大跨度鋼結構落架方案分析

近年來，隨著幾種新的復雜鋼結構制度在大型健身房和展覽室等公共建筑中的廣泛應用，大型復雜鋼結構的安裝方法逐漸成為人們的中心關注對象。分段吊裝、高空拼接、整體提升(或頂升)、整體(或部分)滑移等新方法、新技術被應用到大型鋼結構施工中。其中通過搭設臨時支撐結構,采用分段拼裝,高空組裝或直接高空散裝的施工方法更是在一些大跨度復雜空間結構中得到了廣泛的應用,如廣州新體育館,深圳會議展覽中心,國家大劇院等。與此同時,人們對大跨度結構在施工過程中表現出的諸多力學及技術問題愈來愈重視,其中一個重要的問題就是落架(或拆撐)過程中主體結構和臨時結構的相互作用及其安全問題。工程中常采用的臨時支撐的結構形式可以大致分為兩類:獨立式支撐結構和聯合式支撐結構,如圖1所示。廣州新體育館的施工中采用的是獨立式臨時支撐,而國家大劇院的施工中兩種支撐形式都有。落架過程是主體結構和臨時支撐相互作用的一個復雜過程,是結構受力逐漸轉移和內力重分布的過程。臨時支撐由承載狀態變為無荷狀態,而主體結構則是由安裝狀態過渡到設計受力狀態。該過程中,影響結構安全的因素很多,支撐塔架的設計、落架方案的選擇、落架過程的有效控制等均會對結構本身產生很大影響。因此,落架是大型鋼結構體系施工過程中的一個關鍵環節,是施工力學中的一個重要內容,同時針對落架過程實施精確合理的數值模擬也是至關重要的。1步落架千斤頂的位移下沉量1)制定合理的落架方案,包括落架方式、落架順序及各支撐點下降的位移步長(即每步落架千斤頂的位移下沉量)。2)落架過程中應保證主體結構和臨時支撐結構的內力和位移的變化是緩慢的。3)落架過程中應保證主體結構和臨時支撐結構的應力控制在彈性范圍內,同時保證內力和位移的變化幅值控制在合理的范圍內,使它們不發生強度破壞或失穩。2國家體育廳的崩潰方案研究2.1鋼結構屋蓋結構體育場建筑屋面為馬鞍形雙曲面,長軸為332.3m,短軸為297.3m,最高點高度為68.5m,最低點高度為40.1m;中間開洞長度185.3m,寬度127.5m;鋼結構屋蓋由24榀大跨度門式桁架圍繞體育場內部碗狀看臺旋轉而成,其中22榀貫通或基本貫通,柱距為37.958m。整體結構按照主次作用分為主結構(包括桁架柱,桁架梁),立面次結構和樓梯,肩部次結構和頂面次結構,如圖2所示。主結構構件相互支撐,形成網格狀,次結構構件采用與主構件相同的外形尺寸,不規則地分布于主結構的外表面,從而形成體育場獨特的“鳥巢”造型。主、次結構構件均為大尺寸焊接薄壁箱形截面,在肩部大量采用空間扭曲箱形構件。多根箱形構件空間交匯形成節點,其構造及其復雜。2.2主結構落架的安裝由于采用大跨度空間巨型桁架的結構形式,構件自重產生的內力所占比例較大。屋蓋鋼結構施工順序對結構構件在重力荷載作用下的內力將產生明顯影響,其中焦點問題是肩部和頂面次結構在主結構落架前還是落架后的安裝問題。計算表明,不同的次結構安裝方案,會導致結構最終內力分布有較大差別。目前國家體育場鋼結構屋蓋實際采用的安裝方案為在肩部和頂面次結構尚未安裝時便實施落架過程(分步安裝方案),落架后安裝的肩部和頂面次結構參與受力程度較小,構件應力水平較低,臨時支撐落架前安裝的部分包括主結構,立面次結構和樓梯,落架結束后再安裝肩部和頂面次結構。這一方案盡管給肩部和頂面次結構的施工帶來很大的困難,但對于降低次結構的最終應力是非常有益的。本文是基于此進行國家體育場的落架分析。2.3同步協調的落架方式綜合考慮結構特點、施工技術、經濟成本等各種因素,國家體育場最終采用設置臨時支撐、分段吊裝、高空拼接的施工方案。為此在施工區域內分內、中、外三圈布置78個支撐塔架,作為主桁架分段高空安裝的主要受力支點。支撐塔架設置在主桁架下弦交叉節點的位置,其中外圈和中圈各布置24個,內圈布置30個。理論上來講,如果按照主體結構在各個支撐點處實際豎向位移的比例,同時下降所有臨時支撐點,并保證下降過程緩慢進行,則這種落架方式對于主體結構和臨時支撐來講都是最為合理的,本文稱之為同步協調的落架方式,所謂同步即指所有支撐點同時下降,協調的意思則是各個支撐點的下降位移比例與主體結構落架完成后在各支撐點處的豎向位移比例相同。但在實際工程中,臨時支撐點的數目往往很多,即使采用先進的計算機同步控制技術,也很難實現所有支撐點同時按比例下降。在這種情況下,為滿足落架的基本原則及要求,應采用分組分步的落架方式。通過分組,總的臨時支撐點被分為幾個部分,從而可以實現計算機對每組支撐點的同步控制,而分步則是為了實現落架過程的緩慢進行,同時也保證支撐點在下降過程中不引起過大的不均勻內力。采用分組分步的落架方式時,落架順序(各組支撐點的下降順序)的選擇就變得極為重要。這是因為,臨時支撐點的下降必然引起主體結構和支撐結構的內力重分布:一部分下降的支撐點受力顯著減小,而另一部分支撐點的受力則增大。如果落架順序不合理,一方面會造成主體結構內力分布不合理或局部內力過大,另一方面則會引起部分臨時支撐結構受力過大甚至發生失穩破壞。這里以一懸臂梁為例,來分析不同落架方式和落架順序對臨時支撐受力及結構內力的影響。如圖3a所示,懸臂長度L=15m,截面為300mm×20mm的圓管。3個臨時支撐分別位于L/3、2L/3和L處?？紤]以下3種落架方案。11落點方案1同步協調落架方式,分20小步完成。2步長5個步的支撐2/20,2/20,3/20,3/20,3/20由1到3的順序,分10大步5小步完成。每個大步的5個小步分別為:支撐1下降U1/10→支撐2下降U2/20→支撐3下降U3/20→支撐2下降U2/20→支撐3下降U3/20。3同步協調落架方案由3到1的順序,分10大步5小步完成。每個大步的5個小步分別為:支撐3下降U3/20→支撐2下降U2/20→支撐3下降U3/20→支撐2下降U2/20→支撐1下降U1/10。圖3b和3c給出了后兩種方案的前兩大步落架順序示意。三種落架方案對應的支撐反力(也即支撐承受的荷載)的變化和懸臂梁彎矩的變化如圖4、5所示。橫軸代表落架進度,為落架步驟與總落架步數的比值,所以0代表落架初始狀態,1代表落架完成狀態。綜合對比圖4a、b和c可以看出,對于同步協調的落架方案,3個支撐承受的荷載都是均勻連續下降的,直至3個支撐的反力變為零,即支撐與懸臂梁完全脫離。而對于落架方案2和3,支撐反力均是振蕩變化的,振蕩的峰值隨著落架進程不斷減小,直至落架完成,3個支撐的反力變為零。同時還可以看出,落架方案2下的支撐1和2,落架方案3下的支撐2和3在落架過程中都會出現反力為零的情況,即發生與梁臨時脫開的現象。同步協調落架時,支撐反力的最大值也就是落架初始狀態對應的支撐反力,而方案2和3中支撐反力的最大值要比初始值大很多。方案2中支撐2的反力值最大,支撐3的最小;而方案3中則是支撐1的反力值最大,支撐3的最小,且方案3比方案2造成更大的支撐反力。從圖5可以看出,對于同步協調的落架方案,梁各點的彎矩是線性變化的,而方案2和3中梁各點的彎矩表現出振蕩變化的特征,這與支撐反力的變化是對應的。盡管方案3下的支撐反力比方案2大很多,但是二者對應的梁彎矩相差不大,所以綜合考慮支撐反力和懸臂梁內力兩個指標,方案1顯然是最優的,而方案3是最不合理的。此外,通過計算表明,劃分更多的落架步驟對于支撐反力和懸臂梁內力振蕩幅值的影響很小,只是稍有降低,這是因為引起這種振蕩變化的根本原因是所采用的落架方式,即分組分步落架引起的主體結構與臨時支撐的內力重分布是不連續的、振蕩的。對于國家體育場鋼結構屋蓋,根據支撐塔架的布置情況,將塔架分為外、中、內三圈,采用分組分步的落架方案。整體上有兩種落架順序,即“由外到內”和“由內到外”,而這也是落架方案制定的一個關鍵問題。類比上述懸臂梁落架的方案,“由外到內”的落架順序相當于懸臂梁的落架方案2,而“由內到外”的落架順序則相當于懸臂梁的落架方案3。根據懸臂梁落架結果的分析可知,“由外到內”的落架順序應該比“由內到外”更合理,這在后面的數值分析結果中會得到進一步的驗證。具體的落架方案如表1所示,分為2個落架階段,7個落架大步,每步又分為5小步,共35步。第1落架階段采用較小的下降步長,第2落架階段采用較大的下降步長。“由內到外”的落架順序在大步上與“由外到內”相同,不同的是小步的順序,即為“內圈→中圈→內圈→中圈→外圈”的順序。3中圈支撐反力變化由于國家體育場的臨時支撐結構可以看作一個個獨立的支撐塔架,所以本文采用基于ANSYS有限元軟件的等效彈性桿端位移法來進行落架過程分析。結構自身構件采用梁單元(Beam4),支撐塔架等效為只壓不拉的桿單元(link10),軸向線剛度與支撐塔架相同。計算模型的荷載條件如下:①重力荷載取有限元模型本身的重量(模型已考慮各種加勁板等輔助構件的重量;同時由于采用梁單元,節點處桿件交匯重疊,比實際中節點的重量略高);②施工荷載取模型自重的5%。不考慮風荷載、溫度荷載以及地震作用對落架過程的影響。按照表1給出的落架方案模擬國家體育場落架過程中各步的支撐反力及結構內力的變化。根據結構的對稱性,以下僅給出1/4區域臨時支撐的計算結果,包括外圈和中圈各6個支撐點及內圈的8個支撐點,如圖7所示?！坝赏庵羶取甭浼芊桨傅挠嬎憬Y果如圖7所示,其中圖7a給出的是外圈支撐O01~O06在落架過程中的支撐力變化。可以看出,外圈支撐的反力在落架過程中即會出現為零的情況,即支撐與主體結構脫離的現象,而且在落架進行到第7大步第1小步結束時,臨時支撐便與主體結構脫離,這正是符合落架方案的要求。外圈支撐反力在落架過程中的最大值為2107kN,出現在第1.4步落架完成時的O06支撐點處。圖7b給出的是中圈支撐M01~M06落架過程中的支撐反力變化。與外圈支撐相同,中圈支撐在落架過程中也會頻頻出現支撐力為零的情況,且在落架進行到第7.4步時,完成了支撐與主體結構的徹底脫離,與方案的預期目標相吻合。中圈支撐反力在落架過程中的最大值為2361kN,出現在第1.1步落架完成時的M02支撐點處。內圈支撐I01~I04和I05~I08在落架過程中支撐反力的變化分別如圖7c和7d所示。通過比較可以發現,內圈支撐反力的變化與前兩者的稍有不同,即支撐在整個落架過程完成之前不會出現與主體結構脫離的現象,中圈支撐反力在落架過程中的最大值為2677kN,出現在第4.2步落架完成時的I08支撐點處。內圈支撐I02、I04、I06在落架過程中的支撐反力均較小,最大值也僅為1336kN。綜合圖7a~d中臨時支撐的反力變化情況,可以看出支撐反力在落架過程中是振蕩變化的,并隨著拆撐的進行逐漸減小并趨近于零。同時值得注意的是整個落架過程中的最大支撐反力出現在第1落架階段結束,第2落架階段剛開始的第2步,這主要是因為在第2落架階段千斤頂采用了較大的下降步長。圖7e給出的是桁架柱、主桁架梁以及立面次結構(包括樓梯)在落架過程中最大等效應力的變化。從圖可知,主桁架梁的應力變化有明顯的振蕩現象,而桁架柱與立面次結構的應力變化則較為均勻。這主要是因為桁架梁直接承受臨時支撐的作用,分組分步的落架方式引起的支撐反力的變化對其有直接影響;而桁架柱和立面次結構是結構的立面部分,落架主要使其內力呈增長趨勢,支撐反力的振蕩變化對其內力影響較小。桁架柱的應力變化范圍為31.4~101.3MPa,主桁架的應力變化范圍為37.9~95.3MPa,立面次結構和樓梯的應力變化范圍為51.3~75.6MPa。由于立面次結構是非主要的傳力構件,梁上的荷載主要通過柱子傳給基礎,所以立面次結構的內力在落架過程中的變化幅度最小。落架過程中支撐點豎向位移的變化如圖7f及表3所示,外圈最大豎向位移68mm,中圈最大豎向位移170mm,內圈最大豎向位移270mm。根據國家體育場落架過程實測的數據,所有支撐點的最大豎向位移為271mm,本文的計算結果與此非常吻合,這證明通過計算機模擬落架過程具有很高的準確性和可靠性。作為對比,本文也給出了“由內至外”落架方案的計算結果,如圖9所示。下面就通過臨時支撐反力和主體結構內力的變化深入比較來評價以上兩種方案的優劣。通過比較各圈的支撐反力可以發現,“由外至內”落架時內圈的支撐力較大,外圈的支撐力較小,且落架過程中各圈支撐力的最大值相差不大;“由內向外”落架時內圈的支撐力較小,外圈的支撐力較大,落架過程中各圈支撐力的最大值分別為:內圈1511kN,中圈2698kN,外圈3558kN,三者之間相差較大。這說明采用“由內至外”的落架方式會造成支撐反力更為不均勻的變化。在“由內至外”的落架過程中,中圈和內圈支撐點會出現與主體結構臨時脫開的現象,而外圈支撐點在整個落架過程完成之前不會與主體結構脫開,這一點與“由外至內”的落架方案剛好相反。以上分析結果與本文第三節懸臂梁落架分析的結論基本相同,這說明通過簡單模型分析得出的結論,可以應用于具有類似受力和變形特征的大型復雜空間結構,從而為結構落架方案的制定提供初步依據。另外從圖8a和8b可以看出,在第2落架階段的開始,支撐反力的峰值都有一定的提高,這也是因為在這一階段千斤頂采用了較大