大跨度环形钢结构卸载方案分析与监测

1　工程概况

国家现代农业产业园综合服务中心建设项目位于山东省德州市齐河县，建筑功能为办公及展览，总建筑面积2.99万m2，共分为4个区域，如图1所示。1~3区为框架–防屈曲支撑结构，4区顶部钢结构为环形钢桁架结构。

图1　整体布置示意

4区顶部钢结构为环形钢桁架结构上，支座间环向最大跨度为82.9 m，桁架高度10.0 m，底标高为12.250 m，顶标高为22.250 m，外径为103.8 m，环向总长度为326 m。环向由内、外两榀带斜支撑环向桁架和中间两榀空腹环向桁架组成，每隔15 °设径向桁架。标高12.250 m、17.250 m、22.250 m处分别设置水平梁和支撑。钢梁、支撑均为H形截面，最大构件截面H 700×700×40×40 mm，最大板件厚度为40 mm；钢柱均采用圆管截面形式，最大构件截面 600mm×30 mm，最大钢管壁厚为30 mm。钢梁、柱及支撑材料采用Q355B或Q390B钢材。

2　结构安装和临时支撑布置

2.1结构安装顺序

国家农业服务中心钢结构工程采用混合安装法，根据施工安装步骤将钢环根据轴线按逆时针顺序分为A区（A1~AB），B区（B1~BC）和C区（C1~CA）共24个区域（图2），施工安装时从B1区域开始安装，分别沿顺时针、逆时针同时进行安装，在CA区域将整体结构进行合拢。在安装过程中，首先将环形钢桁架分解为若干环向桁架单元和径向桁架单元，吊装单元由单根钢桁架在现场进行焊接连接，拼接完成后进行单元整体吊装，环、径向桁架拼接就位后，高空原位拼接斜撑等剩余构件。

图2　结构施工区域划分示意

2.2　临时支撑布置

国家现代农业产业园综合服务中心临时支撑采取格构式临时支撑组成的支撑体系，临时支撑要满足最大承载力以及整体稳定性的要求，并通过缆风绳稳定临时支撑，以减小风荷载对临时支撑的影响。由于结构在支座群跨中区域变形较大，因此临时支撑的布置集中于支座跨中区域（A1~A3、B1~B3、C1~C3），共设置22根临时支撑，其编号及分布如图3所示。

图3　临时支撑布置示意

3　卸载方案选取

3.1　结构力学性能分析

环形钢结构受力情况复杂，如图4所示。在重力、永久、可变荷载作用下，结构除会受到弯矩、剪力以及轴力作用，结构还会不断受到向下的扭转作用，这种扭转作用在结构跨中区域尤为显著，此外，环形钢结构受温度影响比普通钢结构也更为显著，在温度作用下，由于环形结构内环、外环每榀框架跨度不一致，同时内外环之间的径向钢架在温度作用下发生的变形也影响着内、外环钢架变形，在温度作用下3部分钢架变形在温度作用下相互影响，使结构变形更复杂。因此，环形结构相较于规则结构受力情况更复杂。

图4　结构受力示意

在卸载过程中，结构受温度作用影响较小，可变荷载仅是卸载人员自重。此外，楼板浇筑、幕墙安装均在卸载后进行，因此温度、永久、可变荷载作用在卸载阶段均可以忽略不计，仅考虑结构在自重作用下结构受力情况。

3.2　有限元建模

按实际工程状况进行建模。结构在施工过程中除承受轴力外，还承受剪力和弯矩，因此杆件均采用梁单元。卸载过程通过对卸载部位施加强制位移实现。

3.3　扭转作用验证

由于结构跨中扭转作用较为显著，为验证自重作用下结构扭转效应的影响因素，现选择6个模拟竖向位移点数据进行分析，在A、B区外环跨中、靠近支座处以及以上两点中间处选择模拟数据进行对比，点位置以及编号如图5所示。

图5　扭转监测点布置示意

得出最大扭转角度约为0.018 °，发生在A区跨中。从扭转角度以及点位置可以得出，见表1，扭转角度与结构自重、跨度、径向悬挑长度呈正比。

表1　监测点扭转角度

3.4　卸载方案选取

临时支撑的卸载过程是一个结构边界条件不断变化的过程，在这个过程中，结构内力则不断发生重分布。因此，临时支撑卸载方式的不同对结构最后成型会产生不同的影响，为保证结构在施工过程中内力有一个由临时支撑到主体结构的平稳过渡，现拟定3种不同的卸载方法，各支撑点同步卸载、多支撑点循环卸载以及分区分级卸载。通过有限元分析软件midas Gen进行结构内力、位移模拟分析，进而确定出最佳的卸载方案。

3.4.1　各支撑点同步卸载

各支撑点同步卸载是将A、B、C区临时支撑按卸载量等比例进行同时卸载，临时支撑分为3组，第一组卸载支座为ZC1、ZC3、ZC5、ZC6、ZC8、ZC11、ZC12、ZC15、ZC16、ZC19、ZC20、ZC25；第二组卸载支座为ZC2、ZC9、ZC10、ZC17、ZC18；第三组卸载支座为ZC4、ZC7、ZC13、ZC14、ZC21。共分为6个施工步，每个卸载步中各支撑点等比例同步卸载，每组临时支撑通过6个施工步完成卸载。

3.4.2　分级循环卸载

采用分级循环卸载时，结构临时支撑分为两组，第一组卸载支座为ZC1、ZC3、ZC5、ZC6、ZC8、ZC11、ZC12、ZC15、ZC16、ZC19、ZC20、ZC25；第二组卸载支座为ZC2、ZC4、ZC7、ZC9、ZC10、ZC13、ZC14、ZC17、ZC18、ZC21。两组交替卸载，卸载共分为6个施工步，每组临时支撑卸载通过3步完成卸载。

3.4.3　分区分级同步卸载

按照分级同步卸载进行临时支撑卸载时，临时支撑按钢结构平面分区分为3组，第一组卸载支座为ZC1、ZC2、ZC3、ZC4、ZC5、ZC6、ZC7；第二组卸载支座为ZC8、ZC9、ZC10、ZC11、ZC12、ZC13、ZC14、ZC15；第三组卸载支座为ZC16、ZC17、ZC18、ZC19、ZC20、ZC21、ZC22。卸载部分为6步，每组分两步卸载完毕，每步分成3级进行卸载，首先进行B区临时支撑卸载，其次进行A区临时支撑卸载，最后进行C区临时支撑卸载，每个区域分两步完成卸载。

3.4.4　卸载模拟分析

通过有限元分析对比可知（图6），在卸载过程中，3种卸载方案最大竖向位移比较接近，竖向位移都随着卸载步的进行逐渐增大，同步卸载和分级循环卸载位移变化比较稳定。分区分级卸载在卸载过程中位移变化较大，这种变化会引起结构构件较大变形，同时对后续构件的安装也会产生影响。

（a）                           （b）

（c）

图6　卸载方案竖向位移对比

（a）A区竖向位移对比；（b）B区竖向位移对比；

（c）C区竖向位移对比

通过应力变化可以看出，各卸载方案中分区分级卸载最大卸载应力大于其他两种卸载方案的最大应力，同时应力变化与另两种卸载方案相比也更加剧烈，同步卸载应力变化最为平缓。从应力变化中可以得知，同步卸载对临时支撑的卸载最有利，结构应力能够平稳地从临时支撑转移到主体结构，分区分级卸载应力变化比较剧烈，对结构卸载最不利。

3.5　临时支撑卸载方案选取

在实际卸载过程中，由于场地比较狭小，各支撑点同步卸载施工展开有一定的困难，同时受作业人员影响，所有支撑点同比例下降较为困难，而分区分级卸载在卸载过程中会有较大位移和应力变化，对后期钢结构安装会产生一定的影响，同时也不利于结构内力由临时支撑平稳向主体结构过渡。分级循环卸载在卸载时受场地、人员影响小于各支撑点同步卸载，同时应力、位移变化也显著优于分区分级卸载方案，综合比较以上3种方案，因此选取同步循环卸载作为卸载方案进行临时支撑卸载。