超高层核筒式悬挂钢结构临时支撑体系卸载的影响研究.pdf

第2 5卷第3 期2023年6 月文章编号：1 0 0 8-3 8 1 2(2 0 2 3)0 3-0 1 9-0 6辽宁省交通高等专科学校学报JOURNAL OF LIAONING PROVINCIAL COLLEGE OF COMMUNICATIONS超高层核筒式悬挂钢结构临时支撑体系卸载的影响研究Vol.25 No.3Jun.2 0 2 3郑卫东（中铁十八局集团第三工程有限公司，河北涿州0 7 2 7 50）摘要为探讨临时支撑卸载顺序对悬挑悬挂结构的影响，本文依托于某超高层悬挂钢结构，通过有限元分析软件Midas/Gen建模的方法探讨了不同支撑体系卸载顺序下结构的位移和应力变化情况。其中，引入位移包络值以更直观体现结构空间变形状况、引入应力比值衡量各测点应力变化水平。通过对比卸载模拟数据和实测数据的方法，进一步研究卸载顺序的合理性。从结果看，临时支撑胎架不同卸载顺序将导致卸载悬挑外框结构时出现不同的内力和位移变化，其中，结构竖向沉降受卸载顺序的影响最大。此外，在6 种顺序中，先卸载支撑胎架，再卸载支撑胎架，最后卸载支撑胎架的卸载顺序下各方向位移变形等均可控制在较小范围。比较波动性指标可见，先卸载支撑胎架，再卸载支撑胎架，最后卸载支撑胎架的卸载顺序的应力变化波动性较小，且关键构件在卸载时应力较小，有充足安全余量。关键词超高层悬挂钢结构；施工模拟；临时支撑卸载；应力对比中图分类号：TU393.21引言因钢材自重轻且可悬挑跨度大，因而一般以钢材作为超高层建筑的主要受力材料【1 。超高层钢结构建筑悬挑悬挂部位未形成整体受力结构时，需在建筑结构中设置临时支撑以提供安装支撑力2 。而为确保临时支撑结构的承载力及临时支撑拆除时结构荷载得以平缓转化，应通过数值模拟确定临时支撑的卸载工序，并需监测结构构件及部位的应力应变情况。目前，关于悬挂结构临时支撑的卸载模拟已有较多研究，如石开荣3】等人以珠海仁恒滨海中心为研究对象，探讨了悬挑结构支撑卸载的最佳位置点；还文超【4】等人通过建立有限元模型探讨了临时支撑胎架的合理卸载顺序；肖雪玮5等人以某超长悬挑钢结构为研究对象，以有限元模拟的方法探讨了该结构在支撑卸载转换时的力学变化情况。因施工影响因素较多，各类超高层项目结构特点差异，且目前各类模拟方法均有其局限性，尚未有系统完善的分析方法，关于悬挂悬挑结构超高层钢结构建筑临时支撑卸载顺序的研究也较少，而本文所依托工程结构体系较为特收稿日期：2 0 2 3-0 1-1 1作者简介：郑卫东（1 9 8 1 一），男，河北阜平人，助理工程师。研究方向：市政、房建工程。文献标识码：B殊，其悬挂框体数量较多且外伸跨度较大，在结构未成形之前临时支撑体系需承担多数荷载，而结构内力在卸载临时支撑后又会出现重分布变化情况。因此，为确保临时支撑卸载施工安全，深人研究临时支撑胎架拆除工艺非常必要。2临时支撑体系布置2.1工程概况本文所依托建筑结构的临时支撑体系布置如下图1 所示。核心筒上部悬挑外框体上部悬挑外框体上部支撑（临时桁架）中部支撑（钢管）下部悬挑外框体底部支撑胎架底部分配桁架一图1 临时支撑措置立面布置示意图上部支撑（临时桁架）中部支撑（钢管）下部悬挑外框体底部支撑胎架底部分配桁架.19辽宁省交通高等专科学校学报2.1.1底部临时支撑胎架布置(1）布置情况在塔楼下部悬挑外框体吊柱底部B1、B2、B3布置有格构式支撑胎架T(Ti-1-T1-6)、T 2(T 2-1-T2-4)、T s(T 3-I-T 3-2)。塔楼下部悬挑外框体共有1 0品由四个标准格构式胎架节连接而成的支撑胎架，B1、B2、B3 分别有4 品、4 品和2 品，此外，在胎架下部还设有底部分配架，共同构成底部支撑体系。各支撑胎架高度分别为：Ti=23.7m、T z=32.8m、T=3 6.8 m。临时支撑胎架顶部设有转换钢梁，且其平面中心设有短柱，转换钢梁和短柱以全熔透方式焊接到一起，短柱顶面又全熔透焊接至悬挑吊柱地面，具体见图2。T2-39T2-4T2-2T2-1T1-4T1-3（a）胎架平面布置编号图2 胎架布置示意图注：图中Ti-2第一个下标1 表示BI悬挑外框，第二个下标2 表示第2 品胎架。(2)卸载技术在拆除框体下部支撑时，需先拆除上框体和下框体间的临时支撑钢管，再卸载下部框体底部支撑胎架。2.1.2中部临时支撑钢管布置在塔楼上、下部悬挑外框体间设有中部支撑措施。中部所用支撑形式为圆管支撑，圆钢管尺寸为1000 x30mm。在下部悬挑外框体安装完成后，需在吊柱投影处一次性安装完中部圆钢管支撑。因中部圆钢管上部设有钢短柱，卸载时需先切割短柱，再以倒链配合塔吊一次性拆除完中部钢管支撑。2.1.3上部临时支撑桁架布置考虑到上部悬挑外框结构的安全性，在上部悬挑外框体底部设有临时桁架，主要起到分担上部荷载的作用，具体见图3。在施工完上部悬挑桁架层后即可拆除临时桁架层。202023年6-THMWHJ-10WHJ-128-THMB5WHJ-7WHJ-5t-THM9-THMWHJ-3图3临时桁架平面布置2.2有限元模型结合项目结构设计图，借助MIDAS/GEN有限元软件建立分析模型。模型中，结构底部边界条件为固接，考虑到核心筒框架和悬挂标准层间T3-1通过高强螺栓铰接连接，因此以铰接设定该部分模型的边界组。T3-2短柱转换钢梁T1-2TI-1（b）四拼胎架顶部俯视图WHJ-13B6WHJ-14I-THM一结构桁架钢梁B4一新增桁架钢梁WHJ-2建模后，开展施工模拟分析前需确认所建模型的合理性和真实性是否满足要求，具体可通过对比结构设计软件建立的模型和有限元模型的主要计算指标加以确定。因结构设计分析阶段使用YJK和ETABS程序进行建模，因此选择以YJK和ETABS程序作为对比指标。所得结果见表1，其中，第一振型、第二振型和第三振型分别表示X向平动、Y向平动和扭转。表1 不同程序计算结果对比结构周期周期周期对比项目指标总重/T/sT./sYJK93671.924.944.744.18ETABS94559.814.974.684.17MIDAS/GEN92939.144.844.664.13MIDAS/GEN模型与1.71ETABS模型偏差/%MIDAS/GEN模型与YJK模型偏差/%从结果看，各计算模型间的结构总重量偏差在2%以内，前三阶振型周期偏差在3%以内，三个模型偏差均在5%以内，说明所建立的有限元模型是较为合理的。3临时支撑胎架卸载顺序结构卸载时的内力和变形与临时支撑卸载顺序有较大关系。对所建成的建筑结构而言，过大的应T:/s2.620.430.960.782.021.691.20第3 期力和变形波动均会造成不利的影响，特别是大型钢结构等对变形较为敏感的工程，过大的变形会导致后续结构拼装及构件连接误差不满足要求。从现有研究可知7，各悬挑外框体结构尺寸及布置位置等均有所不同，因而各框体竖向荷载对建筑结构的弯矩有所不同，且每组支撑的卸载都会导致核心筒框架-支撑结构又作用一个偏心荷载。在塔楼结构中，底部支撑胎架是三类支撑的基础，其需分担上部临时支撑和下部框架的施工荷载8。因此，依照卸载临时支撑的整体原则，从卸载临时支撑对结构变形和内力影响程度的角度考虑，选取底部支撑胎架组的卸载顺序为研究对象。在探讨胎架组卸载顺序时，结构各核心筒柱已施工到楼顶，且已全部卸载中部临时支撑钢管。考虑到现场的实际情况，若同时卸载全部胎架将会对既有结构造成较大冲击，且资源部署难度较高9 ，因此，选择按高度分组并以一定顺序依次逐步卸载支撑胎架。按高度分组时，共有六种卸载顺序。3.1不同卸载顺序的位移变化分析对比各支撑卸载顺序下的各测点的位移变化值，所得结果见图4。顺序（3 2 1)(312)(213)(231)10B1B2B35-均值一-均值一-均值0-5-10(uul)-15-20-25-30-35-40B1B2B3B1B2B3B1B2B3B1B2B3B1B2B3悬挑外框体编号（a）悬挑外框体Z方向位移变化极B1B2均值-均值-均值Min个(132)(123)(231)(213)(312)(321)（b）悬挑外框体X方向位移变化极值郑卫东：超高层核筒式悬挂钢结构临时支撑体系卸载的影响研究B3均值均值-均值Min个(132)(123)(231)(213)(312)(321)-20（c）悬挑外框体Y方向位移变化极值图4 悬挑外框体XYZ向位移变化包络极值注：图中正值为上升、负值为下降。从结果看，胎架卸载时外框体关键点位上升极值小于沉降极值。各顺序下，胎架卸载阶段向上提升和向下沉降的最大值分别为4.6 5mm和36.66mm，表明悬挑外框体在各卸载顺序下反弹提升位移和波形均较小，而对沉降变化极值差异有较显著影响。进一步分析各悬挑外框体位移变化方差和均值可知，各顺序下悬挑外框体的沉降极值方差从大到小的排序为：BB2B3。分析沉降变化可知，1 3 2 卸载顺序和1 2 3 卸载顺序下外框体B有最大沉降极值；2 3 1 卸载顺(123)(132)B1B2B3B3Max悬挑外框体编号1-15-10-5位移（mm）B1-15-10位移（mm）序和2 1 3 卸载顺序下外框体B2有最大沉降极值；312卸载顺序和3 2 1 卸载顺序下外框体B3有最大沉降极值，即第一步卸载下部某悬挑外框体时其会有最大的沉降包络图，而最后一步卸载的沉降包络图最小。因卸载顺序对B；沉降的影响最小，第二步或第三步卸载T胎架组时有基本一致的沉降包络值，而最后一步卸载T时相比于其他顺序有最小的沉降包络值，因此各外框体沉降包络值在3 2 1 卸载顺序下均可满足要求，即从位移变化的角度看，3 2 1 卸载顺序较为合理。3.2不同卸载顺序的内力变化分析各卸载顺序下内力变化模拟结果见下图5。(限于篇幅，本文仅列出悬挑外框体B,的模拟结果）(231)(213)F(123)(312)(321)051015B2-5200.8（a）应力变化极值与其均值之比直线分布图MaxB悬挑外框体编号05：Y B-0 2 2YB-023AYB-024VYB-025YB-026YB-0280.91.0应力比值101.11.221辽宁省交通高等专科学校学报YB022YB023YB-024YB025YB026YB028结果可知，相比于卸载T2，B2 和B3外框体在优(231)0.890.960.980.930.970.98(213)0.810.971.010.880.951.01（1 2 3)1.121.041.021.071.031.02(132)1.121.041.021.071.031.02(312)1.171.030.991.121.050.98(321)0.890.960.980.930.970.980123456比值累计（b）应力变化极值与其均值之比累计条形图图5悬挑外框体BI卸载阶段应力变化极值与其均值之比关系图从悬挑外框体BI的模拟结果看，其各测点在卸载顺序1 2 3、1 3 2、2 3 1 和3 2 1 时有较高的直线上的分布集度，2 3 1 和3 2 1 卸载顺序下各测点应力变化极值比各顺序平均值小，而1 3 2 和1 2 3卸载顺序下则较高。从比值累计柱状图看，1 2 3卸载顺序=1 3 2 卸载顺序 3 2 1 卸载顺序=2 3 1 卸载顺序。在最后一步或第一步卸载胎架T 时，T2和T，的卸载顺序对应力变化的影响较小，且最后一步卸载T,时应力变化要小于第一步卸载T的情况，内力波形也小，即应先卸载T2，后卸载T1。从悬挑外框体B2的模拟结果看，其各测点在卸载顺序3 2 1、3 1 2 和1 3 2 时有较高的应力变化绝对最大值，而2 3 1 卸载顺序和2 1 3 卸载顺序下有较大的应力平均值。从比值累计柱状图看，213卸载顺序=2 3 1 卸载顺序 1 3 2 卸载顺序=3 1 2卸载顺序，在最后一步或第一步卸载T,时，Ti或T3的卸载顺序对应力变化的影响较小，且最后一步卸载T,时应力变化绝对值较小。从悬挑外框体B的模拟结果看，在比值累计柱状图中，2 1 3 卸载顺序=1