戚 豹1，康文梅2，叶 军3
（1．江苏建筑职业技术学院，江苏徐州 221116；2．徐州市新型结构应用技术工程技术研究中心，江苏徐州 221116；3．深圳市金鑫钢结构建筑安装工程有限公司，广东深圳 518034）
[摘要]依据无锡太湖新城万象城项目钢结构安装方法——分块吊装高空组拼方法，同时根据支撑卸载点多、分布范围大等施工阶段实际情况出发，从钢结构支撑卸载过程的构件应力、位移分析和支撑反力分析人手，运用大型有限元软件进行施工阶段非线性分析，详细对比计算分析了大跨度异形空间钢结构屋面支撑的卸载顺序和卸载步骤，分析了分阶段卸载的原则和具体的卸载步骤，为钢结构支撑架的选型及设计提供了依据。
[关键词]钢结构；非线性分析；支撑架；卸载；应用
[中图分类号]TU765 [文章编号]1002-8498( 2016) 04-0082-04
1工程概况
无锡太湖新城万象城项目钢结构2号天幕弧长约82. 4m，宽约24. 0m，网壳标高为24. 174~33.135m；顶面投影面积约1 599.0m2，钢网壳间使用钢方通与刚性节点连接，刚性节点共计约455个。6号天幕弧长约100. 4m，宽约30. 4m，网壳标高为20.103~32. 161m；顶面投影面积约2 374. 2m2，钢网壳间使用钢方通与刚性节点连接，刚性节点共计约572个。工程模型如图1所示。
该钢结构工程结构为曲面单层网壳结构，主要构件为树撑柱、铸钢件、V形管、杆件及刚性节点组成。2号楼天幕共计5根树撑柱，通过铸钢件分支杆件，连接到钢网壳下方，使用栓轴连接固定。树撑柱为钢管柱，上部为铸钢件及V形杆件的钢管（钢管与铸钢件焊接组成）。屋盖网壳坐落在V形钢管上，共30个支撑点。
6号楼天幕共计7根树撑柱，通过铸钢件分支杆件，连接到钢网壳下方，使用栓轴连接固定。树撑柱为钢管柱，上部为铸钢件及V形杆件的钢管（钢管与铸钢件焊接组成）。屋盖网壳坐落在V形钢管上，共32个支撑点。钢结构工程节点模型如图2所示。
该工程屋盖网壳杆件截面为箱形截面，靠近树权支承点处为变截面箱形构件，共计7种规格，最大规格为口600 x150×25×40；树撑柱的主次树干和主次树权为圆钢管截面，共计9种规格，最大规格为ɸ1 000×50。钢结构主树干坐落于地面基础上方，次树干坐落于屋面混凝土结构上，主结构钢材均为Q235B低合金结构钢，2号楼天幕重约295t，6号楼
天幕重约420t。
其钢结构施工需要重点解决钢结构卸载顺序和卸载过程中的构件应力分析、位移分析和支反力分析等难点。为此，本文进行了结构施工阶段非线性分析并应用于该工程的具体施工过程中，效果良好。
2 施工工序与工程难点
本工程经综合考虑和技术、经济指标的对比，采用型钢支撑架代替脚手架作为支撑架。杆件现场拼装成单元体进行分块吊装，由预设的塔式起重机标准节和贝雷架支撑，高空焊接连接，天幕安装完成后按照一定的顺序进行卸载，使支撑架承力转移到树形柱上，即可完成整个主体结构的安装过程，如图3所示。
本工程卸载施工难点在于如何设计天幕钢结构的卸载顺序以确保结构安全。本工程进行了卸载过程的非线性分析，针对本工程“先拆除临时支撑架、由一端向另外一端逐步卸载”的过程设置多个施工步，对每个施工步及完全卸载后的结构进行有限元计算和分析，得到杆件应力比和结构最大变形，确保施工安全。由于2号楼和6号楼情况相似，本文只进行2号楼天幕卸载施工阶段非线性分析的叙述。
3 卸载方案和流程
卸载即是荷载和变形从临时支撑架向结构支承体系转换的过程，即将网壳的自重荷载从支撑胎架上传递到树形柱上；对于网壳变形控制来说，因自重等荷载而使结构产生变形，故卸载就是将其应力和应变从不同的支撑体系进行转化。结合本工程结构刚度小、变形较大且结构呈双曲异性的特点，根据现场实际情况，2号楼网壳临时支撑点共67个，其中：满堂脚手架支撑计42个，脚手架承重架计14个，标准节或贝雷架支撑点计11个，其支撑点平
面布置如图4所示。
为有效控制钢结构的变形不致过大，拟采用“分区施工，分步卸载”的方案。
1)分区施工将2号楼分为3个区卸载，卸载按1区→2区→3区的顺序进行，分区面积由小到大，有利于将网壳荷载分步传递给树形柱，避免产生各组树形柱在卸载过程中受力不均产生突变变形。分区如图5所示。
2)分步卸载在每个区域卸载过程中：①临时支撑由尾部到头部逐排拆除；②每排支撑或每个支撑分次切割支撑管分次卸载。如此使得网壳荷载能平稳、缓慢、逐渐地传递到树形柱上。
3)卸载流程如图6所示。
4卸载施工阶段的非线性分析
施工阶段分析被认为是一种非线性静力分析类型，因为在分析过程中结构和荷载会发生变化，要求既可以增加和去除部分结构，又可以选择性地施加荷载到结构的一部分：纠。阶段施工加载用来模拟结构在施工过程中的结构刚度、质量、荷载等不断变化的过程。对每个定义的施工步分析一次，每次分析都是在上一次分析的结果基础上进行的，它是一种静力非线性分析过程。
本工程按如下顺序进行卸载。
1)全面检查验收楼面部分的杆件、树形柱焊缝；全面检查、修复脚手架，对图7中标圆圈的支撑点脚手架进行加固处理。
2)根据图8所示次序拆除如图中圆圈所示的临时支撑、观测脚手架和支撑架的沉降及观测网壳及树形柱的变形。卸载完毕后的情况如图8e所示。
本工程利用有限元分析软件对2号楼屋面天幕钢结构进行建模，卸载前模型包括屋面整体结构．临时支撑架、下部支撑柱等结构。树形柱脚均采用刚接，柱顶考虑其与屋面整体结构连接支座特点，释放柱单元顶部节点的扭矩和弯矩约束，以模拟工程实际力学状态。由于实际节点约束为半刚接，结构在自重作用下的实际响应可能会再比计算结果小一些。
本文按照给定的支撑架拆除顺序对2号楼屋面钢结构卸载过程利用有限元软件进行了施工阶段分析。结论如下。
1)钢构件截面应力比2号楼屋面钢结构构件截面应力比最大值为0.096，说明本文所取结构在恒荷载作用下，杆件在卸载时仍保持正常工作低应力状态，且有很高的安全储备。
2)结构位移2号楼屋面钢结构构件在卸载时结构中部节点竖向位移基本在15mm左右，水平位移基本上在9mm左右；但边部节点竖向位移最大达到了20mm左右，水平位移达到了12mm左右。综合看来，2号楼屋面钢结构构件在卸载时位移较小，可以满足卸载要求。
5 卸载实施与观测
考虑计算误差及其与实践有一定的差距，结构卸载前必须将所有节点按照设计要求满焊，检测合格后方可开始卸载；结构卸载过程中严密监测树形柱顶部节点水平位移和屋面钢结构节点竖向位移，一旦出现位移过大（与上述计算数据相差过大）的情况立即停止卸载，分析原因并进行处理。
每个施工步按照测量专项方案布设方位和标高控制点，测量已装好的网壳节点的实际坐标，并做好记录以便拆除临时支撑和卸载对照。本工程设1台全站仪对网壳变形进行观测，观测如图9所示控制点的x，y，z向位移。
卸载过程中的监测结果如表1所示，误差比较小，且满足卸载过程中对结构的位移要求。
6结语
通过本工程卸载阶段施工过程非线性分析，可以得出采用本文的卸载施工顺序兼顾了安全施工和经济性的要求。对于大跨度空间结构的施工，要根据结构特点和实际要求合理确定卸载施工顺序，理论计算误差比较小，可采用有限元软件进行分析计算，为施工方案提供依据。
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