复杂环形内悬空空间网格结构施工卸载优化

王小庆，邢耀安，李孝泽，蔡向东，程选生

（1.中铁二十一局集团第二工程有限公司，兰州 730030；2.兰州理工大学土木工程学院，兰州 730050）

0 引言

随着社会经济的不断发展和人类需求的提高，在一些大型复杂的建筑中，人类采用复杂环形内悬空分段错位的结构形式。由于环形内悬空分段错位钢结构的成型和受力情况与普通钢结构的巨大差异，不能盲目采用现有的拆卸技术。文中通过有限元软件对复杂环形内悬空空间网格结构进行了施工仿真分析,拟定了4 种卸载方法，综合对比分析了4 种施工卸载方法的优劣，选取最优的施工方法,保证了施工过程的安全性。

在拆撑过程中要尽量保证主体结构与支撑体系内力缓慢均匀变化，最终使参与受力的杆件在弹性范围内进行调整而逐渐趋近设计状态，不允许结构构件出现永久变形[1]。拆撑过程对于主体结构来讲是加载过程，而对于临时支撑来讲是卸载过程[2]。喻永声[3]结合实际工程的施工，采用多重子结构矩阵位移法分析了不同施工因素对结构的影响，研究结果表明施工过程对结构内力的影响不容忽视。史洪泉[4]按照结构和支撑胎架卸载过程中受力最优、卸载最快的原则设计出对卸载路径进行目标优化的分析法。伍小平等[5]结合国家大剧院工程实例通过多次计算比较分析,最终确立了一条安全、有效的卸载技术路线。崔晓强等[6]针对大型空间钢结构中采用复杂临时支撑时如何在计算分析中对其简化处理进行了研究，详细分析了不同的临时支撑体系的作用机理及其等效方法。2006 年，崔晓强等[7]利用ANSYS 软件中的生死单元技术进行模拟来实现大跨度钢结构施工全过程的跟踪分析。刘学军等[8]依托实际工程按照施工方法，确定拆除临时支承的卸载方案一通过控制临时支承的千斤顶行程来实现临时支撑的逐步卸载。邹昕[9]采用有限元分析理论,对大跨度空间结构的卸载施工过程进行计算机模拟计算分析,并把卸载时主体构件或临时支撑结构的内力变化分为突变型和直线型两种变化形式。王秀丽等[10]结合实际工程应用ANSYS 有限元软件分析其卸载过程，并与实测数据对比分析，得出其关键杆件的内力相对其卸载前的应力变化不大，且所有杆件的应力随卸载过程的进行变化都比较平缓。金砺[11]结合实际工程，详细分析了结构卸载阶段、温度作用对结构内力变化的影响，得出卸载的应力变化占整个施工阶段应力变化的比例最大。王永平[12]对针对临时支撑卸载过程结构的受力特点，结合卸载过程模拟计算方法，提出了综合预警评估方法。

对于大型空间钢结构的整个建造过程的研究属施工力学的内容，国内对此的研究也较多，但多是结合具体工程实例采用有限元技术模拟施工全过程所得出的理论与施工技术。文中借助有限元软件进行三维数值仿真，对4 种方法进行了施工卸载模拟，得到了4 种方法下结构的变形变化数据图、结构受力变化数据图和临时支撑受力变化数据图，综合对比分析了4 种施工卸载方法的优劣，选取最优的施工方法。其相应的分析过程和分析结果都能为类似结构的安全卸载施工提供相关指导和借鉴。

1 复杂环形悬空空间网格结构卸载方案

图1 卸载图

1.1 计算模型

文中利用有限元软件MIDAS GEN 对A2 区域悬空钢结构进行施工过程模拟。通过计算得到临时受压节点弹性支承刚度近似为39063kN/m。

研究基于线弹性分析，钢材未进入塑性屈服阶段，钢材的典型应力应变曲线如图2 所示。

图2 钢材本构关系

边界条件：屋面横梁与桁架柱节点为铰接，大跨底层横梁与桁架柱节点为铰接。竖向支承体系与基础面连接节点为刚接，采用一般支承。

荷载定义：在模拟卸载的过程中，只考虑结构自重对卸载过程的影响，考虑1.3 倍的结构自重。

有限元模型中，所有杆件均采用梁单元模拟。整体模型中梁单元共9897个，总共有3622个节点。整体模型如图3 所示。

图3 整体模型图

1.2 卸载方案的提出

文中利用MIDAS GEN 拟定对A2 区进行一次性卸载，其初始的竖向位移云图和A2 区一次性卸载结构竖向位移云图如图4、图5 所示。

由图4 和图5 可知，A2 区域卸载过程中的内力重分布对整体结构的影响。通过对A2 区域15个轴的外环外侧节点的初始位移和最终位移的数据进行差值分析，得到了该15个节点卸载过程中的真实位移，如图6 所示。

2)把时间序列类Xp1和Xq1包含的所有时间序列合为一个时间序列类，其他时间序列类不变，计算距离矩阵，记为D2，令Dp2,q2=min(D2)；

图4 整体结构的竖向位移云图

图5 A2 区一次性卸载结构竖向位移云图

图6 外环外侧节点真实位移

由图6 可知，A2 区卸载过程中最大的位移不超过12mm。文中采用整体分组分部的卸载原则，按照轴线划分为小组，结合临时支撑布置情况，拟提出以下4种卸载方案：方案1：逆时针卸载；方案2：顺时针卸载；方案3：内至外卸载；方案4：外至内卸载，每次卸载均同步拆除所在轴线的临时支撑。

2 卸载方案的优选

按照以上的4 种卸载顺序，采用MIDAS GEN 对4 种卸载方案进行模拟分析。结构变形的考虑主要针对外环部分。外环31个节点中选取9a轴、10c轴和10g轴3个点进行分析。在各个卸载方案下，观察A2 区域所有杆件在卸载过程中应力的变化动态以及卸载过程A2 区域的主体支撑的总反力值变化动态。分析卸载过程中的临时支撑的最大支撑反力和整体临时支撑的总反力值，判定卸载过程中的临时支撑受力稳定。

2.1 结构变形情况对比

由图7 可知，节点933 在4 种不同的卸载方案下，逆时针卸载和外至内卸载的变化集中在了后十个工程步，出现工程步越往后推，位移增量越大的现象。顺时针卸载和内至外卸载的曲线整体表现得更为平稳，尤其是内至外卸载，所有工程步几乎都参与到了卸载过程中，而顺时针卸载的效应则集中在了中间的工程步，部分首尾工程步不参与到卸载过程中。

图7 Z 向累计位移图

节点1320 在4 种不同卸载方案下，外至内卸载的变化集中在后十个工程步，出现工程步越往后推，位移增量越大的现象。顺时针卸载和逆时针卸载的效应则集中在了中间的工程步。而内至外卸载方案的所有工程步几乎都参与到了卸载过程中。

节点1406 在4 种不同的卸载方案下，外至内卸载的变化集中在后十个工程步，出现工程步越往后推，位移增量越大的现象。顺时针卸载和逆时针卸载的效应集中在了中间的工程步。而外至内卸载过程中前四步工程步几乎不参与工作，相比而言，内至外卸载方案的工程步之间的增量相对稳定。

综合考虑节点Z 向的累计位移图，结合3个节点各自代表区域的位移动态，在内至外卸载方案下，A2区域的卸载表现出更为平稳的Z 向变形协调。

2.2 结构受力情况对比

文中分析A2 区域最大应力变化动态和A2 区域结构的杆件在卸载过程中的内力重分布情况。不同卸载方案下，A2 区域的最大正应力和最大负应力均出现在结构的左右两侧的固端的竖杆或斜杆，其对应工程步的应力曲线如图8 所示。

图8 应力累计图

顺时针卸载和内至外卸载方案下，A2 区域的最大正应力变化曲线较逆时针卸载和内至外卸载方案更平稳。逆时针卸载的五个初始工程步对结构的正应力几乎无影响，后九个过程步的应力变化相对平稳。外至内卸载前期的工作步十分稳定，但后期的工作步表现出了正应力剧增的现象。进一步对比分析顺时针卸载和内至外卸载，两者之间的差距较小，顺时针卸载下，结构的正应力的增量在前期工程步大，后期工程步小。内至外卸载下整体的内力重分布出现在中期，相对平稳。

对于结构负应力的变化，内至外卸载过程内力重分布均衡。逆时针卸载和外至内卸载的曲线表现总体一致，结构受力变化不平稳。逆时针卸载的曲线内力重分布的效应集中发生在中间工程步。从结构的负应力变化曲线看，内至外卸载最优。

综合结构的正应力和负应力变化曲线，内至外卸载最优，结构的杆件受力变换均衡。为了进一步分析不同方案下的内力重分布情况，收集了A2 区主要部分的固端总反力值，如图9 所示。

图9 固端总反力图

由图9 可知，外至内卸载的效果最差，主体支承体系的受力转变不均匀。逆时针卸载方案下，其特征与外至内卸载类似。顺时针卸载和逆时针卸载的曲线几乎一致，曲线整体贴近直线，表明卸载过程中，固端总反力值的增量趋于稳定，主体支承体系的受力转变均匀。综合考虑结构在卸载过程中，所有杆件最大应力值的变化和固端总反力的变化，内至外卸载方案下，主体结构表现出更为稳定的内力重分布。

2.3 临时支撑受力情况对比

临时支撑受力变化的稳定是结构成型的重要保证。文中跟踪收集了不同卸载方案下，每一个工程步下临时支撑的最大反力值，如图10 所示。

由图10 可知，在顺时针卸载方案下，临时支撑在卸载过程中的最大反力值达到442.71kN，最小值是74.08kN，说明卸载过程中，临时支撑受力不均衡，临时支撑利用率低。在逆时针卸载方案下，临时支撑在卸载过程中的最大反力值达到400.83kN，最小值是175.95kN，说明卸载过程中，临时支撑受力相对均衡，临时支撑利用率高。在内至外卸载方案下，临时支撑在卸载过程中的最大反力值达到398.16kN，最小值是175.95kN，说明卸载过程中，临时支撑受力相对均衡，临时支撑利用率高。

在外至内卸载方案下，临时支撑在卸载过程中的最大反力值达到583.38kN，最小值是276.66kN，说明卸载过程中，临时支撑受力相对均衡，临时支撑利用率高，但最大反力值过大，可能会影响临时支撑的安全性。综合对比临时支撑在卸载过程中的最大反力值以及临时支撑承载情况的利用率，逆时针卸载和内至外卸载更有利于临时支撑的稳定，最大临时支撑反力值较小，不容易出现破坏情况，同时临时支撑的整体利用率高，使得每个工程步都会参与到卸载过程中，避免出现无效工程步或者是效应剧增的工程步。

临时支撑在卸载过程中的总反力值变化，能宏观的描述结构临时支撑的受力转变情况，其临时支撑总反力值图，如图10 所示。

图10 临时支撑反力图

由图11 可知，外至内卸载和逆时针卸载的临时支撑总反力曲线几乎一致，随着工程步的推进，临时支撑的总反力增量越来越大。顺时针卸载和内至外卸载的曲线表明卸载过程中的临时支撑总反力变化相对稳定。内至外卸载方案后期工程步对卸载的参与度相对较高，而顺时针卸载方案的最后工程步的参与度偏低。内至外卸载方案临时支撑的受力变化转变情况最为平稳，该方案最优。结合卸载过程中临时支撑的最大反力变化和临时支撑总反力的变化，内至外卸载方案最优，最利于结构临时支撑在卸载过程的稳定。通过对结构在卸载过程中的位移变形变化，杆件的最大应力值变化，主体支承体系的受力转变以及临时支撑的最大反力和临时支撑总反力的变化，最终认为内至外卸载的施工方案更有利于结构和临时支撑的稳定。

图11 临时支撑总反力图

综合考虑内至外卸载方案的数据，对于主体结构位移大，承重大的临时支撑为卸载的优先级。对于该类型结构，由于优先卸载了承重大的临时支撑，缺失临时支撑的承重分到了剩余临时支撑和主体的支撑体系中，随着卸载步的推进，那些承载小的临时支撑的承载值会逐渐变大，这能充分利用这些临时支撑的承载，对于临时支撑的稳定是有利的。其次优先拆除卸载承重大的临时支撑，其内力重分布是最剧烈的，但是由于剩余临时支撑最初的承载相对小，分担到它们上面的承载不会让它们破坏。对于结构主体而言，由于临时支撑的利用率的提高，使得每一工程步能得到充分利用，不会有无效工程步的出现。综上所述，对于类似结构的卸载施工的考虑，可以优先卸载大承重临时支撑为原则进行卸载施工。

3 结语

（1）在不同的卸载方案下，顺时针卸载、逆时针卸载和外至内卸载在其工程步的前后期卸载数据几乎不变。而其他有效工程步的卸载数据会有很大的突变，这对于整体结构是不利的，结构杆件容易受损。

（2）在卸载过程中，内至外卸载方案的临时支撑表现最优，该方案得益于优先卸载高承重的支撑临时支撑，在一定程度提高剩余临时支撑的利用率，同时能显著避免卸载过程中部分临时支撑出现承重过大的承载情况。

（3）对于结构主体而言，内至外卸载方案使得其内力重分布最为平稳。该方案优先卸载高承重临时支撑，充分利用了临时支撑承载力，使得每一施工步几乎都有效地参与到了卸载过程中。

（4）对于类似结构的卸载，可以优先卸载高承重临时支撑为依据进行卸载，该优先级下的卸载方案，能提高临时支撑的利用率，同时能避免部分临时支撑出现承载过大的现象。