大跨结构单个临时支撑卸载的施工内力分析

饶晓文 郭容宽

(广西机电职业技术学院建筑工程系，广西南宁 530007)

近些年来，大跨结构得到了前所未有的飞速发展。随着各种新型复杂钢结构建设项目的增多，这种结构类型在施工中出现的事故也日益增多，分析已有的工程事故，我们不难发现，由于设计中未考虑施工过程诸多因素影响或对施工过程中复杂与突发情况未进行应有的受力分析而发生事故的不在少数，因此人们开始对大跨结构在施工过程中表现出的诸多力学及关键技术问题愈来愈重视。大跨度结构体系的施工不可能一次完成，形成最终的结构体系必须经历一个分阶段的施工过程。为了适应施工技术要求，有时不得不在施工过程中增加一些临时措施，如对未成型的结构体系施加临时支撑、临时约束等，待某些阶段的施工完成后再予以解除，即卸载。

1 临时支撑卸载的力学过程分析

拆除临时支撑的过程中，结构受力非常复杂，假设先不考虑临时支撑卸载的次序问题，就卸载本身这一力学过程而言，也是非常值得分析和研究的。以一个临时支撑的卸载过程来说应注意以下几点:1)作用的荷载，临时支撑的卸载过程是通过下调千斤顶来实现的，而且千斤顶在这一过程中是人为控制的;2)结构在卸载阶段的几何非线性效应，大跨空间结构一般高跨比比较小，在外荷载作用下常表现出强烈的几何非线性效应;3)临时支撑与上部结构的连接问题，两者在卸载结束前保持连接状态而在卸载结束后就会产生脱离，因此它们之间有一个非常复杂的相互作用，存在边界非线性问题;4)临时支撑与上部结构脱离之后，结构体系发生变化，内力重分配。

卸载这一力学过程应该属于非线性时变力学的研究范畴，这类问题的特点在于最后的力学状态不但取决于加载过程，同时还取决于分析对象几何域或物理参数的时变过程[1]。

2 分析对象

分析对象为一个两跨的连续梁，如图1所示。连续梁假设为上部永久结构，跨中竖向支座假设为临时支撑B，连续梁承受均布荷载q，设梁的长度L=14m。

3 分析模型

考虑采用目前实际工程卸载分析中普遍应用的两种模型，对单个临时支撑卸载的施工内力进行分析。这两种分析模型本文分别简称为反力替代时变模型、温度荷载时变模型。

3.1 反力替代时变模型

在分析中将所有的临时支撑撤掉并用该临时支撑点上的反力代替，通过使反力逐渐减小来模拟卸载过程，当反力减小为零时卸载完成，本文简称为反力替代时变模型。

3.2 温度荷载时变模型

将临时支撑定义为只压不拉单元(Link10)或者是采用只压不拉单元(Link10)定义临时支撑杆件和上部永久结构的连接，临时支撑杆件的卸载可以利用杆件承受温度荷载产生收缩来进行模拟，初始态上部结构与支撑接触，Link10单元受压处于工作状态，随着卸载的进程，结构成型，接触点与支撑脱离，Link10单元有受拉的趋势，单元退出工作即卸载完成，本文简称为温度荷载时变模型。

4 施工内力的有限元分析

4.1 ANSYS建模

模型A:连续梁定义为空间梁单元Beam4，跨中临时支撑杆件采用该点的竖向约束反力来替代;

模型B:连续梁定义为空间梁单元Beam4，临时支撑杆件定义为杆单元Link10，在模型中Link10是一个只压不拉单元。

4.2 加载

首先分别对模型A，B施加均布荷载q，完成之后才开始进入卸载阶段的求解。对模型A来说，可将该竖向约束去掉并施加一个随时间变化的荷载F(t)，F(t)随时间由F逐渐变化为零;对模型B来说，施加一个随时间变化的温度荷载T(t)，T(t)随时间由0逐渐变化为T。

4.2.1 卸载时间

在以下分析中假定卸载时间为120s和240s。

4.2.2 加载方式

模型A只选择线性方式加载，模型B分别选择线性、二次函数和阶跃函数三种加载方式。

4.3 卸载阶段的施工内力分析结果

4.3.1 假设卸载时间为120s

1)不同模型和加载方式下的支座A的反力分析结果如图2～图5所示。

对图2～图5进行分析，得到以下认识:

a.在线性加载方式下，两种模型支座A的反力变化曲线都呈现出了非线性的特点。b.线性加载方式下，模型A的分析结果与模型B的分析结果存在一定的差异。同样是采用线性加载方式，从模型A的计算结果来看，支座A的反力变化曲线呈上凸形，曲率很小，从模型B的计算结果来看，支座A的反力变化曲线呈上凹形，曲率相对要大一些，非线性效应更明显。c.对于模型B来说，线性加载方式下，反力的变化相对平稳，阶跃函数加载方式下，反力会出现突变，二次函数加载方式下，反力的变化曲线呈明显的上凹形，即开始比较平缓，然后斜率逐渐增大。

2)不同模型和加载方式下临时支撑B的反力分析结果如图6～图8所示。

对图6～图8进行分析，得到以下认识:

a.线性加载方式下，模型B临时支撑反力的变化并非线性变化，曲线呈下凸形。b.模型A的分析结果没有支撑B的反力变化曲线，但是根据模型A的特点，如果采用线性方式加载，则相当于支撑B的反力变化曲线是直线。c.对于模型B来说，线性加载方式下，反力的变化相对平稳，阶跃函数加载方式下，反力阶梯形下降，二次函数加载方式下，反力的变化曲线呈明显的下凸形，即开始比较平缓，然后斜率逐渐增大。

4.3.2 假设卸载时间为240s

对图9，图10进行分析，得到以下认识:

240s的分析结果与120s的分析结果非常接近，只是在整个时间轴上施工内力的变化曲线更平缓。

5 分析结果的讨论

1)即使是在线性加载方式下，内力的变化曲线依然呈现出非线性的特点，这充分说明了卸载过程是一个非线性时变的力学过程。

2)反力替代时变模型(模型A)的分析结果与温度荷载时变模型(模型B)的分析结果存在一定的差距，产生差异的原因主要有以下几个方面:首先模型A对结构进行了较大的简化，用反力来替代临时支撑;其次，从模型A本身的特点来说，模型A与模型B模拟卸载的过程中施加的荷载类型不同，对模型A来说施加的是力，而模型B施加的是位移，如果选择线性方式卸载，则模型A在分析中假设的是临时支撑与上部结构的相互作用力在卸载过程中线性减小，而模型B指的是临时支撑的下沉量是线性增加的，因此模型A施工内力变化曲线的形状与模型B的不同。

3)由温度荷载时变模型(模型B)的分析结果来看，线性加载方式下，内力的变化相对平稳，阶跃函数加载方式下，内力会出现突变，二次函数加载方式下，开始比较平缓，然后斜率逐渐增大，因此卸载过程中千斤顶应该尽量保持匀速下调，确保支撑结构上的荷载平顺地卸落到永久结构上。

4)假设不同的卸载时间对卸载过程进行模拟，可以看到最后的分析结果都非常接近，不同之处只是在整个时间轴上施工内力的变化曲线更平缓，这应该与非线性时变问题的性质有关，它与动力分析不同，不计入惯性力的影响，结构的位移不是时间的导数，只是在每一个时间增量改变时运算矩阵同时计入几何域和边界条件的变化，因此在正常的卸载时间范围内，卸载时间的长短对于内力的最大值、最小值以及整体变化趋势影响不大。

[1]曹志远.土木工程分析的施工力学和时变力学基础[J].土木工程学报，2001，34(3):41-46.

[2]伍小平，高振峰，李子旭.国家大剧院钢壳体安装中卸载方案分析[J].建筑施工，2005，27(6):6-8.