,本文中稱之為千斤頂單元。該單元具有如下特性:與普通的空間梁?jiǎn)卧愃?千斤頂每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。與梁?jiǎn)卧煌氖乔Ы镯攩卧?dú)有的軸向特性:軸向抗壓剛度EA-=∞;軸向抗拉剛度EA+=0;抗彎剛度EI為有限值,因此,千斤頂單元軸向特性為只能受壓,不能受拉,且受壓時(shí)表現(xiàn)為理想剛體,無(wú)壓縮變形。采用溫度控制千斤頂?shù)妮S向變形(冷凍法):設(shè)千斤頂初始長(zhǎng)度為l0,并設(shè)定千斤頂單元材料的線膨脹系數(shù)α=1/l0,則千斤頂?shù)呐蛎浱匦詾棣=αΔTl0=ΔT,即通過施加降溫荷載ΔT,可以使千斤頂降低相同量值的高度。千斤頂單元與主體結(jié)構(gòu)的連接:千斤頂?shù)南虏抗?jié)點(diǎn)與臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的頂部剛性連接,上部節(jié)點(diǎn)與主體結(jié)構(gòu)中的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)僅耦合豎向自由度,允許主體結(jié)構(gòu)在千斤頂頂面的水平面滑動(dòng)。千斤頂?shù)捻斏磫卧妮S向壓力。以上3種落架計(jì)算方法的適用范圍及計(jì)算精度見表1。落架過程中一般采用位移控制的方法,包括主體結(jié)構(gòu)的豎向位移和千斤頂?shù)男谐?。由于落架過程中臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)隨著支撐力的變化會(huì)出現(xiàn)壓縮和回彈現(xiàn)象,每一步結(jié)構(gòu)在支撐點(diǎn)處的實(shí)際豎向位移增量和千斤頂?shù)男谐淘隽慷加幸欢ú顒e,所以在實(shí)際施工中,為了操作簡(jiǎn)便,往往將千斤頂?shù)男谐套鳛槁浼苓^程的位移控制指標(biāo);但是在某些特殊情況下,需要根據(jù)主體結(jié)構(gòu)的豎向位移來(lái)控制落架的進(jìn)行,數(shù)值模擬時(shí)需要進(jìn)行迭代計(jì)算。以等效桿端位移法為例,具體的迭代算法流程如圖4所示。圖4中變量說明如下:Δ0ii0為某一落架步第i個(gè)支撐支座處豎向位移荷載初始值;Δi為第k步迭代時(shí),第i個(gè)支撐支座處豎向位移荷載修正值;UˉˉˉUˉi為某一落架步第i個(gè)支撐頂部主體結(jié)構(gòu)豎向位移控制值;Ui為第k步迭代時(shí),第i個(gè)支撐頂部主體結(jié)構(gòu)豎向位移計(jì)算值;εi為第k步迭代時(shí),第i個(gè)支撐頂部主體結(jié)構(gòu)豎向位移相對(duì)差值;εt為第k步迭代時(shí),主體結(jié)構(gòu)豎向位移整體相對(duì)差值;ε0為主體結(jié)構(gòu)豎向位移整體相對(duì)差容許值。4計(jì)算與分析4.13懸臂梁落架過程模擬分析如圖5所示的3點(diǎn)臨時(shí)支撐懸臂梁,截面為H型鋼,長(zhǎng)度L=15m。支撐塔架采用四肢鋼管格構(gòu)柱,截面尺寸為0.3m×0.3m,柱高為2.7m。3個(gè)支撐塔架分別位于懸臂梁L/3、2L/3和L處。采用“分組分步”的落架方式,千斤頂?shù)南陆淀樞驗(yàn)?→2→3,分10大步5小步完成,其中每個(gè)大步的5個(gè)小步分別為:千斤頂1下降U1/10→千斤頂2下降U2/20→千斤頂3下降U3/20→千斤頂2下降U2/20→千斤頂3下降U3/20。基于ANSYS有限元軟件,分別采用支座位移法、等效桿端位移法和千斤頂單元法對(duì)該懸臂梁的落架過程進(jìn)行模擬分析。分析過程僅考慮梁的自重作用,采用千斤頂?shù)男谐套鳛槁浼苓^程的位移控制指標(biāo)。3種計(jì)算方法得到的千斤頂軸向力(臨時(shí)結(jié)構(gòu)的支撐力)和懸臂梁彎矩的變化見圖6、7。圖6、7中落架進(jìn)度為落架步驟與總落架步數(shù)的比值,0代表落架初始狀態(tài),1.0代表落架完成狀態(tài)。由圖6可以看出,3種分析方法得到的千斤頂軸力均是振蕩變化的。對(duì)于等效桿端位移法和千斤頂單元法,振蕩的幅值隨著落架過程的進(jìn)行不斷減小,直至落架完成,3個(gè)千斤頂?shù)妮S力變?yōu)?,且二者的計(jì)算結(jié)果非常一致。支座位移法的計(jì)算結(jié)果與前兩者有很大差別,千斤頂軸力出現(xiàn)為正的情況。這是因?yàn)椴捎谩胺纸M分步”的落架方式時(shí),會(huì)出現(xiàn)某些臨時(shí)支撐與主體結(jié)構(gòu)暫時(shí)脫離的現(xiàn)象,體現(xiàn)在數(shù)值上就是某些千斤頂?shù)妮S力在落架完成前會(huì)出現(xiàn)為0的情況,如圖6(a)、(b)所示。等效桿端位移法和千斤頂單元法能夠模擬支撐塔架不能受拉這一特性,而支座位移法則無(wú)法模擬,從而導(dǎo)致不合理的結(jié)果。落架過程中懸臂梁彎矩的變化如圖7所示。由圖7可以看出,梁各點(diǎn)的彎矩也表現(xiàn)出振蕩變化的特征,這與千斤頂軸力的變化是對(duì)應(yīng)的。其中等效桿端位移法和千斤頂單元法的計(jì)算結(jié)果非常吻合,而支座位移法由于無(wú)法模擬支撐塔架與懸臂梁的暫時(shí)脫離,彎矩的振蕩幅值比前二者要大很多。4.2國(guó)家高爾夫球場(chǎng)落架分析綜合考慮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工技術(shù)、經(jīng)濟(jì)成本等各種因素,國(guó)家體育場(chǎng)采用設(shè)置臨時(shí)支撐、分段吊裝、高空拼接的施工方案。為此在施工區(qū)域內(nèi)分內(nèi)、中、外3圈布置78個(gè)支撐塔架,作為主桁架分段高空安裝的主要受力支點(diǎn)。支撐塔架設(shè)置在主桁架下弦交叉節(jié)點(diǎn)的位置,其中外圈和中圈各布置24個(gè)節(jié)點(diǎn),內(nèi)圈布置30個(gè)節(jié)點(diǎn),如圖8所示。具體安裝方案為分步安裝方案,即在臨時(shí)支撐落架前安裝主結(jié)構(gòu)(桁架柱、桁架梁)、立面次結(jié)構(gòu)和樓梯,落架完成后再安裝肩部和頂面次結(jié)構(gòu)。本文中亦是基于此方案進(jìn)行國(guó)家體育場(chǎng)的落架分析,其落架前的結(jié)構(gòu)模型如圖9所示。采用“同步協(xié)調(diào)”和“分組分步”2種落架方式來(lái)比較前述3種落架計(jì)算方法。其中“分組分步”的落架方式采用如下的落架順序:外圈下降1/10→中圈下降1/10→內(nèi)圈下降1/10,以此循環(huán)10次,共30步完成落架。采用千斤頂?shù)男谐套鳛槁浼苓^程的位移控制量,計(jì)算結(jié)果如圖10～12所示。圖10為落架過程中支撐點(diǎn)P處(圖8)的臨時(shí)結(jié)構(gòu)支撐力的變化(以壓為負(fù))。由圖10可以看出,當(dāng)采用“同步協(xié)調(diào)”的落架方式時(shí),3種計(jì)算方法得到的結(jié)果相同,即支撐力均是隨著落架的進(jìn)行線性減小直至落架過程完成時(shí)變?yōu)?;而采用“分組分步”的落架方式時(shí),等效桿端位移法和千斤頂單元法計(jì)算得到的結(jié)果相同,支撐力均呈現(xiàn)振蕩變化的特征,振蕩的峰值隨著落架的進(jìn)行不斷減小。另外,在這種落架方式下,一些臨時(shí)支撐會(huì)出現(xiàn)與主體結(jié)構(gòu)暫時(shí)脫離的現(xiàn)象,而支座位移法由于無(wú)法模擬這一情況而失效。支撐點(diǎn)P處主體結(jié)構(gòu)豎向位移的變化如圖11所示。由于采用千斤頂?shù)男谐套鳛槁浼芪灰撇介L(zhǎng)的控制指標(biāo),所以圖11中所示位移已包含臨時(shí)支撐由于軸力變化引起的壓縮和回彈。圖12為主桁架上某一點(diǎn)的等效應(yīng)力在落架過程中的變化。由圖12可以看出,在“同步協(xié)調(diào)”的落架方式下,應(yīng)力基本呈線性變化,只是在落架開始的幾步有所不同,這是因?yàn)閷?duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)來(lái)說,即使臨時(shí)支撐是同步協(xié)調(diào)下降的,主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部也存在一個(gè)內(nèi)力重分布的過程。在“分組分步”的落架方式下,內(nèi)力的變化趨勢(shì)與前者基本相同,只是出現(xiàn)小幅度的不規(guī)則變化。5種方法的對(duì)比本文中詳細(xì)闡述了落架過程中主體結(jié)構(gòu)與臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)之間的相互作用,并給出了落架需要遵循的3條基本原則。針對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的落架,提出了“同步協(xié)調(diào)”和“分組分步”2種落架方式。實(shí)際施工中由于支撐點(diǎn)