饒曉文 郭容寬

(廣西機電職業(yè)技術(shù)學院建筑工程系，廣西南寧 530007)

近些年來，大跨結(jié)構(gòu)得到了前所未有的飛速發(fā)展。隨著各種新型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)項目的增多，這種結(jié)構(gòu)類型在施工中出現(xiàn)的事故也日益增多，分析已有的工程事故，我們不難發(fā)現(xiàn)，由于設(shè)計中未考慮施工過程諸多因素影響或?qū)κ┕み^程中復(fù)雜與突發(fā)情況未進行應(yīng)有的受力分析而發(fā)生事故的不在少數(shù)，因此人們開始對大跨結(jié)構(gòu)在施工過程中表現(xiàn)出的諸多力學及關(guān)鍵技術(shù)問題愈來愈重視。大跨度結(jié)構(gòu)體系的施工不可能一次完成，形成最終的結(jié)構(gòu)體系必須經(jīng)歷一個分階段的施工過程。為了適應(yīng)施工技術(shù)要求，有時不得不在施工過程中增加一些臨時措施，如對未成型的結(jié)構(gòu)體系施加臨時支撐、臨時約束等，待某些階段的施工完成后再予以解除，即卸載。

1 臨時支撐卸載的力學過程分析

拆除臨時支撐的過程中，結(jié)構(gòu)受力非常復(fù)雜，假設(shè)先不考慮臨時支撐卸載的次序問題，就卸載本身這一力學過程而言，也是非常值得分析和研究的。以一個臨時支撐的卸載過程來說應(yīng)注意以下幾點:1)作用的荷載，臨時支撐的卸載過程是通過下調(diào)千斤頂來實現(xiàn)的，而且千斤頂在這一過程中是人為控制的;2)結(jié)構(gòu)在卸載階段的幾何非線性效應(yīng)，大跨空間結(jié)構(gòu)一般高跨比比較小，在外荷載作用下常表現(xiàn)出強烈的幾何非線性效應(yīng);3)臨時支撐與上部結(jié)構(gòu)的連接問題，兩者在卸載結(jié)束前保持連接狀態(tài)而在卸載結(jié)束后就會產(chǎn)生脫離，因此它們之間有一個非常復(fù)雜的相互作用，存在邊界非線性問題;4)臨時支撐與上部結(jié)構(gòu)脫離之后，結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化，內(nèi)力重分配。

卸載這一力學過程應(yīng)該屬于非線性時變力學的研究范疇，這類問題的特點在于最后的力學狀態(tài)不但取決于加載過程，同時還取決于分析對象幾何域或物理參數(shù)的時變過程[1]。

2 分析對象

分析對象為一個兩跨的連續(xù)梁，如圖1所示。連續(xù)梁假設(shè)為上部永久結(jié)構(gòu)，跨中豎向支座假設(shè)為臨時支撐B，連續(xù)梁承受均布荷載q，設(shè)梁的長度L=14m。

3 分析模型

考慮采用目前實際工程卸載分析中普遍應(yīng)用的兩種模型，對單個臨時支撐卸載的施工內(nèi)力進行分析。這兩種分析模型本文分別簡稱為反力替代時變模型、溫度荷載時變模型。

3.1 反力替代時變模型

在分析中將所有的臨時支撐撤掉并用該臨時支撐點上的反力代替，通過使反力逐漸減小來模擬卸載過程，當反力減小為零時卸載完成，本文簡稱為反力替代時變模型。

3.2 溫度荷載時變模型

將臨時支撐定義為只壓不拉單元(Link10)或者是采用只壓不拉單元(Link10)定義臨時支撐桿件和上部永久結(jié)構(gòu)的連接，臨時支撐桿件的卸載可以利用桿件承受溫度荷載產(chǎn)生收縮來進行模擬，初始態(tài)上部結(jié)構(gòu)與支撐接觸，Link10單元受壓處于工作狀態(tài)，隨著卸載的進程，結(jié)構(gòu)成型，接觸點與支撐脫離，Link10單元有受拉的趨勢，單元退出工作即卸載完成，本文簡稱為溫度荷載時變模型。

4 施工內(nèi)力的有限元分析

4.1 ANSYS建模

模型A:連續(xù)梁定義為空間梁單元Beam4，跨中臨時支撐桿件采用該點的豎向約束反力來替代;

模型B:連續(xù)梁定義為空間梁單元Beam4，臨時支撐桿件定義為桿單元Link10，在模型中Link10是一個只壓不拉單元。

4.2 加載

首先分別對模型A，B施加均布荷載q，完成之后才開始進入卸載階段的求解。對模型A來說，可將該豎向約束去掉并施加一個隨時間變化的荷載F(t)，F(xiàn)(t)隨時間由F逐漸變化為零;對模型B來說，施加一個隨時間變化的溫度荷載T(t)，T(t)隨時間由0逐漸變化為T。

4.2.1 卸載時間

在以下分析中假定卸載時間為120s和240s。

4.2.2 加載方式

模型A只選擇線性方式加載，模型B分別選擇線性、二次函數(shù)和階躍函數(shù)三種加載方式。

4.3 卸載階段的施工內(nèi)力分析結(jié)果

4.3.1 假設(shè)卸載時間為120s

1)不同模型和加載方式下的支座A的反力分析結(jié)果如圖2～圖5所示。

對圖2～圖5進行分析，得到以下認識:

a.在線性加載方式下，兩種模型支座A的反力變化曲線都呈現(xiàn)出了非線性的特點。b.線性加載方式下，模型A的分析結(jié)果與模型B的分析結(jié)果存在一定的差異。同樣是采用線性加載方式，從模型A的計算結(jié)果來看，支座A的反力變化曲線呈上凸形，曲率很小，從模型B的計算結(jié)果來看，支座A的反力變化曲線呈上凹形，曲率相對要大一些，非線性效應(yīng)更明顯。c.對于模型B來說，線性加載方式下，反力的變化相對平穩(wěn)，階躍函數(shù)加載方式下，反力會出現(xiàn)突變，二次函數(shù)加載方式下，反力的變化曲線呈明顯的上凹形，即開始比較平緩，然后斜率逐漸增大。

2)不同模型和加載方式下臨時支撐B的反力分析結(jié)果如圖6～圖8所示。

對圖6～圖8進行分析，得到以下認識:

a.線性加載方式下，模型B臨時支撐反力的變化并非線性變化，曲線呈下凸形。b.模型A的分析結(jié)果沒有支撐B的反力變化曲線，但是根據(jù)模型A的特點，如果采用線性方式加載，則相當于支撐B的反力變化曲線是直線。c.對于模型B來說，線性加載方式下，反力的變化相對平穩(wěn)，階躍函數(shù)加載方式下，反力階梯形下降，二次函數(shù)加載方式下，反力的變化曲線呈明顯的下凸形，即開始比較平緩，然后斜率逐漸增大。

4.3.2 假設(shè)卸載時間為240s

對圖9，圖10進行分析，得到以下認識:

240s的分析結(jié)果與120s的分析結(jié)果非常接近，只是在整個時間軸上施工內(nèi)力的變化曲線更平緩。

5 分析結(jié)果的討論

1)即使是在線性加載方式下，內(nèi)力的變化曲線依然呈現(xiàn)出非線性的特點，這充分說明了卸載過程是一個非線性時變的力學過程。

2)反力替代時變模型(模型A)的分析結(jié)果與溫度荷載時變模型(模型B)的分析結(jié)果存在一定的差距，產(chǎn)生差異的原因主要有以下幾個方面:首先模型A對結(jié)構(gòu)進行了較大的簡化，用反力來替代臨時支撐;其次，從模型A本身的特點來說，模型A與模型B模擬卸載的過程中施加的荷載類型不同，對模型A來說施加的是力，而模型B施加的是位移，如果選擇線性方式卸載，則模型A在分析中假設(shè)的是臨時支撐與上部結(jié)構(gòu)的相互作用力在卸載過程中線性減小，而模型B指的是臨時支撐的下沉量是線性增加的，因此模型A施工內(nèi)力變化曲線的形狀與模型B的不同。

3)由溫度荷載時變模型(模型B)的分析結(jié)果來看，線性加載方式下，內(nèi)力的變化相對平穩(wěn)，階躍函數(shù)加載方式下，內(nèi)力會出現(xiàn)突變，二次函數(shù)加載方式下，開始比較平緩，然后斜率逐漸增大，因此卸載過程中千斤頂應(yīng)該盡量保持勻速下調(diào)，確保支撐結(jié)構(gòu)上的荷載平順地卸落到永久結(jié)構(gòu)上。

4)假設(shè)不同的卸載時間對卸載過程進行模擬，可以看到最后的分析結(jié)果都非常接近，不同之處只是在整個時間軸上施工內(nèi)力的變化曲線更平緩，這應(yīng)該與非線性時變問題的性質(zhì)有關(guān)，它與動力分析不同，不計入慣性力的影響，結(jié)構(gòu)的位移不是時間的導(dǎo)數(shù)，只是在每一個時間增量改變時運算矩陣同時計入幾何域和邊界條件的變化，因此在正常的卸載時間范圍內(nèi)，卸載時間的長短對于內(nèi)力的最大值、最小值以及整體變化趨勢影響不大。

[1]曹志遠.土木工程分析的施工力學和時變力學基礎(chǔ)[J].土木工程學報，2001，34(3):41-46.

[2]伍小平，高振峰，李子旭.國家大劇院鋼殼體安裝中卸載方案分析[J].建筑施工，2005，27(6):6-8.