拆模工序对沈阳文化艺术中心音乐厅缓黏结预应力结构内力变形的影响

王 强马 玥王占飞侯 猛宋雪迪马 燚

（1.沈阳建筑大学土木工程学院，沈阳110168；2.大连海洋大学应用技术学院，大连116300；3.沈阳五里河建设发展有限公司，沈阳110016；4.沈阳市建设工程质量检测中心，沈阳110016）

拆模工序对沈阳文化艺术中心音乐厅缓黏结预应力结构内力变形的影响

王 强1，*马 玥1，2王占飞1侯 猛3宋雪迪1马 燚4

（1.沈阳建筑大学土木工程学院，沈阳110168；2.大连海洋大学应用技术学院，大连116300；3.沈阳五里河建设发展有限公司，沈阳110016；4.沈阳市建设工程质量检测中心，沈阳110016）

为了探明模架拆除对复杂大空间大悬挑结构内力及变形的影响，对沈阳文化艺术中心音乐厅结构进行施工阶段有限元分析。在分析中，考虑了混凝土、钢束等材料的时效性能，利用“生死技术”设计了4个拆模阶段、6种拆模方案，考察各拆模方案、拆模阶段对音乐厅结构变形、关键构件的混凝土及钢束的应力分布。分析结果表明：①虽然各方案模架拆除顺序不同，但最终状态下音乐厅的变形最大位移均出现在屋顶悬挑端部；②当拆除23.2 m悬挑区域模架时，对音乐厅结构的变形变化、混凝土应力分布以及钢束有效应力变化具有较大影响；③当拆除屋顶非悬挑区域模架时，方案一、方案三和方案五音乐厅悬挑端均出现向上翘曲的变形；④建议采用二、四或六拆模方案进行施工。

复杂空间结构，施工工序，有限元分析，内力，变形

1 引 言

随着我国经济的快速发展，建筑结构呈现出大空间化、复杂化的发展趋势，如国家体育馆“鸟巢”、国家大剧院、央视CCTV新台址主楼等。这不但使得建筑结构设计面临着巨大的挑战，同时对建筑结构施工也提出了更严格、更精密的要求。因为复杂结构从开始施工经过几何尺寸的时变性、材料性质的时变性、荷载状态的时变性、结构体系转换等过程，在各施工阶段结构的内力、变形累加，使得施工成型后的结构内力变形与设计的结构内力变形有较大差异［1-2］。为此，近年来在这类建筑的建设过程中，进行了施工阶段关键工序的施工优化分析及施工监测方面的研究工作［3-7］。

沈阳文化艺术中心主体结构是由1 800座综合剧场、500座多功能厅、1200座的音乐厅组成，总建筑面积89 000m2、建筑高度68.50m、复杂的大空间建筑。同时在该工程中，采用了缓黏结预应力混凝土新技术。该技术特点秉承了无黏结预应力结构施工简便易行的优点；缓黏结剂固化后，又具备有黏结预应力混凝土结构的传力机制，抗震性能优良［8］。但此项技术具有明显的时效性，即预应力钢束在张拉适用期期间，钢束与混凝土之间没有形成握裹力；张拉结束后，缓黏结剂逐渐固化形成一定强度，把钢束的有效应力传递给混凝土，形式有黏结预应力状态。为了提出音乐厅合理的拆模施工，指导施工作业，同时也为类似工程施工提供参考，本文对该工程音乐厅部分的关键施工工况即模架拆除阶段进行有限元分析。在分析中，考虑结构材料等的时效性及结构体系转化，详细划分4个拆模工序，提出6种拆模方案。

2 音乐厅结构

2.1 工程概况

音乐厅结构为竖向垒在综合剧场上的悬挑+悬挂不规则的混凝土复杂空间结构，横跨为55 m，纵跨为57 m，净高21 m，音乐厅向外悬挑出20多m［9］。音乐厅下部由23.2 m、25.6 m双层混凝土梁及结构板构成，上下两层梁通过两道1 300×3 900 mm环形大梁及短剪力墙连系在一起。屋面由坡屋面大空间预应力梁板构成。音乐厅底部与屋面之间在悬挑端部为3排500× 600 mm共16根混凝土柱构成，并在各层梁及柱利用缓粘结预应力钢束形成空间预应力结构体系。各层结构构件混凝土强度均为C50。主体结构的立面图、音乐厅23.2 m层及屋顶层平面图如图1所示。

2.2 拆模施工阶段划分

本研究中，对音乐厅模架拆除阶段的施工，进行了详细的拆模划分即拆屋顶悬挑模架、拆屋顶非悬挑模架、拆23.2 m悬挑模架和拆23.2 m非悬挑模架等四个阶段（区域见图1（b）和图1（c）），利用单元“生死”技术进行有限元分析，考虑拆模“先上后下，上下不交叉”的拆模原则，设置了如表1所示的6种拆模施工方案，考察各方案、各拆模工序对结构内力及变形的影响。

3 有限元模型的建立

3.1 模型概述

利用有限元软件Midas-GEN对沈阳文化艺术中心主体结构建立有限元模型，如图2所示。各构件截面尺寸按照工程设计文件建立模型，楼面和屋面板采用板单元，结构中的梁与柱采用梁单元，剪力墙采用板单元，单元数为24 039。音乐厅结构联系23.2 m、25.6 m双层混凝土梁的1 300 mm×3 900 mm环形大梁起到一层托两层的作用，建模时环梁与两层各梁之间设置成刚臂连接，如图3所示。

本工程音乐厅结构采用C50混凝土、低松弛缓粘结预应力钢束等材料。分析中混凝土的弹性模量、抗压强度根据混凝土设计规范规定取值，强度和弹性模量随时间的依存特性（即时效性）根据欧洲混凝土规范CEB-FIP规定进行设置，混凝土收缩徐变系数参考《我国公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（GJIGD62—2004）进行设置［10］。缓粘结预应力钢束的设置如下：后张法施工，预应力钢绞线抗拉强度标准值取1 860 MPa，低松弛钢绞线其松弛系数取0.3，预应力钢筋与管道壁的摩擦系数取0.3，管道每米局部偏差的摩擦影响系数取0.004，粘结类型取无黏结［11］。

3.2 边界条件及临时支撑体系的设置

根据工程设计意图，在有限元模型底部采用完全固定的边界条件，并利用边界生死技术模拟音乐厅部分支模和拆模等临时支撑的结构体系变化。分析中，主要是对音乐厅拆模阶段进行详细的划分，共设计了4个拆模施工过程。临时支撑采用弹性节点支撑形式，支撑线刚度及自重等的设置参考施工单位模架布置方案计算求得。在模架拆除阶段利用钝化对应节点弹性支撑及模架自重模拟该阶段模架拆除施工。

图1 沈阳文化艺术中心音乐厅结构概况图Fig.1 Shenyang culture art center concert hall structure sketch

表1 六种拆模施工方案施工阶段对应表Table 1 Construction phase of six stripping construction plans

图2 有限元分析模型Fig.2 Finite elementmodel

图3 环梁与23.2 m、25.6 m层各梁之间刚臂设置Fig.3 The rigid wall set between the circling beam and beams on the floor at 23.2 meter and 25.6 meter

3.3 荷载设置

在荷载设置方面根据《建筑施工模板安全技术规范》（JGJ 162—2008）［12］，主要考虑了结构自重、模架自重、预应力荷载及施工临时荷载。模架重量的计算参考施工单位提供的各层模架用材料总重量，除以该层面积求得支撑屋顶模架面荷载为2.0 kN/m2、支撑23.2 m层模架面荷载为4.3 kN/m2。

4 分析结果

由于篇幅有限，对上述6个施工方案有限元模型最终成型状态下典型位置的变形，各施工阶段变形变化，典型梁混凝土上下缘及缓黏结预应力钢束有效应力分布进行对比分析。

4.1 各施工方案变形分析

音乐厅结构6种施工方案最终状态下的变形，取23.2 m层悬挑端A点、跨中B点，屋顶悬挑端C点、跨中D点（图1）部位竖向位移进行对比，结果如表2所示。同时表2也给出了实际模架拆除完毕四个测点的最终变形。由表2可知，最终状态下音乐厅的变形无论哪种施工方案最大变形均出现在C点即屋顶悬挑端部，然后依次是A点、D点和B点。另外，无论哪种施工方案变形均大于实际监测结果，说明结构施工完成后的刚度大于设计刚度。

为了进一步考察6种施工方案、各拆模工况对结构变形的影响。取上述4个测点，各施工方案下4个拆模阶段变形如图4所示。横坐标表示工况顺序（每个施工方案的工况顺序如表1所示），纵坐标表示各阶段拆模完成后的竖向变形。

由图4可以看出，虽然各方案模架拆除顺序不同，但当拆除23.2 m悬挑区域模架时，A、C两点的竖向变形变化达到了40 mm以上。各方案中，当拆除本层非悬挑区域模架时B、D两点的竖向变形变化最大，达到10 mm左右。同时发现，当拆除屋顶非悬挑区域模架时，方案一（图4（a））、方案三（图4（c））和方案五（图4（e））A、C两点有向上翘曲趋势，最大翘曲达4 mm（图4（e））。施工中，随着拆模的完成，结构逐渐下沉，在某个拆模阶段结构向上翘曲，相关构件截面应力将会由拉（或压）转变成压（或拉），应力重分布较快，不利于之后模架的拆除。因此，建议本工程采用方案二、四或六进行拆模施工，而本工程最终采取第四种施工方案。

表2 各拆模施工方案最终完成阶段各测点的竖向变形Table 2 Vertical deformation of different measuring points in the final phase of six stripping construction p lans

4.2 典型混凝土梁上下缘应力分析

音乐厅结构随各拆模阶段混凝土内力变化情况，以23.2 m层8号梁（图1）为例进行说明。图5表示各施工方案4个拆模阶段8号梁混凝土上缘应力沿梁长分布，图6是8号梁混凝土下缘应力沿梁长分布。横坐标表示梁长方向，纵坐标为混凝土应力，纵坐标正方向表示受拉，负方向表示受压。

由图5可知，各施工方案无论拆模顺序如何变化，拆除23.2 m层悬挑区域模架，8号梁混凝土上缘应力变化最大，应力由原来的受拉（或受压）转为受压（或受拉），其他模架拆除时相对影响较小。在模架完全拆除后，8号梁混凝土上缘应力绝大部分处于受压状态，应力值大小在3 MPa范围内。同样由图6可知，拆除23.2 m层悬挑区域模架，8号梁混凝土下缘应力变化最大，其他阶段影响较小。在模架完全拆除完后，8号梁混凝土下缘应力大部分处于受拉状态，应力值大小在2 MPa范围内，小于混凝土的抗拉强度2.64 MPa，混凝土不开裂。实际模架拆除完毕，8号梁跨中上下缘测得混凝土的应力：上翼缘-6.49 MPa，下缘+1.77 MPa。受力状态与有限元分析结果一致，但离散性较大。这主要是由于音乐厅模架拆除是在3月中旬到4月中旬完成，经历时间较长，温度变化大，监测的数据受温度变化影响所致。

图4 各方案4个拆模阶段对音乐厅典型部位的变形Fig.4 Deformation of typical positions in concert hall in 4 stripping phases in all construction plans

图5 各方案4个拆模阶段音乐厅8号梁混凝土上翼缘应力Fig.5 The upper flange stress on No.8 beam of concert hall in 4 stripping phases of all construction plans

4.3 缓粘结钢绞线有效应力

由于混凝土收缩徐变，钢束松弛等因素，预应力结构有效应力在预应力钢束张拉结束后，随着时间的变化，有效应力逐渐减少。本文考察了该工程缓黏结预应力钢束在拆模过程中有效应力分布变化情况。图7表示各方案4个拆模阶段音乐厅8号梁钢束有效应力沿钢束长度的分布。由图7可知，无论施工方案拆模顺序如何，随着各拆模阶段依次完成，钢束有效应力略有增加，拆除23.2 m悬挑区域模架时，钢束有效应力的增加幅度较大，增加比较明显的区段在钢束5~17 m之间。

5 结 论

（1）虽然各方案拆模顺序不同，最终状态下音乐厅最大位移均出现在C点即屋顶悬挑端部。当拆除23.2m悬挑区域模架时，A、C两点的变形变化最大；当拆除本层非悬挑区域模架时B、D的变形变化最大。

（2）各拆模方案最后状态下的8号梁混凝土上缘均受压，下缘均受拉，拉力小于混凝土抗拉强度。拆除23.2 m悬挑区域模架对混凝土应力分布影响最大。模架完全拆除时的实测结果与理论分析结构受力状态一致，但离散性较大。

图6 各方案4个拆模阶段音乐厅8号梁混凝土下翼缘应力Fig.6 The below flange stress on No.8 beam of concert hall in 4 stripping phases of all construction plans

图7 各方案4个拆模阶段对8号梁预应力钢束有效应力沿梁长分布Fig.7 Stress distribution of the pre-tensioned cable in No.8 beam in 4 stripping phases of all construction plans

（3）随着各拆模阶段依次完成，各施工方案钢束有效应力均略有增加，拆除23.2 m悬挑区域模架时，对钢束有效应力影响最大。建议施工单位拆除23.2 m悬挑端区域模架时密切关注音乐厅结构的变形及内力的监测。

（4）当拆除屋顶非悬挑区域模架时，方案一、方案三和方案五A、C两点有向上翘曲的变形，建议采用拆模方案二、四或六进行施工。

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The Form Removal Effect on the Internal Force and Deformation of Shenyang Culture Art Center Concert Hall w ith Bond-retarded Pre-stressed Structure

WANG Qiang1，*MA Yue1，2WANG Zhanfei1HOU Meng3SONG Xuedi1MA Yi4
（1.School of Civil Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China；2.Applied Technology College of Dalian Ocean University，Dalian 116300，China；3.Shenyang Wulihe construction development co.，LTD，Shenyang 110016，China；4.Shenyang construction testing center，Shenyang 110015，China）

In order to ascertain the effect of form removal on the internal force and deformation of complex large space and long cantilever structure，finite element analysis of the concert hall structure of Shenyang culture art center is carried out.In the analysis，the temporal effectiveness ofmaterials such as concrete and steel cableis considered，four stripping construction process and six stripping construction plans are designed in the usage of“life and death technology”.The result indicates as follows 1）Themaximum displacement of the concert hall all eventually occurred at the cantilever of the roof regardless of the order of form removal in different plans；2）Stripping cantilever formwork at23.2meter has greateffecton the deformation，distribution stress of concrete and effective stress of steel cable of concert hall；3）The upward deformation occurred at the cantilever of concert hall while stripping roof non-cantilever formwork in plan 1，plan 3 and plan 5；4）It is recommended that plan2（or plan4 and plan 6）in the construction.

Complex space structure，Form removal，Finite element analysis，Internal force，Deformation

2014-09-01

国家自然科学基金（51178279）*联系作者，Email：wangqiangsy@163.com