湖州华润万家购物中心双侧悬挑大跨钢结构临时支撑卸载模拟分析

还文超

(江苏省结构工程重点实验室(苏州科技大学)，江苏苏州215011)



湖州华润万家购物中心双侧悬挑大跨钢结构临时支撑卸载模拟分析

还文超

(江苏省结构工程重点实验室(苏州科技大学)，江苏苏州215011)

摘要：以湖州华润万家购物中心为工程背景，在其东侧双悬挑钢结构的施工过程中，利用钢弦式应变计对悬挑结构进行实时施工监测。同时，利用有限元软件Midas/Gen对卸载过程进行了数值模拟。通过实测值与模拟值对比分析，发现支撑卸载顺序合理，悬挑结构在施工过程中应力变化均在允许范围内，即整个施工过程是安全的。

关键词：双侧悬挑结构;胎架;卸载;数值模拟;应力

0引言

随着社会经济高速发展，传统的建筑形式已不能满足当前大众的需求，大跨悬挑结构以其独特的建筑造型、开敞的空间被广泛应用于各种大型公共建筑[1]。由于大跨悬挑钢结构形式的多样化、复杂化，造成施工阶段结构受力的复杂性和可变性。运用仿真技术，对复杂结构进行施工模拟具有十分重要的意义[2]。

施工模拟是按施工工序，在相应的时间激活相应的结构构件及荷载，实现逐步加载的过程。在施工过程中，卸载和加载是一个逐步增加约束和荷载的过程，结构约束和荷载的增加顺序对施工荷载作用下结构内力变化有重要影响[3-4]。

在大跨悬挑钢结构施工过程中，通常会设置临时支撑来保证结构的安全与稳定，施工完成后再行拆除，而临时支撑拆除方案对结构受力有较大影响。

1工程概况

湖州华润万家购物中心结构造型复杂独特，为多支撑大悬挑、大跨度的复杂空间组合结构，其东侧立面成“T”型，南北双侧悬挑，B-A至B-B和B-C至B-D轴3～4层为悬挑结构，钢结构支撑作为悬挑端梁、柱规则分布于楼层之间，悬挑平面尺寸为12.075 m×46.146 m，底层为无支撑开敞空间，跨度为34.246 m，如图1所示。

图1　华润万家购物中心效果图

2监测系统

2.1监测系统组成

大型复杂结构的健康监测系统是多种学科理论和技术的结合，涉及结构力学、计算机信息技术(数据采集、处理、储存)、传感器技术以及数值分析等。悬挑结构的健康监测系统主要包括数据测量系统、数据采集系统、数据分析系统。该监测试验的测量系统主要由钢弦式应变计组成，数据采集系统由集线器、频率读数仪和计算机组成，数据分析系统由计算机及相关处理软件组成[5]。

2.2监测方案

1)监测内容。悬挑钢结构在施工过程中主要是对关键钢杆件、节点应变的监测。

2)测点布设。结合设计方要求，根据双侧悬挑结构的受力特性，按悬挑结构杆件受力最大原则，选取35处关键钢杆件和节点，布设了35个监测点，其中悬挑桁架上布设10个测点(图2)。

(a)B-A轴线悬挑桁架测点布设　　　　　　　　　　　　　(b)B-D轴线悬挑桁架测点布设图2　双侧悬挑桁架测点布设

3施工过程监测流程

为了方便施工及保障安全，施工过程中共布置24个胎架。其中，在2层楼板下布置12个胎架，胎架高度5.7 m,3层楼板下布置12个胎架，胎架高度11.9 m.胎架布置平面位置和编号如图3、图4所示。

图3　2层楼板胎架图

图4　3层楼板胎架图

对现场胎架连接情况进行了勘察，发现位于同一轴线的3层胎架3、4、5、6未与结构主体连接，2层胎架17由于施工原因已被施工方拆除，因而，实际参加工作的只有19个临时胎架。

3.1卸载阶段

临时支撑卸载原则：①结构受力逐步由临时支撑向悬挑结构主体过渡，悬挑结构内力重分布是一个动态的过程，应保证内力和变形缓慢平稳地变化；②悬挑钢结构的应力状态应在弹性范围内变化并缓慢趋于设计受力状态，避免悬挑端部挠度超过规定限值，杆件发生强度破坏；③临时支撑拆除方案应合理可靠，便于控制和操作；④在满足上述条件后，胎架的卸载步应该尽可能少，每次卸载步位移量应尽可能大[6]。

悬挑结构的落架方法是采用“分组分步”的拆撑方法，按“先跨中，再支座，最后悬挑”的顺序，将所有支撑(起作用的19个胎架)分为7组，同时将整个卸载过程分为7个施工工序，即：①将胎架9、13、16分为1组，拆除该组胎架记为工况CS1；②将胎架10、11、12分为1组，拆除该组胎架记为工况CS2；③将胎架14、15、18分为1组，拆除该组胎架记为工况CS3；④将胎架19、20分为1组，拆除该组胎架记为工况CS4；⑤将胎架21、22、23、24分为1组，拆除该组胎架记为工况CS5；⑥将胎架7、8分为1组，拆除该组胎架记为工况CS6；⑦将胎架1、2分为1组，拆除该组胎架记为工况CS7。

3.2加载阶段

悬挑结构的加载阶段主要包括屋面混凝土、4楼楼面混凝土和3楼楼面混凝土的浇筑过程。楼面混凝土浇筑采用的是压型钢板组合楼板的施工方案，用混凝土汽车泵进行楼面混凝土的浇筑，屋面楼板混凝土浇筑的厚度为150 mm外，4层楼面浇筑的厚度除外走廊B-13轴线至B-14轴线为120 mm外,其余均为150 mm，3楼楼面与4楼楼面浇筑厚度相同，2楼楼面在胎架未拆除时已浇筑成型。

悬挑结构加载阶段监测试验分为3个施工工序：①浇筑屋面混凝土，记为工况CS8；②浇筑4楼楼面混凝土，记为工况CS9；③浇筑3楼楼面混凝土，记为工况CS10。

4施工过程数值模拟与实测对比分析

4.1卸载过程

利用Midas/Gen有限元软件进行数值模拟，采取等效杆端位移法，悬挑结构采用梁单元，临时胎架用弹性杆模拟，通过弹性杆向下的位移来模拟卸载过程[7]。工况CS7卸载后结构应力云图如图5。

图5　卸载后结构应力云图(工况CS7)

4.2加载阶段

根据现场施工浇筑混凝土厚度，进行施工模拟楼面荷载取值。屋面实际浇筑混凝土板厚为150 mm，楼面恒载取值为3.75 kN/m2，对应工况CS8；4层、3层楼面与屋面浇筑厚度相同，楼面恒载均取3.75 kN/m2；2层混凝土在胎架拆除前已浇筑，除走廊楼面采用120 mm厚的板外，其余板厚均为150 mm；走廊部分楼面恒荷载取为3.00 kN/m2，其余楼面恒荷载为3.75 kN/m2。监测过程中并不考虑活荷载、风荷载的作用。工况CS10加载完成时结构应力云图如图6。

图6　加载完成时结构应力云图(工况CS10)

4.3模拟应力与实测应力对比

根据钢弦式应变计的原理，只能测得测点每个工况的应力增量，而结构的初始应力未知，文中将CS0近似对应为零应力状态，这对研究测点各个工况应力变化趋势是非常有意义的。本文选取悬挑结构双侧悬挑桁架上的斜腹杆和下弦杆的应力进行了对比分析,如图7～10。

图7　悬挑桁架B-A轴斜腹杆

图8　悬挑桁架B-A轴下弦杆

图9　悬挑桁架B-D轴斜腹杆

图10　悬挑桁架B-D轴下弦杆

将悬挑端关键杆件实测值与仿真计算值比较，得到以下结论：

1)根据数值模拟悬挑钢结构卸载及加载过程，可以看出卸载前、加载后杆件拉应力最大值分别为9.9、44 MPa;压应力最大值分别为-10.5、-49.6 MPa。

2)将悬挑端关键杆件应力实测数据与仿真计算分析数据对比可知，二者比较接近，应力变化趋势与计算相符，监测值与理论值间的最大应力误差为13.9 MPa，误差较小，说明仿真计算的方法可行，能够有效反映结构的卸载及加载过程。

3)通过对关键杆件的应力进行监测，能够有效监测杆件应力在卸载及加载过程中的变化幅值，通过与卸载前的应力计算值进行对比，可以判断加载以后杆件应力远未达到钢材的设计强度。

5结论

施工监测过程为临时支撑体系卸载阶段及楼面混凝土浇筑加载阶段，在前期卸载阶段，杆件应力增长缓慢，由此表明卸载过程是一个平稳缓慢的内力重分布过程，本文的卸载方案是合理的。加载后，杆件应力变化幅度不大，应力最大值仅为-38.2 MPa，而理论最大值为-49.6 MPa,均远小于钢材允许应力，结构应力变化都在允许范围内，施工过程安全可靠。

[参考文献]

[1]沈世钊.大跨空间结构的发展：回顾与发展[J].土木工程学报,1998,31(3):5-14.

[2]谢国昂,傅学怡，吴利利，等.国家游泳馆中心钢结构施工仿真分析[J].建筑结构学报,2009,30(6):142-147.

[3]王光远.时变结构力学[J].土木工程学报,2000,33(6):105-108.

[4]填黎敏,郝际平,陈韬,等.世界大学生运动会主体育场施工过程模拟分析[J].建筑结构学报,2011,32(5):70-77.

[5]黄敬武,徐长武.大跨度钢结构屋盖卸载阶段的监测[J].建材世界,2011,32(1):74-76.

[6]敖学侣,马卫华,张兴志，等.成都来福士广场劲性混凝土大悬挑结构临时支撑体系卸载分析[J].施工技术,2011,40(21):1-4.

[7]何伟,何容,李晓克.洛阳天堂塔转换钢桁架临时支撑卸载有限元模拟与施工设计[J].施工技术,2014,43(8):65-69.

责任编辑：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

作者简介：还文超(1990—)，男，硕士研究生。

中图分类号：TU313.1

文献标志码：A

文章编号：1671- 0436(2016)02- 0016- 04