大跨度悬挑结构的施工仿真分析

武云鹏

中冶（上海）钢结构科技有限公司 上海 201908

近年来，我国大跨度复杂空间结构得到了迅猛发展，各种先进的施工技术也层出不穷。其中，通过搭设临时支撑，采用分段拼装、高空组装或直接高空散装的安装方法，以及安装完成后拆除临时支撑的卸载方法，更是在大跨度钢结构的施工过程中得到了广泛的应用[1-3]。

卸载是主体结构和临时支撑相互作用的一个复杂过程，是结构内力重分布的过程。临时支撑可以理解为主体结构的弹性约束。随着临时支撑顶部千斤顶的下降，主体结构的边界条件在不断变化，结构传力体系也在逐渐变化，由施工状态逐渐转换为设计状态[4-7]。

卸载原则为：

1）制订合理的卸载方案。在卸载过程中，下降某个支撑点，相应的临时支撑受力会明显变小，但同时相邻临时支撑的受力会变大，主体结构的变形和内力也随着改变。如果卸载方案不合理，会导致结构局部应力过大。

2）整个卸载过程应缓慢进行，以保证结构受力状态的平稳过渡。如果支撑点下降太快，会导致结构应力突变。

3）整个卸载过程应保证结构的刚度、强度和稳定性均安全可靠，不发生破坏或失稳。

卸载方式为：在理想情况下，依据主体结构在各个支撑点处的总竖向位移值，同时等比例下降所有支撑点，并保证下降过程缓慢进行，这样的卸载方式是最合理的。在实际工程中，支撑点的数目会很多，考虑到技术难度和经济合理性，应采用“分组分步”的卸载方式。计算机同步控制技术，可以实现卸载过程的同步协调和缓慢进行。

1 工程概况

某商务楼地下3层，地上10层，总建筑面积34 000 m2，建筑尺寸41.8 m×104.3 m，总高度49 m。采用钢框架-支撑结构体系，框架柱均采用钢管柱，框架梁为H型钢梁。在楼梯和电梯围墙位置设置支撑，加强了结构的侧向刚度。楼面次梁也均为钢梁，楼板采用压型钢板。箱形梁柱撑材质为Q420GJC，H型钢梁为Q345B。其中悬挑结构位于1－6层（标高5.50～27.15 m），轴线B－H/－，挑出长度24.3 m，质量约为1 100 t（图1）。

2 临时支撑

临时支撑在轴线 / 和C/G 的交点处设置，共设置4个（图2）。

1#、2#支撑从筏板基础到悬挑结构底部通长设置，汽车坡道楼板碰撞处预留相应的洞口（图3）。1#支撑为独立格构式结构，2#支撑为联合格构式结构（因避开地下室剪力墙）。

图1 整体结构轴测示意

图2 临时支撑平面布置

图3 1#、2#支撑立面示意

3#、4#支撑设置在地下室顶板框架梁上，在地下室各层对应位置设置相同规格的支撑，支撑端面与框架梁贴紧，使得悬挑结构荷载直接传递到筏板基础上（图4）。支撑为实腹式圆管结构。

支撑端面与框架梁之间的缝隙，采用环氧树脂灌注粘钢胶（WJ-503）填补，以保证荷载可以通过框架梁均匀地传递下去，保证框架梁不发生局部受压破坏。

3 卸载工艺

图4 3#、4#支撑立面示意

卸载采用液压顶升系统。液压顶升系统由液压千斤顶、液压泵源系统、数据传感系统及计算机控制系统组成。液压千斤顶采用液压缸作为刚性顶举件。本工程共4个支撑点，每个支撑点配置1台350 t的液压千斤顶作为顶升设备。液压泵源系统为液压千斤顶提供液压动力，并执行计算机控制系统发出的指令。本工程采用了模块化结构，共配置2台液压泵源系统，分别控制 轴线和 轴线的液压千斤顶。数据传感系统提供施工过程中数据的测量及收集，本工程每个液压千斤顶配置1套压力传感器和1套行程传感器。计算机控制系统通过数据反馈和控制指令传递，可以实现多种功能（如同步动作、负载均衡、姿态矫正、应力控制、操作闭锁、过程显示和故障报警等）。本工程共配置1套计算机控制系统。工程师可以通过操作计算机控制系统人机界面，对整个施工过程进行控制。

卸载前准备：主楼结构（①— 轴，至4层）安装焊接完成；悬挑结构安装焊接完成；焊缝检测合格，螺栓终拧完成；对卸载过程进行有限元仿真分析，以选取卸载点最大反力和位移（理论值）。

卸载步骤：卸载设备安装，千斤顶就位；在主体结构和临时支撑未脱离的情况下，依次加载至理论值的10%、20%、40%、60%、80%，每次加载完成后，静止观察不小于15 min；支撑顶部小立柱采用火焰切割割除，荷载传力路径由小立柱转移至千斤顶，静止观察不小于1 h；分阶段分级同步卸载，先卸载一半位移量（理论值），观察3 h后再将剩余的位移量卸载完成；卸载完成，千斤顶与主体结构脱离，拆除临时支撑。

4 安装卸载方案

根据以往类似项目的施工经验，并结合本项目的结构形式、场地条件、工期要求，制订以下施工方案：

方案1：先将结构全部安装完成，然后卸载临时支撑（图5）。

方案2：先安装结构A，然后卸载临时支撑，最后安装剩余结构（图6）。

其中，结构A由轴线C—G/ — （1—3层）上的杆件组成。

图5 方案1安装步骤

图6 方案2安装步骤

轴线C /G/ （1—3层）上的梁柱垂直撑，可以看作是3个平面桁架。该平面桁架的高度为9.2 m，弦杆为箱形变截面1 400 mm×1 000 mm×100 mm×100 mm～1 200 mm×1 000 mm×60 mm×60 mm，腹杆为箱形截面1 200 mm×600 mm×80 mm×80 mm、900 mm×600 mm×50 mm×50 mm、600 mm× 600 mm× 40 mm×40 mm，具有较大的刚度，再加上它们之间的连系杆件，可以形成一个稳定体系。

方案1是常规做法，方案2是优化调整做法。本文从安全、经济、效率等多方面，对2个方案进行比较分析，以选出更优的方案。

5 施工验算

5.1 强度和稳定性验算

采用Midas Gen对结构进行施工阶段分析。临时支撑卸载后，方案1的悬挑结构杆件应力比为0.16，方案2为0.14，数值均较小，有较大的强度储备，偏安全。

5.2 刚度验算

临时支撑卸载后，方案1 的悬挑结构杆件位移为19.65 mm，方案2为15.38 mm，数值均较小（限值121.5 mm），满足设计及规范要求。

5.3 胎架的上部荷载和卸载量

相比方案1，方案2临时支撑的上部荷载和卸载量减少了1/4，如表1所示。

表1 临时支撑上部荷载及卸载量对比

5.4 分析结果

由以上分析可知，相比方案1，方案2杆件的应力比和位移略微增大，临时支撑的上部荷载和卸载量显著降低。因此，方案2有更好的经济效果：上部荷载和卸载量较小，可以选用小规格的临时支撑和液压千斤顶；临时支撑提前卸载，可以提高其周转率；工作面提前移交给下一道工序，可以缩短整个项目的施工工期。

6 结语

本文根据悬挑结构的结构形式和现场条件，确定了临时支撑的布置方式和结构形式，并选定了卸载方式（液压顶升系统分阶段分级同步卸载）。

本文建立了有限元分析模型，对2种安装卸载方案进行了施工阶段分析，并根据计算结果（临时支撑的上部荷载和卸载量），得出了优选方案。同时，对施工过程中结构的刚度、强度和稳定性进行了验算（满足要求）。

采用优选方案，完成了悬挑结构的安装卸载工作，在确保施工安全和质量合格的情况下，降低了施工成本，加快了施工进度，满足了设计要求，实现了项目预期目标，为今后类似工程的施工提供了宝贵的经验。