0 引言

　　大跨度钢结构由于其造型美观、内部空间功能多样、抗震性能优异等特点已广泛应用于实际工程^[1,2,3,4,5]，但在施工建造过程中，大跨度钢结构也面临着现场工况复杂、安装精度要求高、变形监测难度大等难题，随着计算机仿真技术和有限元法的发展，复杂钢结构施工过程中的验算分析成为了解决相关难题的较好途径^[6,7,8,9]。目前相关大跨度钢结构施工过程中安装与卸载计算方面研究尚少。以参建的安哥拉卡宾达大学高碗钢结构为分析对象，采用SAP2000软件进行施工安装及卸载过程有限元计算分析，验证施工方案的可行性，提出高碗钢结构斜撑加固技术措施。

　　1 工程概况

　　安哥拉卡宾达大学城综合楼工程建筑总面积41 954m²，主要由基座钢结构、低碗钢结构、高碗钢结构和天桥、坡道钢结构等部分组成。其中，高碗部分主体高度为38.850m，最大悬挑长度为23.5m，球体半径为35.02m，碗部总质量为5 000t，地上10层，地下4层，主体采用框架-核心筒结构。由14根落地钢管混凝土柱、1个钢筋混凝土核心筒支撑及14根临时支撑柱组成竖向支撑结构体系，碗壳为双向平行网格壳体，楼层为钢结构梁柱体系，14根落地钢管柱通过水平钢结构梁与钢筋混凝土核心筒连接，其结构布置如图1所示。

　　图1 主体结构与临时支撑布置 

　　2 安装及卸载方案

　　高碗钢结构的施工过程主要分为6个阶段:(1)钢结构安装阶段从底层柱、临时支撑开始，一直到所有钢结构安装完毕;(2)首次卸载阶段(6级卸载)先用4个千斤顶代替临时垫块顶住上部结构，此后可通过调节千斤顶对整体结构进行分级卸载，一直卸载至千斤顶刚好和上部结构分离，此时千斤顶不承受荷载作用;(3)浇筑第5层和第6层楼板浇筑完毕后，千斤顶将承受这两层楼板重量;(4)二次卸载(3级卸载)待第5层和第6层楼板的混凝土达到85%的设计强度后，调节千斤顶，对结构进行分级卸载，直至千斤顶不承受荷载作用;(5)浇筑剩余楼层的楼板二次卸载完成后浇筑剩余楼层的楼板，待浇筑完毕后千斤顶又将承受二次浇筑的楼板自重;(6)完全卸载(1级卸载)等所有楼层的混凝土强度达到85%设计强度后，调节千斤顶进行分级卸载，直至所有千斤顶和上部结构分离。

　　2.1 第1阶段

　　安装临时支撑和各层梁柱，在此阶段不可浇筑混凝土楼板。根据结构布置图，由于5层楼外围钢柱为悬挑钢柱，为保证上部钢结构顺利安装，在悬挑柱下方设置临时支撑构件，承担上部钢结构自重和施工状态下产生的荷载。安装完成后通过卸载临时支撑上部荷载，从而实现主体结构的受力平衡转换。

　　临时支撑柱由支撑柱、支撑梁、斜撑等组成稳定的空间刚度单元。支撑柱为φ600×10焊接钢管，水平支撑梁为H300×300×10×15，斜撑为└140×10+└180×16及2└180×16，材料均为Q345B。为控制整体结构在安装过程中的安全性，选择安装至第4,6,8,14层对结构进行施工验算。安装到不同楼层模型如图2所示。

　　2.2 第2阶段

　　待钢结构吊装完成后，改变临时支撑柱与上层钢柱间的连接方式。经计算得出在无支撑时钢结构自重下的整体结构各控制点的挠度，进行分级卸载。在每级卸载阶段，临时支撑按先卸载悬挑远端、再卸载悬挑近端，距圆心相同位置的点同时对称卸载的顺序，具体卸载顺序按临时支撑柱的编号顺序依次进行，共进行6级卸载。临时支撑点首次卸载、二次卸载和完全卸载位移如表1所示，其中千斤顶位置与临时支撑位置一致。

　　表1 临时支撑点各阶段卸载位移 

　　mm

　　2.3 第3及第5阶段

　　经过第1次卸载，各支撑点的力逐渐传至主结构落地柱上，减少了临时支撑桁架上的作用力，此时，进行第5层和第6层楼板浇筑。二次卸载后，进行剩余楼层楼板浇筑。其结构模型如图3所示。

　　3 安装及卸载施工验算

　　3.1 安装阶段

　　安装至第6层和第8层时临时支撑柱的轴力、变形和钢结构部分的变形如图4,5所示，在此阶段主要考虑自重和风荷载作用。风荷载分布于底层柱与壳体外层构件，其荷载组合为:1.35×自重，1.2×恒载+1.4×风荷载。

　　图2 钢结构安装至第4,6,8,14层模型示意 

　　图3 第3及第5阶段结构模型 

　　图4 安装至第6层 

　　图5 安装至第8层 

　　此阶段临时支撑的最大挠度为12.0mm，最大应力比为0.655;钢结构部分的最大挠度为22.4mm，最大应力比为0.602。故钢结构部分和临时支撑部分的应力比均≤0.95，临时支撑柱最大轴力为2 394.23kN。此阶段的结构安装处于安全状态。分析可知，采用先安装钢结构部分后浇筑楼板方案，在钢结构安装阶段，各构件强度均满足要求。

　　3.2 卸载阶段

　　采用SAP2000软件建立钢结构安装模型^[10]，运用“拆杆法”进行卸载。模型中考虑结构的自重及其比例系数1.1，采用两段铰接的短杆模拟千斤顶，采用支座位移荷载模拟千斤顶卸载。由于卸载阶段分级较多，以首次卸载第1,3,6级，二次卸载1,3级，完全卸载为例进行说明。

　　由计算结果可知，临时支撑轴力最大为2 155kN，临时支撑最大挠度为10.4mm，均发生在首次卸载第1级，主结构大部分杆件变形较小，最大变形为28.7mm，发生在首次卸载第6级，结构变形在允许范围之内。

　　所有安装阶段和卸载阶段临时支撑结构及主体结构最大应力比、最大变形如表2所示。分析数据可知，在整个施工过程中，上部结构和下部支撑结构均处于安全范围内。

　　表2 各阶段最大应力和最大挠度 

　　4 加固构造措施

　　由于海外现场工况较复杂，考虑高碗卸载过程中结构安全，尤其是荷载可能存在的不同步等问题，对高碗结构应力较大的斜撑进行加强处理:在斜撑杆件两端L/3长度范围内上、下翼缘焊贴厚度为12mm的Q345B钢板，焊脚尺寸为12mm;在斜撑杆件长度范围内腹板两侧边缘坡口焊接钢板形成箱体，钢板为厚度20mm的Q345B钢。具体加强构造如图6所示。

　　图6 斜撑加强构造示意 

　　5 结语

　　1)采用SAP2000软件进行有限元计算时，运用“拆杆法”进行卸载，可较好地模拟卸载过程，计算结果偏于安全，考虑了一定的结构安全储备。

　　2)安装过程中钢结构和临时支撑的应力比均≤0.95，因此采用先安装钢结构部分后浇筑楼板的施工方案是安全可靠。

　　3)考虑到实际卸载过程的复杂情况，实际施工过程中应对有限元计算应力较高的杆件或结构进行补强加固，以确保整体结构安全。