钢结构建筑因其强度大、韧性好、可塑性强、施工周期短、绿色环保等优势,得到了现代设计师们的青睐。在钢结构现场安装中,当钢结构整体吊装完毕并将荷载全部施加完后,需要进行卸载处理。大跨度空间管桁架结构在卸载中,由于其管件数量众多,节点形式各不相同,造成结构整体内力复杂多变,各杆件之间的受力难以确定,若盲目地选定其卸载顺序可能会造成结构局部受力过大,从而导致结构产生塑性变形甚至结构破坏,所以确定合理的卸载顺序就变得尤为重要。

以石药健康城项目为研究对象,给出了一种空间管桁架结构的卸载方法,并进行了有限元仿真模拟。在卸载过程中,首先进行初级卸载,即将非主要受力支架进行一次性拆除,然后进行二级卸载,即再对主要受力支架进行分步卸载。整个过程采用 MIDAS/Gen 有限元分析软件对结构和主要受力支架进行仿真模拟分析,考虑到仿真模拟的目的即确定卸载顺序,所以支架用 ?219×10 的钢管来代替,且设置为只受压单元,卸载时采用钢管两端施加强制位移的方式。经确定,卸载顺序以模拟出来的支架支反力大小为主要依据,对支反力大的支架进行优先卸载,具体以最大支反力的两组支架为当前卸载步,每次卸载量为 10 mm,每个卸载步都进行一次受力计算,根据当前支反力的大小确定下一次的卸载顺序,以此往复模拟卸载,直至最后卸载完毕,并将模拟出来的具体卸载顺序应用于实际施工中作为指导。另外,在整个模拟过程中,对于出现支反力为 0 且不再发生变化或变化不大的支架直接进行拆除,不再进行模拟计算。在模拟分析过程中,记录结构杆件的应力变化情况,并标记出发生最大应力的杆件,通过杆件应力的大小及变化情况来证明此卸载方法的可行性,在现场实际卸载过程中也可以对这些杆件进行应力监测,确保卸载过程中整体结构的稳定性。

经模拟分析,整体卸载完毕共需 19 个卸载步,在卸载过程中并未出现变形及应力超限的情况,模拟过程中的结果分别为:支架的最大支反力为 1033 kN,结构的最大挠度为 59.27 mm,最大应力为 236.40 MPa。

1.1 工程概况

以秦皇岛石药健康城项目(图 1)为此次研究对象,石药健康城项目的钢结构工程由下部桁架二层楼面钢结构(图 2)及屋顶空间管桁架结构(图 3)组成,二层楼面钢结构由主桁架、次桁架、箱形梁、次梁及支撑组成,屋顶管桁架由主桁架、次桁架、封边桁架、支撑等组成。本工程混凝土结构采用钢筋混凝土抗震墙,屋盖结构由空间钢韲架体系组成,屋盖结构最大跨度 30.30 m,结构最高点标高 13.580 m。

图 1 项目效果

图 2 二层楼面钢结构整体结构形式

图 3 屋顶管桁架整体结构形式

1.2 工程施工重、难点分析

由于结构整体的形式特点(即节点众多,见图4),造成结构自身的内力异常复杂,当某一个杆件的内力发生变化时,结构整体的内力可能会有一个翻天覆地的变化且无迹可寻,这对现场施工控制来说十分不利。当项目进行卸载时,如果卸载顺序不合理或一次卸载量过大,很有可能造成结构局部受力过大,导致其产生塑性变形甚至结构破坏,造成不必要的经济损失和安全事故。因此,通过对卸载过程进行仿真模拟分析,从而确定结构整体卸载的顺序及卸载量的大小,有着十分重要的意义。

图 4 复杂节点示意

2.1 结构模型及荷载情况

模型钢材材质均为 Q355B,弧形钢管均用多段直圆管代替,核心筒为 C40 混凝土,整个模型除了钢结构框架以外,还进行了二层楼面混凝土板的浇筑,且对罩棚屋面板进行了安装,最后对二层楼面板及屋面板分别施以 1 kN/m² 和 0.25 kN/m² 的活荷载,仿真模型如图 5 所示。

图 5 仿真模型示意

2.2 卸载技术

考虑到仿真模拟的目的即确定卸载顺序,所以支架用 ?219×10 的钢管来代替,且设置为只受压单元,卸载时采用钢管两端施加强制位移的方式。

在现场进行钢桁架安装时,拟安排 49 组支架来进行辅助安装施工,在钢结构整体吊装完毕之后,开始支架的卸载。经分析确定,先对支架进行一个初级卸载,即直接一次性拆除次要支架,再对剩余的13 组主要支架(图 6)进行二级卸载,即最后的卸载程序。根据以往施工经验以及现场施工条件,每次卸载以两组支架为一个卸载组,一次卸载量为10 mm,下一轮卸载组为上一次卸载后支架支反力大的两组支架,以此类推。为方便起见,支架每次卸载至整十倍数,即 10, 20, 30 mm 等。在卸载过程中,当施加强制位移后,对于支反力数值一直为 0 且不再变化或变化不大的支架,则直接进行拆除。

图 6 支架布置示意

经过仿真模拟计算得到在二级卸载中,临时支撑系统的卸载共 19 步,三个计算部分合计 21 步,具体见表 1。

表 1 卸载流程

表 2 即在每次卸载后,发生最大支反力大小及其所在的支架组情况。

表 2 支反力模拟结果

图 7 为二级卸载中的第 1 个卸载步,即支架 5与支架 7 卸载 10 mm 后,13 组支架的支反力情况,其中支架 4 与支架 6 达到了最大值,分别为1033 kN 与 814 kN。支架 5 与支架 7 卸载后,上部为承受压力的受力状态,这是在该工况下,卸载值过小导致卸载不完全而造成的。当这两组支架卸载后,与其相邻的两组支架支反力达到最大,符合理论与实际情况。

图 7 卸载过程 1 kN

图 8 为二级卸载中的第 8 个卸载步,即支架 9与支架 11 卸载 10 mm 后,13 组支架的反力情况,其中支架 8 与支架 10 达到了最大值,分别为 607 kN与 522 kN。支架 9 与支架 11 卸载后,支架 9 还有卸载富裕量,支架 11 为过载卸载,此时支架 11 上部为受拉状态,考虑到在后面的卸载中还会达到最大值,故不能直接拆除。此时支架 12 支反力为 0,但在第11 个卸载步中再次达到最大值 566 kN,故不能拆除。同样的,最大支反力仍然发生在卸载支架组附近。

图 8 卸载过程 2 kN

为验证该卸载量及卸载顺序的可行性及安全性,对每次卸载过程中的应力进行监控。在实际施工过程中,可以对卸载过程中产生最大应力的单元,应用相关专业设备对其进行应力监测,必要时做适当的加固,以保证卸载的顺利进行。

表 3 最大应力监测

图 9、10 分别为二级卸载中第 1 与第 18 次卸载的最大应力云图,在第 1 次卸载中最大应力达到194 MPa,如图 9 所示。在第 18 次卸载中最大应力达到 236 MPa,如图 10 所示。图 11、12 为发生最大应力单元在空间管桁架上的位置。根据模拟的最大应力位置,在实际施工中予以应力监测。

图 9 第 1 次卸载最大应力云图 MPa

图 10 第 18 次卸载最大应力云图 MPa

图 11 最大应力单元位置 1(东北侧)

图 12 最大应力单元位置 2(西侧)

图 13 为整体卸载完毕后,整个结构的竖向位移云图。可以看出,最大的竖向位移发生在结构的端部,最大值为 59. 27 mm。在实际施工中,应时刻监测结构的端部位移变化情况,在必要的时候可以采取相应的加固措施。

图 13 竖向位移云图 mm

通过 MIDAS/Gen 仿真模拟软件的计算,成功有效地确定了一种空间管桁架的卸载方法,即每次以卸载两组支架为一个卸载步,每次卸载量为 10 mm的卸载方法。其卸载顺序以支反力的大小来确定,即优先卸载支反力最大的两组支架。在卸载过程中,通过对结构应力的监测也验证了这种卸载方法的可行性与安全性。