石開榮 呂俊鋒 姜正榮? 潘文智

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640; 2.華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640)

高層懸掛結(jié)構(gòu)卸載分析與監(jiān)測(cè)*

石開榮1,2呂俊鋒1姜正榮1,2?潘文智1

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640; 2.華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640)

高層懸掛結(jié)構(gòu)因其懸挑跨度大、施工難度高，在采用順向施工方法時(shí)需在懸掛結(jié)構(gòu)下方設(shè)置臨時(shí)支撐，待其與主體結(jié)構(gòu)形成整體后再拆除臨時(shí)支撐.臨時(shí)支撐卸載過程較為關(guān)鍵，在此過程中結(jié)構(gòu)受力體系會(huì)發(fā)生重大轉(zhuǎn)換.為驗(yàn)證卸載技術(shù)的可靠性確保結(jié)構(gòu)安全，以珠海仁恒濱海中心復(fù)雜高層懸掛結(jié)構(gòu)為例，分別采用位移控制和支撐反力控制兩種方法對(duì)其卸載過程進(jìn)行了分析，并在卸載實(shí)施過程中選取關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力及關(guān)鍵點(diǎn)的豎向變形進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè).卸載分析與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表明：以位移控制卸載和以支撐反力控制卸載對(duì)于剛度較大的本懸掛結(jié)構(gòu)而言結(jié)果較為接近，且與實(shí)測(cè)結(jié)果總體相符；卸載完成后結(jié)構(gòu)整體受力體系形成且趨于穩(wěn)定.在此基礎(chǔ)上，對(duì)懸掛結(jié)構(gòu)卸載敏感性進(jìn)行研究，通過對(duì)最不利支撐反力及支撐點(diǎn)變形進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)卸載過程中某一支撐點(diǎn)失效會(huì)導(dǎo)致其相鄰支撐點(diǎn)反力、上部桁架的豎向變形及桿件應(yīng)力發(fā)生較大變化，因此卸載過程中應(yīng)采取有效措施以避免該類意外問題發(fā)生.

懸掛結(jié)構(gòu)；臨時(shí)支撐；卸載分析；監(jiān)測(cè)

懸掛結(jié)構(gòu)[1-2]是一種將樓面所受荷載通過吊柱傳遞到懸挑出核心筒的懸臂梁或桁架上，再由其傳遞到核心筒的特殊高層結(jié)構(gòu)形式.該結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，但能充分利用高強(qiáng)材料的物理力學(xué)性能，同時(shí)還具有較好的結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)性能[3].

懸掛結(jié)構(gòu)的傳力方式使得它在結(jié)構(gòu)上部與主體核心筒連接成整體后，才能形成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型一致的完整受力體系.由于這一特點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)在施工時(shí)主要采用兩種方法[4]：一種是順向施工，即先在懸掛結(jié)構(gòu)下部預(yù)先搭設(shè)臨時(shí)支撐，再由下往上逐層施工；另一種是逆向施工，即先安裝頂部懸掛依托結(jié)構(gòu)，再依靠已施工的結(jié)構(gòu)向下吊掛逐層施工.順向施工符合常規(guī)的施工習(xí)慣，安全有保障，風(fēng)險(xiǎn)較小，一般均采用此種施工方法，但在整體受力體系形成后，需將臨時(shí)支撐拆除，即卸載階段，它是懸掛結(jié)構(gòu)施工過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié).在此過程中，懸掛結(jié)構(gòu)與臨時(shí)支撐體系逐漸脫離，由被支撐狀態(tài)轉(zhuǎn)化為自身承重狀態(tài)，結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形均會(huì)產(chǎn)生較大的變化[5].

目前對(duì)于結(jié)構(gòu)施工及卸載過程模擬與監(jiān)測(cè)的研究取得了一定的進(jìn)展，并應(yīng)用于實(shí)際工程，如：哈爾濱大劇院[6]、世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)主體育場(chǎng)[7]、濟(jì)南奧體中心體育場(chǎng)[8]、江蘇大劇院音樂廳[9]、國(guó)家游泳中心[10]、黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)體育館[11]、深圳證券交易所營(yíng)運(yùn)中心[12]、超高層建筑Lake Point Tower[13]、虎門大橋[14]等，但主要集中于大跨度空間結(jié)構(gòu)、高層結(jié)構(gòu)及橋梁工程[15]，對(duì)于復(fù)雜懸掛結(jié)構(gòu)的相關(guān)問題研究還較少.文中結(jié)合珠海仁恒濱海中心高層懸掛結(jié)構(gòu)，對(duì)其施工卸載關(guān)鍵問題進(jìn)行較為深入的研究，以驗(yàn)證卸載技術(shù)的可靠性，確保結(jié)構(gòu)安全，并為類似結(jié)構(gòu)施工及分析提供借鑒.

1 工程概況

珠海仁恒濱海中心結(jié)構(gòu)總高度為215 m，地面以上共46層，自6層起在其東西兩側(cè)設(shè)有懸掛結(jié)構(gòu)，其中東側(cè)懸掛結(jié)構(gòu)逐層內(nèi)收，最大懸挑跨度達(dá)15 m，懸掛結(jié)構(gòu)通過斜吊柱連至主體框架-核心筒，并在6-7層、24-26層和33-35層設(shè)置了加強(qiáng)層鋼桁架(如圖1所示).

圖1 整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Whole structure

2 懸掛結(jié)構(gòu)施工及卸載方案

東側(cè)懸掛結(jié)構(gòu)受力體系較為復(fù)雜，包括了大懸挑桁架、吊掛柱體系、帶加強(qiáng)層桁架的框架-核心筒等，其施工難度大，工序較多.結(jié)合懸掛結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本項(xiàng)目所采用的施工方案為：將整體結(jié)構(gòu)分為主體結(jié)構(gòu)和東側(cè)懸掛結(jié)構(gòu)兩部分，主體結(jié)構(gòu)先行施工，待主體結(jié)構(gòu)施工至10層后，東側(cè)懸掛結(jié)構(gòu)才開始施工；懸掛結(jié)構(gòu)施工前預(yù)先在6-7加強(qiáng)層桁架吊柱下部對(duì)應(yīng)位置設(shè)置臨時(shí)支撐(如圖2所示)；在臨時(shí)支撐的支承作用下，懸掛結(jié)構(gòu)逐層往上施工，施工進(jìn)度總體慢于主體結(jié)構(gòu)，直至33-35加強(qiáng)層桁架施工完畢，整體受力體系基本形成后進(jìn)行卸載；在臨時(shí)支撐卸載前，預(yù)先澆筑懸掛結(jié)構(gòu)各加強(qiáng)層桁架的下弦層(6、24層)及27-35層的混凝土樓板，其余層在卸載后澆筑；主體結(jié)構(gòu)與東側(cè)懸掛結(jié)構(gòu)在35層后同步施工，直至封頂.

圖2 臨時(shí)支撐示意圖Fig.2 Schematic diagram of temporary supports

東側(cè)懸掛結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐卸載作為施工關(guān)鍵階段，其順利進(jìn)行關(guān)乎整體結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量及安全.在臨時(shí)支撐卸載前后，結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形有較大變化.由此，本項(xiàng)目臨時(shí)支撐卸載采用同步分級(jí)卸載技術(shù)，以支撐反力控制為主，位移控制為輔.懸掛結(jié)構(gòu)卸載采用“超大型構(gòu)件液壓同步反向頂升技術(shù)”，即：臨時(shí)支撐與6-7加強(qiáng)層桁架A-D軸(圖2(b))間共有8個(gè)支撐點(diǎn)(如圖3所示)，在每個(gè)支撐點(diǎn)上設(shè)置兩臺(tái)液壓頂升器(千斤頂)，如圖4(a)所示，通過頂升器按照支撐反力逐級(jí)加載，直至將6-7加強(qiáng)層桁架略微往上頂起，并與臨時(shí)支撐稍稍脫離，再將臨時(shí)支撐點(diǎn)頂端割去一段并在上方設(shè)置多塊鋼墊板(如圖4(b)和4(c)所示)，而后開始正式卸載.正式卸載時(shí)通過液壓同步頂升技術(shù)使各支撐點(diǎn)同步分級(jí)卸載(基于傳感監(jiān)測(cè)和計(jì)算機(jī)集群控制，根據(jù)數(shù)據(jù)反饋和指令傳遞，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)同步動(dòng)作、負(fù)載均衡、姿態(tài)矯正、應(yīng)力控制、操作閉鎖、過程顯示和故障報(bào)警等多種功能)，以支撐反力控制為主，每級(jí)卸載后停留20 min.待液壓頂升器與6-7加強(qiáng)層桁架完全脫離后，拆除液壓頂升設(shè)備，卸載完成.

圖3 支撐點(diǎn)布置圖(單位：mm)Fig.3 Layout of support points(Unit:mm)

圖4 臨時(shí)支撐卸載Fig.4 Unloading of temporary supports

3 卸載監(jiān)測(cè)技術(shù)

在臨時(shí)支撐卸載過程中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形會(huì)發(fā)生較大變化，需對(duì)其進(jìn)行卸載實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便在卸載過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并加以解決.同時(shí)，監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)判斷結(jié)構(gòu)能否形成整體受力體系具有重要指導(dǎo)意義.

3.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

應(yīng)力測(cè)量是結(jié)構(gòu)卸載監(jiān)測(cè)中的重要內(nèi)容.通過對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)變監(jiān)測(cè)可得到其應(yīng)力，這里采用振弦式應(yīng)變傳感器進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)變監(jiān)測(cè)，其自帶溫度傳感器，可同時(shí)監(jiān)測(cè)施工過程中的溫度場(chǎng)變化規(guī)律，從而對(duì)應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行修正.

根據(jù)理論分析初步結(jié)果以及卸載現(xiàn)場(chǎng)條件，確定了懸掛結(jié)構(gòu)卸載過程中應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的位置和數(shù)量.其中包括16個(gè)加強(qiáng)層桁架弦桿和腹桿測(cè)點(diǎn)(如圖5(a)-(c)所示)和9個(gè)斜吊柱測(cè)點(diǎn)(如圖6所示)，共計(jì)25個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)截面對(duì)稱布置2個(gè)傳感器.

圖5 加強(qiáng)層桁架應(yīng)變測(cè)點(diǎn)Fig.5 Strain measuring points of the strengthened story trusses

3.2 變形監(jiān)測(cè)

結(jié)構(gòu)變形是反映結(jié)構(gòu)形態(tài)的主要參數(shù)之一，這里著重選取懸掛結(jié)構(gòu)的懸挑端部位移敏感區(qū)域，變形測(cè)點(diǎn)包括：6-7加強(qiáng)層桁架懸挑端部4個(gè)豎向變形測(cè)點(diǎn)(如圖7(a)所示)和8-23層偶數(shù)層鋼結(jié)構(gòu)框架梁端部豎向變形測(cè)點(diǎn)32個(gè)(如圖7(b)所示)，共計(jì)36個(gè)豎向變形測(cè)點(diǎn).

豎向變形主要采用位移計(jì)(百分表)精確監(jiān)測(cè)，并輔以全站儀及配套反射片.其中位移計(jì)監(jiān)測(cè)方法如圖8所示，即：在所需監(jiān)測(cè)豎向變形測(cè)點(diǎn)處焊接固定一根豎直向下的φ28鋼筋，鋼筋自由下垂至離地面30 cm處，在鋼筋上焊接一角鋼，確保角鋼一面水平；在地面設(shè)置一固定支座，支座上方固定一限位鋼管，鋼筋下端插入此鋼管，以限制鋼筋隨風(fēng)擺動(dòng)；而后在角鋼上面放置玻璃片，將位移計(jì)固定在其上方，通過讀取位移計(jì)的數(shù)值來精確獲取測(cè)點(diǎn)的豎向變形.

圖6 吊柱應(yīng)變測(cè)點(diǎn)(單位：mm)Fig.6 Strain measuring points of the suspended columns(Unit:mm)

圖7 豎向變形測(cè)點(diǎn)Fig.7 Measuring points for vertical deformation

圖8 位移計(jì)監(jiān)測(cè)方法Fig.8 Monitoring of displacement meter

4 卸載過程模擬分析

4.1 施工模擬的實(shí)現(xiàn)原理

施工模擬的實(shí)現(xiàn)可先根據(jù)拉格朗日列式以及虛功原理[16-17]，將單元?jiǎng)偠染仃囘M(jìn)行坐標(biāo)變換及總剛集成，得到基本方程：

K(δ)δ=F

(1)

式中：K(δ)為整體剛度矩陣，同時(shí)也是位移列向量函數(shù);δ為結(jié)構(gòu)位移列向量;F為結(jié)構(gòu)荷載列向量.

在結(jié)構(gòu)的施工過程中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件會(huì)隨著施工階段的進(jìn)行而不斷增加，也會(huì)適應(yīng)施工過程的需要拆除部分構(gòu)件(如本工程臨時(shí)支撐的卸載)，同時(shí)，結(jié)構(gòu)的邊界條件會(huì)發(fā)生變化(如部分梁柱構(gòu)件從鉸接轉(zhuǎn)變?yōu)閯偨?，結(jié)構(gòu)的荷載也會(huì)發(fā)生變化，這些變化都會(huì)引起結(jié)構(gòu)模型的剛度矩陣、節(jié)點(diǎn)位移列陣、節(jié)點(diǎn)力列陣等發(fā)生相應(yīng)的改變，為此可采用增量迭代的方法進(jìn)行求解，即取i-1階段為起始態(tài)，i階段為終態(tài)，依此類推即可考慮全過程的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形響應(yīng)：

(2)

(3)

(4)

K(δ)iδi=Fi

(5)

K(δ)i-1δi-1=Fi-1

(6)

通過以上過程即可實(shí)現(xiàn)施工過程的模擬分析.

4.2 卸載模擬分析方法

基于上述原理，采用Midas Gen軟件建立整體結(jié)構(gòu)有限元模型.模型中梁、柱均采用梁?jiǎn)卧M，樓板采用板單元模擬，剪力墻采用墻單元模擬.材料主要包括C30、C40、C45、C50、C55、C60混凝土和Q345鋼材，其本構(gòu)關(guān)系依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[19]取用.

分別采用位移控制卸載和支撐反力控制卸載兩種方法，將臨時(shí)支撐按照實(shí)際卸載過程，即各支撐點(diǎn)同步累計(jì)卸載20%、40%、75%和100%建立卸載分析模型.兩種控制方法模擬如下：

(1)位移控制卸載 根據(jù)卸載前后各支撐點(diǎn)的位移變化值，采用支座位移法，在6-7加強(qiáng)層桁架的8個(gè)支撐點(diǎn)處施加各點(diǎn)位移變化值的20%、40%、75%和100%支座強(qiáng)制位移，以實(shí)現(xiàn)位移控制的卸載過程模擬；

(2)支撐反力控制卸載 先在臨時(shí)支撐的各支撐點(diǎn)處建立虛擬桿件來模擬頂升器，然后根據(jù)卸載前臨時(shí)支撐的各支撐點(diǎn)反力大小，利用降溫法，通過對(duì)虛擬桿件進(jìn)行降溫使其收縮來模擬頂升器下降的過程，并通過調(diào)整各個(gè)支撐點(diǎn)桿件的溫度，使它們的內(nèi)力分別達(dá)到卸載前的80%、60%、25%，最后一級(jí)卸載直接將臨時(shí)支撐撤去.

4.3 卸載分析與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

(1)桿件應(yīng)力

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大拉應(yīng)力變化值為+30.11 N/mm2，為應(yīng)力測(cè)點(diǎn)11，位于7層C軸吊柱；最大壓應(yīng)力變化值為-23.59 N/mm2，為應(yīng)力測(cè)點(diǎn)8，位于6-7層桁架B軸腹桿.分析結(jié)果表明：在整個(gè)卸載過程中，桿件處于彈性工作狀態(tài)，且每一卸載階段變化值均較小，結(jié)構(gòu)具有較高的安全儲(chǔ)備，能滿足卸載安全的要求.

圖9選取了部分具有代表性的關(guān)鍵應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，將模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比.圖中縱坐標(biāo)為卸載過程中的應(yīng)力變化值；橫坐標(biāo)中，卸載步驟1對(duì)應(yīng)于卸載前狀態(tài)，卸載步驟2-5分別對(duì)應(yīng)各支撐點(diǎn)同步累計(jì)卸載20%、40%、75%和100%，卸載步驟6對(duì)應(yīng)卸載完成13 h的狀態(tài).其中，圖9(a)-9(c)分別對(duì)應(yīng)于6-7加強(qiáng)層桁架D軸上弦桿、腹桿和下弦桿的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，圖9(d)對(duì)應(yīng)于7層D軸吊柱的應(yīng)力測(cè)點(diǎn).

圖9 部分應(yīng)力測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.9 Comparison of partial stress measurement point data

根據(jù)圖9將位移控制、支撐反力控制卸載的模擬值和實(shí)際監(jiān)測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可知：

①三條曲線的應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，均隨卸載過程不斷增大.隨著臨時(shí)支撐與6-7加強(qiáng)層桁架之間的作用不斷減小，原來由臨時(shí)支撐承擔(dān)的荷載逐漸轉(zhuǎn)至6-7加強(qiáng)層桁架或經(jīng)吊柱傳遞至上部懸掛結(jié)構(gòu)，且呈現(xiàn)線性增加的趨勢(shì).

②以位移控制和以支撐反力控制的卸載過程應(yīng)力變化曲線較為接近，且總的應(yīng)力變化量較小，表明采用兩種控制方法對(duì)構(gòu)件應(yīng)力的影響規(guī)律相似.分析原因可知：該結(jié)構(gòu)各加強(qiáng)層桁架剛度較大，同時(shí)因懸掛結(jié)構(gòu)吊柱的連系作用使得3個(gè)加強(qiáng)層桁架協(xié)同工作，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的整體剛度.

③圖中應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在卸載步驟5-6階段均無明顯變化，表明卸載完成后懸掛結(jié)構(gòu)整體受力體系形成且趨于穩(wěn)定；

④由圖9(a)-9(c)可以看出，在卸載過程中，位于D軸桁架上弦桿、腹桿和下弦桿的應(yīng)力實(shí)測(cè)值均比兩種模擬值要小，而圖9(d)中則反映出位于7層D軸吊柱的應(yīng)力實(shí)測(cè)值比兩種模擬值要大.這是由于施工過程中的安裝誤差、懸掛結(jié)構(gòu)各層剛度與理論模型不完全相同等因素，造成卸載過程中原本由下方臨時(shí)支撐承擔(dān)的荷載更多地通過D軸吊柱傳遞至上方懸掛結(jié)構(gòu)，而使原本應(yīng)由6-7加強(qiáng)層D軸桁架傳遞的荷載減小.

(2)結(jié)構(gòu)豎向變形

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大豎向變形為-9.67 mm，為豎向變形測(cè)點(diǎn)4，位于6-7加強(qiáng)層桁架D軸懸挑端部豎向變形測(cè)點(diǎn).與桿件應(yīng)力結(jié)果一致，在整個(gè)卸載過程中，結(jié)構(gòu)豎向變形總變化值均較小，且在卸載每一階段變化都較為平緩，無明顯突變.

圖10選取了部分具有代表性的關(guān)鍵豎向變形測(cè)點(diǎn)，將模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比.圖中縱坐標(biāo)為卸載過程中的位移變化值；橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的卸載步驟與圖9相同.其中，圖10(a)-10(d)分別對(duì)應(yīng)于6-7加強(qiáng)層桁架A-D軸懸挑端豎向變形測(cè)點(diǎn).

根據(jù)圖10以位移控制、以支撐反力控制卸載的模擬值和實(shí)際監(jiān)測(cè)豎向變形數(shù)據(jù)的對(duì)比，可知：

①與應(yīng)力變化類似，3條曲線的豎向變形變化趨勢(shì)相同，均隨卸載過程不斷增大，同時(shí)兩種控制方法的模擬結(jié)果較為接近;豎向變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也在卸載步驟5-6階段趨于穩(wěn)定.

②測(cè)點(diǎn)1-4的豎向變形實(shí)測(cè)值均略大于模擬值，經(jīng)分析,由于卸載階段上部結(jié)構(gòu)的幕墻及裝修工程已有少部分提前進(jìn)行，其對(duì)結(jié)構(gòu)變形具有一定的影響.

圖10 部分豎向變形測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.10 Comparison of partial vertical deformation measurement point data

5 卸載敏感性分析

在臨時(shí)支撐卸載過程中，若準(zhǔn)備工作不夠充分，可能會(huì)出現(xiàn)一些意外問題，例如支撐點(diǎn)液壓頂升器出現(xiàn)漏油、油管損壞、卸載不同步等，甚至臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)局部或整體破壞.這些隱患對(duì)卸載過程的結(jié)構(gòu)安全影響不容忽視.鑒于此，對(duì)懸掛結(jié)構(gòu)的卸載敏感性進(jìn)行評(píng)估，以確保結(jié)構(gòu)不會(huì)因個(gè)別支撐點(diǎn)失效而發(fā)生連鎖反應(yīng)，造成嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)安全問題.

根據(jù)懸掛結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，選取了以下4種最不利的工況進(jìn)行卸載敏感性分析：

①支撐反力最大的支撐點(diǎn)失效，此情況下對(duì)周圍支撐點(diǎn)的支撐反力和對(duì)上部桁架的豎向位移及桿件應(yīng)力的影響；

②位移變化最大的支撐點(diǎn)失效，此情況下對(duì)周圍支撐點(diǎn)的支撐反力和對(duì)上部桁架的豎向位移及桿件應(yīng)力的影響.

③支撐反力最大點(diǎn)正常，而其相鄰的支撐中反力較大點(diǎn)失效，此情況下對(duì)支撐反力最大點(diǎn)的支撐反力和對(duì)上部桁架的豎向位移及桿件應(yīng)力的影響；

④位移變化值最大的支撐點(diǎn)正常，而與其相鄰的支撐中位移變化較大的點(diǎn)失效，此情況下對(duì)位移變化值最大點(diǎn)的支撐反力和對(duì)上部桁架的豎向位移及桿件應(yīng)力的影響.

根據(jù)本懸掛結(jié)構(gòu)的預(yù)分析結(jié)果，支撐反力最大的兩個(gè)點(diǎn)依次為圖3中的C2、D2點(diǎn)，而位移變化值最大的兩個(gè)點(diǎn)依次為D2、C2點(diǎn)，即最不利工況①和④相同，均考慮C2點(diǎn)失效；②和③相同，均考慮D2點(diǎn)失效.

(1)最不利工況①(④)

即支撐反力最大點(diǎn)(C2)上的頂升器退出工作而失效，通過對(duì)此種不利工況的模擬，各支撐反力變化、各豎向變形測(cè)點(diǎn)位移變化和主要應(yīng)力測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化如表1-3所示.

表1 最不利工況①(④)下各支撐反力變化Table 1 Change of reaction force of each support joint under unfavorable condition ①(④) kN

1)C2點(diǎn)失效，因此C2點(diǎn)在不利工況后的支撐反力及其變化比例不存在；A1-D2表示支撐點(diǎn)號(hào).

表2 最不利工況①(④)下各測(cè)點(diǎn)豎向變形變化1)Table 2 Change of vertical deformation of each measuring point under unfavorable condition ①(④) mm

1)表中數(shù)據(jù)為C2點(diǎn)失效工況下;1-4表示位移測(cè)點(diǎn)號(hào).

表3 最不利工況①(④)下主要桿件應(yīng)力變化1)Table 3 Change of stresses of main structural members under unfavorable condition ①(④) MPa

1)表中數(shù)據(jù)為C2點(diǎn)失效工況下；1-11表示應(yīng)力測(cè)點(diǎn)號(hào).

通過對(duì)表1-3進(jìn)行分析可知：支撐點(diǎn)C2失效時(shí)，對(duì)遠(yuǎn)離此點(diǎn)的支撐點(diǎn)A1、A2的支撐反力影響較小，只有1.15%和0.86%，而對(duì)其附近支撐點(diǎn)B1、B2、D1、D2影響相對(duì)較大，在2.34%～5.19%之間，對(duì)于C1點(diǎn)更是達(dá)到了141.26%之多；對(duì)于豎向變形，遠(yuǎn)離C2點(diǎn)的測(cè)點(diǎn)1的變化值只有0.87%，而其周圍的測(cè)點(diǎn)2和4的變化值要大一些，對(duì)于位于其上部的測(cè)點(diǎn)3的影響非常顯著，達(dá)到72.93%；類似地，對(duì)于應(yīng)力的影響，在C2點(diǎn)所在軸(C軸)以外的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)1-3和7-10的影響較小，一般都在10%以內(nèi)，而與C2點(diǎn)同軸的構(gòu)件應(yīng)力變化均較大，都在50%以上，甚至達(dá)到106.78%.

究其原因，由于C2點(diǎn)失效，使其原來承擔(dān)的上部荷載通過6-7加強(qiáng)層桿件往周邊傳遞，桿件內(nèi)力重分布，而荷載主要通過與C1點(diǎn)位于同軸的桁架傳遞，通過次梁傳遞的要少得多，因此越是遠(yuǎn)離C2點(diǎn)的位置受到的影響越小，和C2點(diǎn)位于同軸線位置受到的影響最大.

(2)最不利工況②(③)

即位移變化值最大的支撐點(diǎn)(D2)上的頂升器因失效而退出工作，通過對(duì)此種不利工況的模擬，各支撐反力變化、各豎向變形測(cè)點(diǎn)位移變化和主要應(yīng)力測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化如表4-6所示.

表4 最不利工況②(③)下各支撐反力變化Table 4 Change of reaction force of each support joint under unfavorable condition ②(③) kN

1)D2點(diǎn)失效，因此D2點(diǎn)在不利工況后的支撐反力及其變化比例不存在；A1-D2表示支撐點(diǎn)號(hào).

表5 最不利工況②(③)下各豎向變形測(cè)點(diǎn)變化1)Table 5 Change of vertical deformation of each measuring point under unfavorable condition ②(③) mm

1)表中數(shù)據(jù)為D2點(diǎn)失效工況下；1-4表示位移測(cè)點(diǎn)號(hào).

表6 最不利工況②(③)下主要桿件應(yīng)力變化1)Table 6 Change of stresses of main structural members under unfavorable condition ②(③) MPa

1)表中數(shù)據(jù)為D2點(diǎn)失效工況下；1-11表示應(yīng)力測(cè)點(diǎn)號(hào).

通過對(duì)表4-6進(jìn)行分析可知：與最不利工況①(④)相似，支撐點(diǎn)D2失效時(shí)，越是遠(yuǎn)離此點(diǎn)的支撐反力、豎向變形測(cè)點(diǎn)位移和桿件應(yīng)力受到的影響越小，反之影響越大，與D2點(diǎn)位于同軸(D軸)位置時(shí)受到的影響最大.值得注意的是，應(yīng)力測(cè)點(diǎn)10與D2點(diǎn)位于同一軸(D軸)，其應(yīng)力變化雖然比此不利工況下其他遠(yuǎn)離D軸的構(gòu)件應(yīng)力變化要大，但與不利工況①(④)時(shí)的相應(yīng)點(diǎn)11相比變化要小，這是由于D2點(diǎn)處于懸掛結(jié)構(gòu)的邊桁架，該桁架負(fù)荷范圍較小，其上方吊柱(測(cè)點(diǎn)10)所受荷載變化也較小.

綜上所述，卸載過程中支撐點(diǎn)若失效,將使與之相鄰的支撐點(diǎn)反力、結(jié)構(gòu)豎向變形和構(gòu)件應(yīng)力發(fā)生較大改變，甚至出現(xiàn)桿件由受拉變?yōu)槭軌旱牟焕麪顩r，即：支撐點(diǎn)失效對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響較為敏感，對(duì)結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生隱患.

6 結(jié)論

綜上所述得出如下結(jié)論：

①卸載過程分析采用位移控制法和支撐反力控制法對(duì)于懸掛結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形影響較小，這是由于該結(jié)構(gòu)整體剛度較大，具有較高的安全儲(chǔ)備，因此實(shí)際結(jié)構(gòu)卸載采用了較為方便的支撐反力控制方法；

②模擬分析結(jié)果與實(shí)測(cè)值總體相符，表明有限元分析模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)基本吻合，采用有限元分析對(duì)實(shí)際卸載過程具有指導(dǎo)意義；

③通過卸載過程以及后續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)可知，懸掛結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)應(yīng)力及變形均無明顯變化，表明卸載完成后懸掛結(jié)構(gòu)整體受力體系形成且趨于穩(wěn)定；

④卸載敏感性分析結(jié)果表明：卸載過程中某一支撐點(diǎn)失效會(huì)導(dǎo)致其相鄰支撐點(diǎn)反力、豎向變形及桿件應(yīng)力發(fā)生較大變化，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)安全隱患，因此卸載過程中應(yīng)采取有效措施以避免該類意外的發(fā)生.

[1] 方釗,劉洪兵,柳陽(yáng).剛-柔懸掛結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能研究 [J].建筑結(jié)構(gòu),2014,44(12):39-43，11.

FANG Zhao,LIU Hong-bing,LIU Yang.Study on dynamic performance of the rigid-flexible suspension structure [J].Building Structure,2014,44(12):39-43,11.

[2] 童根樹,蘇健.巨型懸掛結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究 [J].工程力學(xué),2013,30(5):75-82.

TONG Gen-shu,SU Jian.Stability of suspended structures [J].Engineering Mechanics,2013,30(5):75-82.

[3] 張偉,張繼文,涂永明,等.半剛性懸掛結(jié)構(gòu)體系減振避震機(jī)理及參數(shù)優(yōu)化 [J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2010,31(12):40-47.

ZHANG Wei,ZHANG Ji-wen,TU Yong-ming,et al.Earthquake avoidance mechanism and parameter optimization for semi-rigid suspended structures [J].Journal of Building Structures,2010,31(12):40-47.

[4] 武雷,郭正興,陶禮蕓.懸掛結(jié)構(gòu)變形控制順向施工新工藝 [J].施工技術(shù),2004,33(2):6-8.

WU Lei,GUO Zheng-xing,TAO Li-yun.New technique of deformation control of suspended structure upward construction [J].Construction Technology,2004,33(2):6-8.

[5] XIE Wei-ping,REN Lu.Simulation calculation over removing process of temporary supports for large-span cantilever steel structure [J].Civil Engineering and Urban Planning,2012,43:568-572.

[6] 張亮泉,張樹崗,郭巒川,等.哈爾濱大劇院鋼結(jié)構(gòu)屋蓋卸載模擬及應(yīng)力監(jiān)測(cè) [J].地震工程與工程振動(dòng),2014,34(3):174-182.

ZHANG Liang-quan,ZHANG Shu-gang,GUO Luan-chuan,et al.Unloading simulation and stress monitoring of steel roof of the Harbin Grand Theater [J].Earthquake Engineering and Engineering Dynamics,2014,34(3):174-182.

[7] 田黎敏,郝際平,王媛,等.世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)主體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)施工若干關(guān)鍵技術(shù)研究 [J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2012,33(5):9-15，70.

TIAN Li-min,HAO Ji-ping,WANG Yuan,et al.Research on several key technologies for structural construction of main stadium for the Universidad Sports Centre [J].Journal of Building Structures,2012,33(5):9-15，70.

[8] 高穎,傅學(xué)怡,楊想兵.濟(jì)南奧體中心體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)支撐卸載全過程模擬 [J].空間結(jié)構(gòu),2009,15(1):20-26，34.

GAO Yin,FU Xue-yi,YANG Xiang-bing.Whole removal process simulation of temporary support of Jinan Olympic Stadium [J].Spatial Structures,2009,15(1):20-26，34.

[9] 曹平周,李德,傅新芝,等.江蘇大劇院音樂廳臨時(shí)支撐卸載方案研究 [J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展,2016,18(4):69-74.

CAO Ping-zhou,LI De,FU Xin-zhi,et al.Research on unloading plan of temporary support in concert hall of Jiangsu Grand Theater [J].Progress in Steel Building Structures,2016,18(4):69-74.

[10] 李惠,周峰,朱焰煌,等.國(guó)家游泳中心鋼結(jié)構(gòu)施工卸載過程及運(yùn)營(yíng)期間應(yīng)變健康監(jiān)測(cè)及計(jì)算模擬分析 [J].土木工程學(xué)報(bào),2012,45(3):1-9.

LI Hui,ZHOU Feng,ZHU Yan-huang,et al.An analysis of monitored and computed strain of the National Aqua-tics Center in the states of unloading and daily use [J].China Civil Engineering Journal,2012,45(3):1-9.

[11] 高維成,王兆敏,于巖磊,等.大跨度多層體育館U形鋼-組合空腹樓蓋模板支撐體系卸載過程監(jiān)測(cè) [J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2012,33(7):82-87.

GAO Wei-cheng,WANG Zhao-min,YU Yan-lei,et al.Structural behaviors of U-shaped combination vierendeel floor of a long span multi-layer gymnasium during unloading formwork support system [J].Journal of Building Structures,2012,33(7):82-87.

[12] 鄧志勇,葉肖偉,倪一清,等.深圳證券交易所營(yíng)運(yùn)中心抬升裙樓施工階段應(yīng)力監(jiān)測(cè)與分析 [J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2013,34(1):108-116.

DENG Zhi-yong,YE Xiao-wei,NI Yi-qing,et al.In construction stress monitoring and analysis of floating platform of the new headquarter of Shenzhen Stock Exchange [J].Journal of Building Structures,2013,34(1):108-116.

[13] PFEIFER D W,MAGURA D,RUSSELL H G,et al.Time dependent deformations in a 70 story structure [J].ACI Special Publication,1970,27:159-186.

[14] GUO J,XU L,DAI L,et al.Application of the real-time kinematic global positioning system in bridge safety monitoring [J].Journal of Bridge Engineering,2005,10(2):163-168.

[15] WANG Pao-Hsii,YANG Tzu,ZHENG Hou-Nong.Analysis of cable-stayed bridges during construction by cantilever methods [J].Computers and Structures,2004,82(4/5):329-346.

[16] CHOI C K,CHUNG H K,LEE D G,et al.Simplified building analysis with sequential dead loads-CFM [J].Journal of Structural Engineering,ASCE,1992,118(4):944-954.

[17] 崔曉強(qiáng),郭彥林,葉可明.大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過程的結(jié)構(gòu)分析方法研究 [J].工程力學(xué),2006,23(5):83-88.

CUI Xiao-qiang,GUO Yan-lin,YE Ke-ming.Research on the construction mechanic method of long-span steel structures [J].Engineering Mechanics,2006,23(5):83-88.

[18] GB50010—2010：混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

[19] GB50017—2003：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

Supported by the National Key Technology Research and Development Program of the Ministry of Science and Technology of China During the “12th Five-Year Plan”(2012BAJ03B06)

AnalysisandMonitoringofUnloadingProcessofHigh-RiseSuspendedStructure

SHIKai-rong1,2LüJun-feng1JIANGZheng-rong1,2PANWen-zhi1

(1.School of Civil Engineering and Transportation,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong,China;2.State Key Laboratory of Subtropical Building Science,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong,China)

Due to the fact that the high-rise suspended structure is of a long cantilever span and the construction of the structure is very difficult,when the forward construction method is adopted,the temporary support should be set under the suspended structure,and it can’t be removed until the suspended structure is integrated with the main structure.The unloading process of the temporary support is very important,because the structural bearing system is converted during the process.In order to verify the reliability of the unloading technology and ensure the structural safety,by taking a complex high-rise suspended structure of Zhuhai Renheng Marine Center as the example,the unloading process is analyzed respectively by means of the displacement control and the support reaction force control,and the stress of the key members and the vertical deformation of the key nodes are monitored during the unloading process.The comparison between the unloading analysis results and the monitoring data shows that the results of the displacement control unloading and the supporting reaction force unloading are close to each other,and that they accord well with the monitoring data,and that,after the unloading,a whole structural bearing system forms and it tends to be stable.On this basis,the unloading sensitivity of the suspension structure is investigated.By analyzing the most unfavorable supporting reaction force and the supporting point deformation,it is concluded that the failure of one support point in the unloading process can cause the reaction forces of the adjacent support points as well as the vertical deformation and the member stresses of the upper truss to change greatly.Therefore,effective measures should be taken to avoid such unexpected problems in the unloading process.

suspended structure;temporary support;unloading analysis;monitoring

2016-11-15

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAJ03B06)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(1563000257)

石開榮(1978-)，男，博士，副教授，主要從事高層鋼結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)研究.E-mail:krshi@scut.edu.cn

?通信作者:姜正榮(1971-)，男，博士，副教授，主要從事高層鋼結(jié)構(gòu)、大跨度空間結(jié)構(gòu)研究.E-mail:zhrjiang@scut.edu.cn

1000-565X(2017)08-0110-10

TU 393.2

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.08.016