水立方屋盖钢结构卸载分析 庞京辉邹浩尹敏达谢国昂张凤春吴利利 ( 中建一局钢结构公司，北京1 0 0 1 6 1 )‘北京中房钢结构工程技术有限公司，北京1 0 0 0 3 7 ) 提要本文论述了屋盖空间结构旌工卸载的一般机理，简要介绍了国家游泳中心( “水立方”) 这一新型空间钢结 构的特点及传力体系，建立了空间整体受力分析的计算模型，并根据约束条件在卸载中的变化，对卸载工况、卸载路径及旌 工全过程进行了仿真动态跟综分析，对本工程的卸载特点、施工策略、卸载方法及过程监控作了简要描述，阐释了针对本工 程分两个区域先后进行两次卸载施工的进程和转换，卸载节点的布置、卸载行程的控制目标等对卸载不同步、滞后卸载等 意外工况也作了分析本文对卸载过程所取得的实际数据与理论分析结果进行了对比，验证了设计和施工的正确性，从而使 该结构安全地过渡至使用阶段，使一种基于泡沫理论创意的新型多面体空间网格结构建筑物得以付诸实旅 关键词空间网格、多面体、全支架、仿真分析、卸载行程、同步监测 一、概述 ( 一) 卸载的一般机理 对于采用全支架( 满堂红脚手架) 或部分支架高空散装法安装的大型屋盖空间结构，所谓卸载，是指 放松结构有关节点的附加约束，逐步将这些节点与支撑它的临时支架慢慢脱开，使结构从非受力状态( 或 多点支撑受力状态) 转换至设计结构固有边界条件下的实际受力状态，而临时支承结构则由受力状态转换 至非受力状态，主体结构被过渡至正常使用阶段。
在卸载的过程中，被支撑的节点位移发生变化，导致结 构内部产生变形、内力和反力的重分布，此时荷载工况一般为结构自重及施工荷载的作用，结构处在弹性 阶段工作，其变形和内力经重新分布和调整后较易于达到平衡 ( 二) 工程特点及传力体系 国家游泳中心( “水立方”) 为一新型空问结构立方体建筑物，平面尺寸为1 7 7 m ×1 7 7 m ，总高为3 1 m ， 其屋面和墙面均覆盖以气泡式E T F E 膜材充气气枕( 图I ) 承重钢结构为基于泡沫理论的多面体空间刚架 结构形式，且由竖向分体系与水平分体系构成三维耦联结构受力整体竖向分体系包括周边4 道外墙骨架 和南北、东西各一道内墙骨架，外墙及东西内墙为3 ．5 m 厚的多层梁元多面体空间刚架结构，而南北内墙 则为5 ．9 m 厚水平分体系为屋盖结构，系7 ．2 Ⅲ厚的的多层梁元多面体空间刚架结构( 图2 ) 8 7 2 ( 3 ) 屋盖钢结构在卸载时的变形规律与设计计算基本相符； ( 4 ) 卸载过程中临时支撑结构处于安全工作状态，不应出现压屈失稳 2 、卸载工况模拟计算及施工方案决策 鉴于水立方屋盖钢结构跨度大( 最大净跨度L = 1 3 7 m ) 、支撑点多( 1 4 4 7 点) 以及卸载行程大，要做到 同步控制，这对施工实施是较大的难点和挑战。
因此，我们采用了计算机模拟技术对卸载施工6 种不同的 工况进行了工程模拟计算，并选择了两种最接近于当时施工实际进展的工况进行了比较从而决定采用分 两个区域先后进行两次卸载施工的方案并从1 4 4 7 个支撑点中，选取了1 3 5 个点作为卸载点 3 、卸载方法及行程控制目标 水立方采用分步、等距、多点同步的卸载方法，并以千斤顶的行程作为控制目标所有千斤顶同时卸 载，每一步卸载行程为5 m m 千斤顶随卸载过程从外围向中部一圈一圈逐步退出工作，水平分体系逐渐被 转换到设计受力状态同时，下部的临时支承结构也由负荷设计状态逐渐过渡至自由状态 ( 三) 卸载点布置及卸载边界选择 通过卸载讨‘算分析，在综合考虑了结构构件的卸载应力、节点位移及下部I } 缶时支撑结构的安全性、卸 载千斤项的规格数量和卸载操作的可靠度等多种指标后，确定卸载分两个区域先后进行两次卸载，第一次 是以中隔墙为边界进行西侧小跨度屋面卸载( 轴线A ～A a ／l ～9 ) ，选取了4 0 个卸载点；第二次则是大跨 度屋面的卸载( 轴线A ～A “9 ～2 3 ) ，选取了9 5 个卸载点，卸载点分布如图3 所示 ㈣Ⅻ’' “帆 1] ，、rLr ＼／，Y，＼77 、＼ ≯5 N 卜—— l = l —r —— l —— } ——— —— _ —— ¨n 』 √、、、』y ＼N 嚣 —I —L J I ； l 一： ； l l l ———— l l 目§ § l l } i 一- 自 f正当2 澎黻、 i i — i 自 ，～ 父一L 、少、1 2 々惭： § r J l l 麟 i l = l I _ ‘一 I —， i —— § ——一 ￡ 々 一；，、 三 糕 j 一—— 自 —— l 2 一Ⅻ ．。
l 1：7 图3 卸载点布置图 ( 四) 卸载单元的仿真模拟 屋盖下部的全支架为柔性结构，在卸载过程中，随着外荷载降低会产生回弹计算模型取在每个卸载 点下附加一个与下部支撑结构刚度近似的长单元，通过对各卸载点分级施加位移荷载，得到卸载全过程的 8 7 4 仿真分析数据仿真分析采用N o n l i n e a rS t a t i cP r o c e d u r e 模块，在弹性工作范围内对卸载过程进行分 析，终态标志是所有卸载点支座反力为0 为模拟卸载过程中杆件的“只压”特性，在长单元上端添加了 非线性G A P 连接属性G A P 连接是只能承受压力的非线性连接单元，其非线性的力一变形关系如下： f = k ( d k - o p e n )( 当d - o p e n O 时)( 2 ) 式中：k 为弹簧刚度( 下部施工支撑刚度) ，d k 为弹簧内部变形，o p e n 为缝隙宽度( 本工程取为0 ) ( 五) 结果数据分析 卸载过程模拟分析采用S a p 2 0 0 0V 9 ( 美国C S I 软件公司) 和M S T C A D2 0 0 5 ( 浙江大学) 两套软件进行。
第一次卸载的单元最大应力比为0 ．5 9 ，第二次卸载的单元最大应力比为0 ．8 2 ，卸载最大竖向位移2 4 5 蚴 单元的卸载应力及节点位移对比分析详见图6 、图7 为了更直观地显示卸载过程构件应力水平的变化， 在各卸载步长时的应力水平变化进行对比，如图4 所示： 分别选取应力水平高、中、低的三个构件，对其 图4 杆件应力变化统计图表( N ／m d ) ( 六) 意外情况影响分析 对施工安全影响最大是卸载点的支撑反力及卸载点周边的杆件应力变化以第二次卸载为例，结构在 卸载到6 0 r a m 时结构产生的卸载点反力最大，故取此卸载过程进行意外情况分析 1 、卸载不同步，高反力支座滞后卸载 卸载到6 0 咖时，卸载点3 4 9 处反力最大为3 4 2 K N 若其他卸载点卸载6 0 姗节点3 4 9 卸载滞后一级 卸载5 5 m m ，则3 4 9 节点相近卸载点的反力及相近高应力杆单元的应力变化如表1 ，表2 ： 表1高反力卸载点滞后一级相近卸载点反力变化 节点号 3 4 93 9 32 8 43 8 99 0 9 63 5 2 4 3 6 04 4 0 84 3 9 8 正常( K N ) 3 4 2 3 0 1“62 1 61 0 03 78 2 2 9 52 1 6 滞后( K N ) 4 3 52 8 71 1 32 1 81 1 66 09 3 2 8 22 0 8 表2 高反力卸载点滞后一级相近高应力单元应力比变化表3 高反力卸载点相邻支座失效后其余卸载点反力变化 I 单元号 1 3 3 7 8 l 1 2 2 4 01 2 2 3 1 l 1 6 8 7 4 I 正常0 ．5 50 ．8 20 ．7 40 ．4 4 『_ 滞后 0 ．5 30 ．7 80 ．6 80 ．5 5 I 节点号 3 4 93 8 94 0 44 3 9 8 I 正常( 1 ( N ) 3 4 22 1 62 9 12 1 6 l 失效( K N ) 3 9 92 8 33 2 72 5 4 8 7 5 从以上数据可以看出，卸载点3 4 9 滞后一级，其自身反力增大2 7 ％，周边卸载点反力会相应减少约5 ％～1 0 ％不等，滞后卸载引起的节点反力变化很大，因此对于下部支撑架相当不利，经分析若滞后卸载级 数增加则反力会持续剧烈变化，卸载不同步会对支撑结构的安全产生严重影响，应予以充分重视。
相近高 应力杆单元应力变化不大，但也应控制滞后级数因此应严格控制卸载行程，保证卸载的一致性 2 、高反力支座相邻支座失效 卸载到6 0 咖时，若高反力支座3 4 9 节点相邻节点3 9 3 失效退出工作，则其他相邻节点反力普遍增加， 节点3 4 9 反力也增加，但变化不大反力情况见表3 ： 高反力相邻支座失效退出工作，支座反力会有所增加，支座附近构件应力平均增加2 0 ％，卸载过程应 重点注意高反力支座周边支座情况 3 、高反力支座失效 卸载到6 0 r a m 时，假定节点3 4 9 突然失效，经分析相邻杆件应力变化不大，相邻支座周边杆件应力变化 较大，周边相邻的支撑点反力变化较大，详见表4 ： 表4 高反力支座失效后相邻卸载点的反力变化 l 节点号 3 9 32 8 43 8 9 9 0 9 63 5 24 3 6 04 4 0 84 3 9 8 l 正常( K N ) 3 0 l1 1 62 1 61 0 03 78 22 9 52 1 6 l 失效( K N ) 3 4 41 9 12 5 61 3 56 41 1 83 4 02 3 6 反力平均增大值3 0 ％，个别点增大7 0 ％。
高反力支座下的支撑架的安全性应得到充分保障 经上述分析，卸载过程中发生的各种偶然因素对施工支撑结构的安全均会产生很大不利的影响，因此 在卸载千斤顶的选取及下部支撑架的设计上都应留有足够的安全储备，施工过程应严格执行施工方案 三、卸载施工方法及监控 ( 一) 本工程卸载特点及施工策略 根据仿真模拟计算并结合施工现场的实际情况，卸载施工分两次实施第一次卸载过程中支撑点最大 支座反力2 9 3 K N ，最小支座反力8 2 K N ，第二次卸载过程中最大支座反力3 4 2 K N ，最小支座反力7 5 K N 根据 以上分析结果，在屋盖结构施工中，同时对卸载点的临时支承结构进行局部加强图5 所示为临时支承结 构构造示意图 8 7 6 蒯墚 ＼ 、 ／ ＼X＼／ 、、 ×＼／’、 、 ／＼ ／ 、 一』 ×× ×一 ＼／＼／ —— 哭 _ —— × ／ ＼ ／＼ ， × ×× ＼ ／＼／ 、 —— ×X ———— ? ＼ ／＼， 叉×× b 一＼ ／＼／ 、 ×× ／ ＼／＼y 、．， ×× ? j 夭／ 、／ ＼ X ＼ ＼ 一 弋 Z 7 、、．^ = = ‘一 _ j p ￥ h 图5临时支承结构构造示意图 ( 二) 卸载施工 在屋盖结构施工时，卸载点选用螺旋千斤顶作为临时支承构件，千斤顶承载力的安全系数取为1 ．4 ， 每个卸载千斤顶上均设置5 唧间隔行程标识刻度标尺。
千斤顶型号与数量见表5 ： 表5 卸载点千斤顶规格表 承载力( t )自重( K g )自身高度( 衄)可调高度( 伽)数量( 个)备注 1 61 73 2 01 8 0 2 l用于卸载点 3 2 2 8 3 9 52 0 01 7 用于卸载点 5 05 44 5 22 5 08 7 用于卸载点 5 07 06 1 84 0 0 1 0行程最大的卸载点 ( 三) 卸载过程的监控 在屋盖结构卸载过程中进行同步监测，以便对安全状况进行评估和现场预警根据计算分析的结果在 上弦、下弦和腹杆分别布设了6 5 个、6 0 个和8 5 个( 共计2 1 0 个) 光栅光纤应力一应变传感器，对屋面及 墙体应力比较大的杆件进行监测比较同时，卸载前对所有卸载点标高进行测量，从中选出9 个点作为卸 载过程监测点，将这9 个点卸载前、卸载过程中、卸载后的绝对标高值随时监测，作为屋盖下挠的。