大跨度空间悬挑钢结构卸载探析

摘要：近几年来大跨度空间钢结构的结构形式不断创新，跨度越来越大，体系日益复杂，随之出现了新型的设计方法和施工技术，结构最终的状态及其刚度与施工方法和施工过程有直接关系。本文首先介绍了卸载的基本内容，包括卸载的定义、卸载原则及模拟卸载过程的计算方法。
　　关键词：大跨度；悬挑；空间结构；支撑卸载
　　一、概述
　　目前大跨度空间钢结构在施工过程中表现出的诸多力学及技术问题越来越受到人们的重视，其中一个重要的问题就是拆撑（卸载）过程中主体结构和临时支撑结构的相互作用及其安全问题。卸载过程是主体结构和临时支撑体系相互作用的复杂过程，是两个系统之间内力逐渐转移和重分布的过程。临时支撑由承载状态变为无荷载状态，同时主体结构则由安装状态过渡到设计受力状态。在此过程中，结构安全受到多方面因素的影响，卸载方案的选取、落架过程的有效控制及支撑胎架的设计等均会对结构本身产生很大影响。因此，卸载是大型钢结构体系施工过程中的一个关键环节，是施工力学中的一个重要内容。同时针对卸载过程实施精确合理的数值模拟也是至关重要的。
　　二、卸载的基本内容
　　（一）卸载的定义
　　钢结构卸载的准确定义为：通过控制临时支撑结构顶部千斤顶的下沉，使结构主体逐渐脱离临时支撑，最终进入设计受力状态的一个过程。简言之，卸载就是使结构由被外力（临时结构提供）支撑的状态变为依靠自身承力的状态。实质上对临时支撑结构是卸载，而对主体结构是一个加载的过程。工程中常采用的临时支撑的结构形式可以大致分为独立式支撑结构和联合式支撑结构。
　　（二）卸载基本原则
　　1.临时支撑和主体结构均处于安全状态。保证在卸载过程中临时支撑杆件不发生强度或失稳破坏，主体结构应避免局部应力过大且在卸载完成后残余应力最小。在卸载过程中，下降支撑点的结构受力会明显减小，但同时相邻支撑点处的受力会变大，主体结构的内力和变形也伴随着这种变化而不断改变。如果卸载方案不合理，势必造成临时支撑局部受力过大或主体结构的内力分布不合理；
　　2.变形的比例要协调。对于大跨度空间钢结构来说，一般设置的支撑数量较多、分布范围较广，各支撑点的卸载位移总量相差较大。卸载方案的制定必须考虑结构的受力特性（对称性）必须保证各个支撑点每步的下沉量与主体结构的变形相协调。同时也应考虑实际的技术设备与施工成本，使卸载过程易于控制且经济安全。
　　3.落架过程中应保证主体结构和临时支撑结构的内力和位移的变化是缓慢的。落架过程伴随着主体结构和临时支撑内力和变形的不断改变，缓慢的意义就是保证结构受力状态平稳过渡。如果支撑点下降太快，由此引入的动力因素会造成结构局部受力的不合理甚至破坏。
　　4.在满足上述条件的基础上，步骤尽可能少、每步卸载量尽可能大，节约计算和施工时间。
　　三、卸载计算方法
　　为了预测和控制拆除过程中主体结构和临时支撑的内力和变形的变化情况，以保证拆撑过程结构的安全性，须对拆撑过程进行数值模拟分析。拆撑过程数值模拟的难点有：①千斤顶工作机理的模拟；②临时支撑与主体结构脱离及再接触的模拟；③临时支撑由于卸载产生的回弹现象。目前为止，模拟卸载的数值计算方法有四种：支座位移法、等效杆端位移法、千斤顶单元法和千斤—间隙单元法。现详述各种计算方法的原理和特点如下：
　　（一）支座位移法
　　建立计算模型时，直接以支座来替代相应的临时支撑，即竖向约束。计算时通过给各支座施加竖直向下的位移荷载来模拟实际中支撑结构下降脱离主体结构的过程。该方法特点是计算模型简单，无需在模型中建立临时支撑结构。计算中要跟踪每卸载一步后临时支撑对应的支座反力（压力或拉力）。当所有临时支撑对应的支座都撤除时，代表卸载过程分析完成。
　　（二）等效杆端位移法
　　该方法是采用一种等效的思路，将各个独立的临时支撑塔架等效为具有相同轴向线刚度的弹性杆，该弹性杆在有限元软件中采用只能受压不能受拉的单元来模拟，通过弹性杆端支座下降的位移模拟支撑塔架顶端的下降。该方法的优点在于：①可以很好地考虑落架过程中支撑塔架由于轴向压力的变化引起的压缩和回弹；②只压不拉的单元特性可以准确地模拟塔架在落架过程中可能与主体结构脱离的现象。当进行到落架过程的某一步时，若所有弹性杆的轴向压力变为0，说明整个落架过程完成。但是等效杆端位移法不能用于模拟联合临时支撑的情况，且不能模拟临时支撑与主体结构间的相对错动。
　　（三）千斤顶单元法
　　所谓千斤顶单元法，是指在建立计算模型时，将主体结构与临时结构同时建立，在二者之间采用一种特殊的单元来模拟真实的千斤顶，此谓之千斤顶单元法。上述2种方法都是对实际情况的一种简化模拟，而在某些特殊情况下，要求采用更为精确的方法来模拟落架过程中主体结构与临时支撑结构的变化（如内力、变形等），那么此时就可以选用千斤顶单元法，它能实现对落架过程的高精确度模拟。
　　该单元具有如下特性：千斤顶每个节点有3个平动自由度和3个转动自由度，这点与普通空间梁单元类似，但不同的是千斤顶单元独有的轴向特性：①轴向抗压刚度无限大；②轴向抗拉刚度为零；③抗弯刚度EI为有限值。因此，千斤顶单元轴向特性为只能受压不能受拉，且受压时表现为理想刚体，无压缩变形。可以采用温度控制千斤顶的轴向变形（冷冻法）。
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