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        溫度調(diào)節(jié)法在大跨空間結(jié)構(gòu)施工控制中的應(yīng)用

        2021-02-23 12:30:02伍小平李鑫奎焦常科
        建筑施工 2021年11期
        關(guān)鍵詞:變形結(jié)構(gòu)

        伍小平 李鑫奎,2 焦常科

        1. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080;2. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 上海 200092

        臨時(shí)支撐卸載是大跨空間結(jié)構(gòu)常見的體系轉(zhuǎn)換方式之一。支撐卸載通常通過調(diào)節(jié)千斤頂長度,逐漸降低支撐力,直至千斤頂與結(jié)構(gòu)脫開完成卸載。臨時(shí)支撐的卸載導(dǎo)致結(jié)構(gòu)邊界的調(diào)整、荷載的轉(zhuǎn)換以及結(jié)構(gòu)體系的改變。由于涉及結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)變,卸載成為大跨空間結(jié)構(gòu)施工中安全風(fēng)險(xiǎn)最大的工況之一。開展施工控制無疑是保障臨時(shí)支撐卸載過程安全的重要手段,其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括準(zhǔn)確模擬與高效控制。

        準(zhǔn)確的卸載計(jì)算分析是順利開展卸載控制的前提。卸載分析常用的方法有強(qiáng)制位移法、等效桿端位移法、約束方程法、千斤頂單元法以及千斤頂-間隙單元法。這些計(jì)算方法的出發(fā)點(diǎn)都是希望更加真實(shí)地模擬卸載過程,從而提高計(jì)算準(zhǔn)確性,但每種計(jì)算方法又有其局限性,如強(qiáng)制位移法無法準(zhǔn)確模擬非同步卸載過程中先期卸載導(dǎo)致的其他支撐處結(jié)構(gòu)上翹所造成的支撐反力減小,甚至與主體結(jié)構(gòu)脫開的情況。

        支撐卸載控制,常采用支撐反力和結(jié)構(gòu)絕對位移作為控制參數(shù)。工程中多采用螺旋千斤頂作為卸載裝置,而此種千斤頂不具備測力功能,無法實(shí)現(xiàn)反力控制。當(dāng)臨時(shí)支撐與地基存在彈性變形時(shí),采用結(jié)構(gòu)絕對位移控制法引入了臨時(shí)支撐與地基變形,會影響控制精度,從而帶來安全和質(zhì)量隱患。

        鑒于臨時(shí)支撐卸載存在的技術(shù)難題,本文開展基于溫度調(diào)節(jié)法的卸載仿真計(jì)算方法研究,使仿真計(jì)算能夠更加真實(shí)地反映卸載過程的典型力學(xué)特征;開展基于千斤頂行程的卸載控制方法研究,使卸載控制量與仿真計(jì)算結(jié)果直接對應(yīng),實(shí)現(xiàn)支撐卸載過程與仿真計(jì)算原理的一致。通過溫度調(diào)節(jié)法計(jì)算與千斤頂行程控制的聯(lián)合使用,形成系統(tǒng)性大跨空間臨時(shí)支撐卸載控制技術(shù),降低卸載安全風(fēng)險(xiǎn),提高施工安全性與便捷性[1-9]。

        1 基于溫度調(diào)節(jié)法的仿真計(jì)算

        卸載過程中支撐點(diǎn)反力與卸載量之間具有顯著的非線性特征,不符合胡克定律F=kΔ(F為反力,k為彈性剛度,Δ為位移)。

        因此,很難通過力學(xué)方法準(zhǔn)確模擬卸載。通過研究發(fā)現(xiàn),采用溫度調(diào)節(jié)法模擬支撐構(gòu)件的伸長縮短,與臨時(shí)支撐卸載物理過程十分吻合。

        所謂溫度調(diào)節(jié)法,是利用材料的溫度變形效應(yīng),通過溫度的改變實(shí)現(xiàn)構(gòu)件長度調(diào)節(jié),模擬卸載過程。開展基于溫度調(diào)節(jié)法的仿真分析,需要構(gòu)建千斤頂單元,設(shè)定該單元剛度為無窮大,單元長度為卸載量的2~3倍,根據(jù)計(jì)算需要設(shè)定材料溫度變形系數(shù),千斤頂單元變形計(jì)算公式如式(1)所示。

        為模擬卸載完成后臨時(shí)支撐與結(jié)構(gòu)脫開的力學(xué)特征,在卸載千斤頂單元上方串聯(lián)一個(gè)只承受壓力不承受拉力的只受壓單元(圖1),實(shí)現(xiàn)卸載裝置與結(jié)構(gòu)自由脫開的模擬。

        圖1 等效構(gòu)件與只受壓單元串聯(lián)示意

        2 基于千斤頂行程的卸載控制方法

        獲得準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)果是開展卸載控制的基本條件,在此基礎(chǔ)上還需采用高效、可靠的控制方法才能順利完成卸載施工。

        針對支撐反力與結(jié)構(gòu)位移2種卸載控制方法存在的不足,本文提出了基于千斤頂行程的控制方法。該方法以千斤頂回縮量為控制參數(shù),不考慮結(jié)構(gòu)的絕對位移,有效避免了臨時(shí)支撐與地基彈性變形對結(jié)構(gòu)位移的影響。另外,千斤頂行程參數(shù)與基于溫度調(diào)節(jié)的千斤頂單元變形量直接對應(yīng),實(shí)現(xiàn)了卸載施工與仿真模擬的完美吻合。

        基于千斤頂行程的卸載控制法優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:在施工工藝方面,該方法以千斤頂回縮行程作為控制參數(shù),卸載過程中通過鋼尺測量千斤頂?shù)幕乜s量進(jìn)行控制,無需采用高精度的測量設(shè)備;在控制精度方面,該方法消除了因臨時(shí)支撐反力變化導(dǎo)致的臨時(shí)支撐與地基彈性變形引入的偏差,提高了控制的準(zhǔn)確性;在與仿真模擬關(guān)聯(lián)方面,該方法再現(xiàn)了仿真計(jì)算過程,控制參數(shù)與仿真結(jié)果直接對應(yīng)?;谇Ы镯斝谐痰男遁d控制原理如圖2所示。

        圖2 千斤頂行程控制示意

        3 工程示范與應(yīng)用

        3.1 國家大劇院鋼殼體卸載案例

        國家大劇院鋼殼體結(jié)構(gòu)呈半橢球形,其長軸(東西向)長212.20 m,短軸(南北向)長143.64 m,建筑總高度為46.285 m,鋼殼體共設(shè)置446個(gè)千斤頂,其中S1、S2上各148個(gè),S0上150個(gè),采用分批分級卸載。結(jié)構(gòu)實(shí)景如圖3所示。

        圖3 鋼殼體實(shí)景

        3.1.1 卸載模擬計(jì)算

        采用MIDAS/GEN通用有限元軟件開展卸載仿真模擬分析,鋼殼體采用空間梁單元模擬,臨時(shí)支撐架體采用空間梁單元模擬,采用千斤頂單元與只受壓單元模擬卸載裝置。材料屬性及約束條件按圖紙及施工方案確定。結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

        圖4 鋼殼體有限元模型

        經(jīng)過計(jì)算分析,確定了國家大劇院拆撐過程共分19步,在區(qū)域劃分上,首先完全拆除S1,然后在S0和S2之間交替下調(diào)千斤頂。詳細(xì)卸載工況如表1所示。其中在第11步和第12步之間將S0箱梁中間的支點(diǎn)完全拆除。

        表1 鋼殼體卸載順序

        3.1.2 卸載控制

        國家大劇院臨時(shí)支撐點(diǎn)達(dá)到446個(gè),采用機(jī)械式千斤頂卸載,由于無法實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)同步控制卸載,采用了分批分級卸載方法,實(shí)施過程中受技術(shù)工人數(shù)量的限制,每次只能同時(shí)開展16~20個(gè)臨時(shí)支撐點(diǎn)的卸載。卸載過程中采用了以千斤頂行程代替結(jié)構(gòu)標(biāo)高作為卸載控制參數(shù),卸載時(shí)由卸載技術(shù)人員用鋼尺直接量取千斤頂回縮行程量進(jìn)行控制,提升了卸載效率,原計(jì)劃1個(gè)星期的卸載時(shí)間,只用2個(gè)半天就完成了全部臨時(shí)支撐卸載,且卸載過程中臨時(shí)支撐與主體結(jié)構(gòu)與理論計(jì)算結(jié)果相符,始終處于安全可控狀態(tài)。

        3.2 世博演藝中心卸載案例

        上海世博演藝中心建筑外形呈飛碟狀,結(jié)構(gòu)由6層鋼框架結(jié)構(gòu)、巨型懸臂桁架和組合桁架結(jié)構(gòu)的鋼屋蓋。為滿足世博演藝中心工程建造的需要,在1ü 36軸桁架下弦節(jié)點(diǎn)設(shè)置臨時(shí)支撐系統(tǒng)。

        3.2.1 卸載模擬計(jì)算

        采用MIDAS/GEN通用有限元軟件開展卸載仿真模擬分析,所有框架結(jié)構(gòu)和屋頂桁架結(jié)構(gòu)均采用空間梁單元進(jìn)行模擬。上部鋼桁架與下部懸臂桁架的連接采用釋放梁端約束的方法。

        為模擬卸載過程中臨時(shí)支撐與主體結(jié)構(gòu)脫開的工況,在千斤頂單元與主體結(jié)構(gòu)之間設(shè)置只受壓單元,設(shè)定只受壓單元受壓剛度無限大受拉剛度為0,則當(dāng)臨時(shí)支撐與主體結(jié)構(gòu)脫離時(shí),臨時(shí)支撐與主體結(jié)構(gòu)間不受拉力作用。臨時(shí)支撐卸載通過溫度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn),為千斤頂單元設(shè)置相應(yīng)的溫度系數(shù),根據(jù)所要卸載量確定溫度變化值。結(jié)構(gòu)整體模型如圖5所示,卸載單元模型如圖6所示。

        圖5 鋼屋蓋整體模型

        圖6 千斤頂局部模型

        為確保卸載過程中主體結(jié)構(gòu)及臨時(shí)結(jié)構(gòu)安全,并考慮到卸載操作方便,鋼屋蓋共分為15個(gè)卸載步驟,每個(gè)卸載步驟施工內(nèi)容及卸載量如下:

        工況1:拆除外圈1ü 36號臨時(shí)支撐;

        工況2:拆除內(nèi)圈73ü 80號臨時(shí)支撐;

        工況3:所有支撐卸載5 mm;

        工況4:所有支撐卸載5 mm;

        工況5:所有支撐卸載5 mm;

        工況6:所有支撐卸載10 mm;

        工況7:所有支撐卸載10 mm;

        工況8:所有支撐卸載15 mm,拆除38ü 43、48ü 53、56ü 61、66ü 71號臨時(shí)支撐;

        工況9:81ü 88號臨時(shí)支撐卸載5 mm,44ü 47、52ü 55號臨時(shí)支撐卸載2 mm;

        工況10:所有支撐卸載15 mm;

        工況11:所有支撐卸載20 mm;

        工況12:所有支撐卸載20 mm,拆除37、54、55、72號臨時(shí)支撐,拆除47、44、85、62、65、88、81、44號臨時(shí)支撐;

        工況13:剩余所有支撐卸載20 mm;

        工況14:剩余所有支撐卸載20 mm,拆除45、46、63、64號臨時(shí)支撐;

        工況15:剩余所有支撐逐步卸載并拆除。

        3.2.2 卸載控制

        為了準(zhǔn)確掌握鋼屋蓋系統(tǒng)主要構(gòu)件及支撐的應(yīng)力應(yīng)變情況,在中心縱向桁架、扇形區(qū)域桁架、中心橫向桁架、外圈受拉環(huán)的上弦、下弦、腹桿等部位共設(shè)置了14個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)。

        卸載過程中采用臨時(shí)支撐與主體結(jié)構(gòu)相對變形作為控制變量,即以臨時(shí)支撐上部支撐構(gòu)件的切除量作為控制參數(shù)。結(jié)果表明,卸載過程中臨時(shí)支撐與主體結(jié)構(gòu)始終處于安全狀態(tài),構(gòu)件最大應(yīng)力為受壓-126.5 MPa,受拉141.4 MPa,采用支撐構(gòu)件的縮短量作為控制參數(shù)具有操作簡單、可靠性好、卸載效率高的優(yōu)點(diǎn)。

        4 結(jié)語

        1)采用溫度調(diào)節(jié)法進(jìn)行臨時(shí)支撐卸載模擬,能夠準(zhǔn)確模擬卸載過程,真實(shí)展現(xiàn)臨時(shí)支撐與主體結(jié)構(gòu)由接觸到脫開的典型力學(xué)特征。

        2)采用溫度調(diào)節(jié)法進(jìn)行卸載分析,能夠方便地實(shí)現(xiàn)分批多級卸載模擬,有助于提升卸載分級計(jì)算效率。

        3)采用千斤頂行程法對臨時(shí)支撐卸載進(jìn)行控制,卸載過程與溫度調(diào)節(jié)法的仿真模擬步驟相同,使卸載過程力學(xué)狀態(tài)始終在可控范圍內(nèi),保證卸載安全。

        4)以千斤頂行程為控制參數(shù)開展卸載控制,具有操作簡單、卸載效率高的優(yōu)點(diǎn),尤其適用于大規(guī)模臨時(shí)支撐非同步分批多級卸載。

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