V形柱支撑钢结构悬空区临时体系施工卸载分析

1　工程概况

钢结构工程项目位于安徽省合肥市，如图1所示，项目总体包括总部研发楼、城市展览馆、创新研究院、实验楼以及地库采光顶钢结构等部分，钢结构工程总量为7 000 t。城市展览馆主体为3层钢框架，采用焊接连接箱形钢柱、H形与箱形钢梁、钢筋桁架楼承板。

图1　建筑外观示意

一层顶区域平面布置如图2所示，城市展览馆钢结构悬空区域长度最长为31.7 m，宽度为22.5 m，V形柱为上部结构主要支撑受力构件。

图2 一层顶区域平面布置示意

2　钢支撑设计与验算

2.1　支撑设计

施工前已在城市展览馆钢结构悬空区域布置了临时支撑体系，临时钢支撑布置前应进行设计与安全验算。整个支撑体系应能满足上层结构在全过程施工的承载要求。设计与验算中主要考虑永久荷载D：上层主体结构与支撑架体自重荷载；可变荷载L：正常施工楼面可变荷载取值2.0 kN/m²（荷载大小由设计方提供，下同）。在城市展览馆钢结构悬空区域共设置了13个临时钢支撑，钢支撑圆撑上部支撑于一层顶主梁与主梁交接位置。钢支撑架体采用格构式临时支撑架，支撑架构件连接采用焊接方式，材料采用Q355B，支撑架体如图3所示。

图3　支撑架体示意

临时支撑架区域整体布置如图4所示，对支撑架体进行验算，底部钢框柱柱底采用固定约束，支撑架体立柱底部均采用铰接约束。

图4　临时支撑架区域整体布置示意

2.2　验算结果

在基本组合1.3 D+1.5 L下，钢支撑竖向最大变形为–5.7 mm，位于顶部圆撑位置；组合应力最大值为–236.2 MPa，位于支撑横梁中部位置。设计钢支撑结构整体的变形与应力均未超出限值，且应力比仍具有较大的安全储备，可以满足整个施工阶段结构受力安全。

3　临时支撑拆除方案

根据本项目特点，支撑点均处于受力关键位置，且支撑点数目相对较少，一次性拆除多个支撑可能会引起结构应力与变形发生剧烈变化，因此在不同的拆撑方案中，单次临时钢支撑拆除的数量不超过2个，以此初步控制结构变形与应力，满足GB 50017—2017《钢结构设计标准》的要求[7]。项目拆除前期，共设计单向逐次拆撑﹑双向向内拆撑及双向向外拆撑3种不同数量和顺序的临时体系拆除方案（图5），分析选择最优方案。

（a）

（b）

（c）

图5　支撑架体拆除顺序示意

（a）单向逐次拆撑；（b）双向向内拆撑；

（c）双向向外拆撑

3.1　单向逐次拆撑方案

单向逐次拆撑方案每次拆除1个临时钢支撑，整个拆除过程分为13个阶段。拆撑顺序遵循从悬空端向固定端，从两边向中间的原则，拆除按照图5（a）所示的编号1~13进行。

3.2　双向向内拆撑方案

双向向内拆撑方案基本每次拆除2个临时钢支撑，共分成7个阶段。拆除过程整体按照由远到近、由外向内的顺序，即外部钢支撑从悬空远段向固定端同时对称拆除后，内部钢支撑再从悬空远段向固定端对称拆除，拆除按照图5（b）所示的编号1~7进行。

3.3　双向向外拆撑方案

双向向外拆除方案每次拆除1~2个临时钢支撑，整个拆除过程共分成7个阶段。拆除过程整体按照由近到远、由内向外的顺序，内部钢支撑先从固定端向悬空端对称拆除后，外部钢支撑再从固定端向悬空端对称拆除，拆除按照图5（c）所示的编号1~7进行。

4　拆撑方案施工模拟分析

4.1　模型的建立

采用有限元软件midas Gen分别对3种临时支撑体系拆除方案进行施工阶段模拟分析，主要构件材质规格见表1，计算采用非线性累加模型。

表1 　主要构件材质规格

计算模型如图6所示，用板单元模拟TD3–90钢筋桁架楼承板，分析过程仅考虑楼板自重效应。永久荷载取结构自重，拆除临时支撑时，尽量疏散上方楼面施工作业人员，楼面荷载较小，荷载取值为–0.5 kN/m²。结合3种支撑拆除方案进行施工阶段划分，单向逐次拆撑方案划分13个施工阶段，双向向内拆撑方案划分7个施工阶段，双向向外拆撑划分7个施工阶段，每一个施工阶段按照拆撑顺序钝化支撑与约束条件，模拟对临时支撑拆除的过程。

图6　计算模型示意

4.2　计算结果分析

在基本组合1.3 D+1.5 L下，当所有临时支撑全部拆除后，单向逐次拆撑、双向向内拆撑以及双向向外拆撑3种方案的主体结构竖向位移最大值均为–24.6 mm。结构在拆撑不同阶段的最大变形如图7所示，在单向逐次拆撑的过程中，结构的变形变化整体较平缓，拆除1~5支撑时变形速率增加较快，拆除6~13支撑时变形速率变缓；在双向向内拆撑的过程中，结构变形曲线陡直，拆除支撑时的变形速率显著加快；在双向向外拆撑的过程中，拆除1~4支撑间变形速率较慢，拆除5~12支撑时变形速率迅速增加。

图7　拆撑阶段结构最大竖向变形曲线

单向逐次拆撑、双向向内拆撑以及双向向外拆撑方案的结构最后组合应力值均为–77.7 MPa。拆撑阶段结构最大应力

曲线如图8所示。在单向逐次拆撑的过程中，结构的应力变化平缓连续，在拆撑过程中不存在拉压应力变化的情况，结构受力比较合理。在双向向内拆撑的过程中，拆除1~7支撑时应力变化速率较快。在双向向外拆撑的过程中，拆除1~7支撑时最大应力经过了多次拉压转换的过程，在数值上整体波动性较大。

图8　拆撑阶段结构最大应力曲线

拆撑阶段剩余临时支撑最大应力曲线如图9所示。在单向逐次拆撑方案下，结构剩余临时支撑的组合应力最大值为–272.3 MPa。在双向向内拆撑方案下，剩余临时支撑的组合应力最大值为–260.4 MPa。在双向向外拆撑方案下，剩余临时支撑的组合应力最大值为–198.3 MPa。3种方案下剩余钢支撑的应力满足材料使用要求，支撑结构仍具有较高的安全储备。在同等条件下，双向向内拆撑方案剩余钢支撑最大应力增长速率较快，双向向外拆撑方案剩余钢支撑最大应力最小，而单向逐次拆撑方案剩余钢支撑应力增长速率平缓且最后支撑应力最大，结果表明，单向逐次拆撑方案可以充分发挥剩余钢支撑作用，避免主体钢结构在拆撑过程中应力发生突变。

图9　拆撑阶段剩余临时支撑最大应力曲线

综合3种方案的计算分析结果，单向逐次拆撑方案在拆除过程中结构竖向变形速率平缓，变形曲线与应力曲线趋势基本一致，不存在应力转变的情况，且支撑拆除后主体结构的应力重分布效果最好。因此经过前期分析论证，最终采用单向逐次拆撑方案。

5　施工监测对比分析

5.1　测点布置

在采用单向逐次拆撑方案前，在悬空拆除区域分别布置5个应变和5个变形测点（包含变形基准点）。应变数据测量采用DH1205表面应变传感器和DH3819N无线静态应变采集系统，在V形柱/柱顶布置1个应变测点，V形柱与钢梁相交位置（距钢梁上翼缘与腹板连接位置为150 mm）布置4个应变测点，如图10（a）所示；变形测点采用全站仪与反光片配合测量，测点具体分布如图10（b）所示。

（a）

（b）

图10　测点布置示意

（a）应变测点；（b）变形测点

5.2　计算结果与分析

结构应力结果对比曲线如图11所示（其中，计算应力值扣除未拆撑阶段时的初始值，“L”表示梁，“Z”表示柱，“JS”表示测点计算应力值，“SC”表示实测点应力值，下同）。梁测点1应力为拉应力，拉应力较小，在10 MPa范围内。梁测点2~4为压应力，V形柱测点1为压应力，最大压应力位于测点2，实测值为–47.0 MPa，在基本组合下对应测点理论计算结果为–53.6 MPa。通过曲线对比分析，各个测点应力随着底部钢支撑的拆除逐渐增大，曲线整体变化增长速率较慢，不存在应力突变情况；梁测点1和柱测点1曲线基本保持一致，其余测点的应力计算值比实测值略高，最大相差6.6 MPa。

图11　结构应力结果对比曲线

结构竖向位移结果对比曲线如图12所示，针对4个变形测点（以测点5为基准点）进行分析，V形柱顶端测点变形值很小，最大竖向变形值未超过–4.0 mm，计算与实测结果对比曲线基本吻合。结构悬空端测点1和测点4变形较大，最大竖向变形位置与计算结果一致，位于测点4位置，最大值为–18.8 mm。与应力变化曲线类似，曲线整体变化增长速率较慢，变形无明显激增和骤减情况，测点1和测点4的变形值略小于计算值，最大相差3.9 mm。

图12　结构竖向位移结果对比曲线

通过应力与竖向变形的曲线对比，应力计算结果与实测结果最大偏差12.3 %，变形结果最大偏差17.2 %，计算结果与实测结果在数值大小上存在部分偏差，分析原因可能是在拆除临时支撑的过程中，结构上层平台施工活动部分暂停，实际施工可变荷载偏小。

计算结果与实测结果整体的变化的趋势基本保持一致，部分测点曲线基本吻合，最大误差在可接受范围内，有限元计算结果与实测数据具有良好的相符性。

6　结论

（1）V形柱支撑钢结构悬空区拆除临时支撑体系宜选择单向逐次拆撑方案，单向逐次拆撑方案下结构整体的内力变化平缓，而双向向内与双向向外拆撑方案在拆撑过程中结构内力与变形变化较快，单向逐次拆撑方案在施工卸载过程中有充分的预警时间，保证临时支撑体系卸载过程安全可靠。（2）在施工卸载过程中主体结构与剩余支撑体系不断进行应力重分布，应考虑每次卸载后剩余临时支撑体系的安全储备，避免导致剩余临时支撑体系破坏。（3）不同拆撑方案下，结构在卸载最终阶段的受力与变形结果基本保持一致，但受拆除临时支撑体系数量和顺序的影响，卸载过程中结构的受力与变形剧烈程度不同。对于拆除临时支撑体系具有较高危险性的结构，应优先选择单向逐次拆撑方案，拆撑顺序应进行计算优化，保证卸载过程中主体结构受力均匀无明显突变。（4）对于拆除临时支撑体系具有较高危险性的结构，应提前根据卸载时结构承受的实际荷载进行临时支撑体系拆除分析，卸载过程中应进行施工监测，将两种方法结果对比分析，共同用于指导现场施工临时体系卸载过程。