大跨度空间网架整体提升安全风险评估.pdf

DOI：10.13905/ki.dwjz.2023.6.002大跨度空间网架整体提升安全风险评估THE SAFETY RISK ASSESSMENT OF INTEGRAL LIFTING OF LONG SPAN SPACE GRID STRUCTURERS吴仁强1，殷飞1，司良德1，马金瑜1，赵文宝2（1.中建八局发展建设有限公司，山东 青岛 266000；2.哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001）WU Renqiang1,YIN Fei1,SI Liangde1,MA Jinyu1,ZHAO Wenbao2（1.China Construction Eighth Bureau Development and Construction Co.,Ltd.,Shandong Qingdao 266000,China;2.HarbinEngineering University,Harbin 150001,China）【摘要】为建立异形双曲面钢网架整体提升施工安全评估方法，以对网架提升过程的风险控制措施的制定提供参考依据。研究将网架关键杆节点应力和变形作为控制要素，利用风险理论评估方法及数学统计法建立网架整体提升施工风险评估体系。根据被观测节点和变形划分风险因素集，利用层次分析法计算各风险因素集的影响权重。将风险等级按照灰类等级划分，结合白化权函数求解各个风险因素的灰色模糊评价权矩阵计算风险程度值X并确定风险等级。研究结果表明，层次分析法结合灰色模糊评价法可以更加精准地确定网架整体提升的安全风险等级。施工风险的精准确定可以为施工操作提供更多的参考。【关键词】空间网架；整体提升；层次分析法；灰色模糊理论【中图分类号】TU356【文献标志码】A【文章编号】1001-6864（2023）6-0007-04Abstract：A safety assessment method for integral lifting construction of special-shaped hyperboloid steel spacetruss is proposed for providing the reference during the construction process.Taking the stress and deformation ofkey pole nodes of the grid as the factors,a risk assessment system for the overall improvement of the grid construction is established by using risk theory evaluation methods and mathematical statistics.The risk factor sets based onobserved nodes and deformations are divided,in which analytic hierarchy process is used to calculate the impactweights of each risk factor set.Combined the whitening weight function,the risk levels are divided into grey categories to solve the grey fuzzy evaluation weight matrix of each risk factor,in which the risk degree value X is calculatedand the risk level is determined.The results show that the combination of analytic hierarchy process and grey fuzzyevaluation accurately determines the safety risk level of the integral lifting of the grid structure,which may providethe reference for similar construction operations.Key words：space grid;overall promotion;analytic hierarchy process;grey fuzzy theory0引言螺栓球网架结构是一种大跨度空间结构，根据形式不同可以划分为平面网架和曲面网架。网架由连接构件（螺栓球）和支撑构件（杆件）组成，多用于机场航站楼屋架结构设计。钢网架施工一般选择分块拼装整体提升或分块拼装分区提升的施工方法。提升动力多由液压千斤顶提供，提升吊点设置加劲杆作用在钢网架上，由于网架自重荷载过大，提升吊点以节点力的形式作用在钢网架上，吊点局部杆件和钢网架中某些薄弱杆件会出现应力集中现象。当结构应力接近或大于结构抗力时，网架提升过程就会具有不同程度的风险，如何根据网架力学响应变化对整个工艺进行风险评估是保障施工安全和工程质量的关键一步。近年来，工程监测技术在土木工程领域得到快速发展。网架提升工艺技术复杂，施工难度高，工程风险大，因此需要通过技术手段实时监测网架结构力学参数。高岗等1以珠海航展中心新建主展馆钢网架施工为背景，通过有限元分析方法计算网架杆件和吊点的力学响应，初步验证工艺安全性。在液压提升系统的提升设备上布设相关传感器，从而保证提升的同步性及精确性。季克建2针对在液压提升设备数量多时会出现局部提升高度差异的问题，提出了应用BIM可视化技术将全站监测数据显示在管理平台进而便于完成网架提升过程的监测工作。相里永文3以北京某新机场东航机库钢网架施工为例，介绍了钢网架整体提升的关键施工技术，并阐述了选择方案的原因。梁恒越等4对网架提升关键尺寸指标监测技术展开了研究，随着两相计算流体力学（CFD）技术的发展，通过有限元仿真计算网架结构在提升过程中的应力-应变基金项目 国家自然科学基金项目“基于主被动声发射融合的大跨度桥梁钢箱梁疲劳裂纹智能监测与诊断”（52278297）7低温建筑技术-结构工程Jun.2023 No.300和挠度变形，选择合适的测点位置布设传感器。通过控制关键测点应力及变形大小在安全限度内保证网架提升工艺安全。程小娇5从监理的角度研究大型网架整体提升的控制技术，主要控制内容包括材料监督，施工检查及提升前各项验收等，从监理方面控制网架提升工艺的安全性。但目前针对大体量钢网架整体提升过程的风险等级评估研究较少，更多地研究将目光投到了看似更为重要的施工控制方面，风险等级评估略显不足。因此，文中基于层次分析法和灰色模糊评价法建立大体量双曲面网架结构整体提升风险等级评估体系。通过有限元分析方法计算提升过程中网架结构的应力分布情况并以此做参考布设应变传感器，以网架局部杆件和提升吊点的实测和模拟应力值为控制因素，根据建立风险评估体系计算施工过程的风险等级，为接下来的风险控制措施提供依据。1工程概况临沂启阳机场航站楼改扩建工程中航站楼大厅屋盖钢结构网架采用的就是“楼面或地面拼装，分区累积提升到位”的施工方法。整个网架结构被划分成两个区域（提升一区和提升二区），如图1所示。屋盖钢结构主要包括单层网壳、拉索幕墙桁架、网架、马道及屋面主檩几部分且屋面主檩和马道随屋盖结构一同提升。2有限元分析2.1有限元仿真及传感器测点布设利用Midas Gen软件建立网架结构提升过程的有限元分析模型，计算提升过程的网架提升节点和其他杆件的应力分布。网架提升过程的应力云图如图2所示。提升过程中水平竖直方向的结构形变见图3。根据软件计算应力分布情况及工程经验选择合适的杆件区域作为测点布设应变传感器，测点布设示意图如图4所示。从有限元计算结果中可以得出提升过程中梁单元的最大应力为-232MPa，桁架单元的最大应力为262MPa。通过观察结构变形云图可知，结构在提升过程中的水平方向最大变形为18.5mm，竖直方向的最大变形为42.4mm。结构应力通过在关键测点布设光纤光栅应变传感器的方法进行测量。当结构表面产生应力变化时会出现细微变形，传感器和结构表面固结，因此传感器内部的光纤波长会发生变化，通过测量反射光波长的变化就可以计算这个部位的应力变化，由于传感器在提升前已经布设完毕，结构测点初始应力可以近似为零。2.2实测数据分析将采集到的传感器信号进行处理换算成应力数据，根据测点材料力学参数设置风险等级线，当测点实测应力数据超过等级线的部分越多或越过等级线越高则表明结构此时处于较大安全风险中，工程实测图1网架提升区域划分提升一区提升二区钢结构堆场（a）梁单元应力云图（b）桁架单元应力云图图2网架提升单元应力云图（单位：MPa）（a）网架水平位移图3提升阶段网架位移图（单位：mm）（b）网架竖向位移图4应变传感器布设电源工作站8数据曲线如图5所示。从图5可知，在网架结构提升过程中，被测9个关键部位的应力极值和平均值均小于所设各级预警阈值，表明在提升过程中结构相对安全（其中测点1、2、5、6为提升吊点处测点）。3层次分析法确定风险因素集权重3.1网架提升风险因素集网架应力测试和有限元分析结果作为风险因素集的控制要素，将有限元计算应力分布情况、有限元变形计算情况、提升吊点应力实测情况和网架局部杆件应力实测情况作为风险因素集。3.2风险因素集权重计算通过对各风险因素两两对比，确定相对重要程度并构造判断矩阵A，且要满足Ax=maxx的最大特征值max对应的特征向量经归一化处理后为风险因素的权重。为了消除评价者的主观影响，需要对判断矩阵进行一致性检验，验算公式如式（1）所示6，7：CI=max-1n-1,CR=C1R1（1）式中，CI为一致性指标；n为风险因素个数；max为判断矩阵的最大特征值；RI为平均一致性随机系数；CR为一致性比重。CR0.1时，一致性检验通过，反之则需要修正判断矩阵直至满足要求。通过对比各风险因素对工艺的影响程度，得到如下判断矩阵，利用SPSSAU在线数据分析系统对矩阵进行一致性检验。矩阵A=11.250.20.3330.810.1670.2865611.66733.50.61SPSSAU一致性检验结果见表1，表2。4灰色模糊分析法进行风险等级评估4.1风险评价等级划分根据以往经验及当前相关研究常用等级划分类、类、类和类，每类等级分别用10分制进行风险程度划分，见表3。4.2建立风险评价矩阵组织专家及相关人员对各风险因素的结果进行10分制评分。组织4个专家及相关人员根据仿真计算结果和实测结果对每个风险因素集进行多次评分，取平均值作为最终结果。4.3确定灰类等级及白化权函数根据文中划分的四级风险等级，确定每类等级相对应的白化权函数如下。类：f1()x=x9,0 x 91,x 9类：f2()x=x7,0 x 71,x 7类：f3()x=x5,0 x 5-x5+2,5 x 10类：f4()x=x3,0 x 3-x3+2,3 x 60,x 64.4确定灰色模糊矩阵根据四类白化权函数计算每个风险因素集的各类灰色评价系数，总灰色评价系数以及最终求解灰色评价权。计算单一风险因素的灰色统计值，并记作nij，由此可推第i个风险因素的各类灰色统计值计算方法见式（2）8。nih=c=1kfh()aci（2）式中，k为评分专家人数；fh代表各类白化权函数。300250200150100500-50应力/MPa123456789测点应力极值应力平均值一级预警二级预警三级预警图5测点实测应力曲线表1一致性检验结果最大特征根4.0CI值0.0RI值0.89CR值0.0一致性检验结果通过表2AHP层次分析权重计算结果计算项有限元应力计算有限元变形计算提升吊点应力实测网架杆件应力实测特征向量0.4120.3382.0371.213权重值/%10.2898.46150.91430.336表3不同评价等级含义评价等级类类类类风险概率大一般一般比较小风险损失大较大一般比较小9低温建筑技术-结构工程Jun.2023 No.300总灰色评价系数：ni=i=14nil（3）灰色评价权：vij=i=14()j=1,2,3,4（4）第i个风险因素的灰色评价权向量：v=i=1nij()j=1,2,3,4（5）第i个风险因素的灰色评价权向量为v=（vi1，vi2，vi3，vi4），则大跨度空间网架整体提升的n个风险因素的灰色模糊评价矩阵。V=()vi1,vi2,vi3,vi4=v11v12v1nv21v22v2nvk1vk2vkn4.5风险评估4.5.1求解灰色模糊评价矩阵根据有限元分析结果和实测数据对每个风险因素按照不同的风向等级进行评分，得到评分矩阵。H=|8766775698477955根据评分矩阵和白化权函数计算对应的灰类统计值，以 U1为例：类灰色统计数值为 f1（x）=3.4，f2（x）=4.0，f3（x）=1.8，f4（x）=0；U1的总灰类统计值为9.2，每一类的风险评估权重为 n1=0.37，n2=0.43，n3=0.20，n4=0。按照这种方法求解其余风险因素评估权重并得到由全部风险因素权重组成的灰色模糊评价矩阵V。V=|0.370.430.2000.370.430.2000.210.280.380.130.280.360.330.034.5.2计算风险等级和类别利用风险因素重要程度权重和灰色模糊评价矩阵求解大跨度空间网架结构整体提升施工风险程度值X。X=W V=（0.1763，0.1763，0.2782，0.2364）根据最大隶属度原则，大跨度空间网架结构整体提升施工安全风险等级为级，即发生施工风险的概率为一般，风险发生所造成的损失也一般9。4.5.3网架提升安全保障措施建议经过计算分析，在结构力学参数安全性评估的结果为级，结构安全性一般。为提升施工安全保障，建议增加相应措施：降低提升速度，增加检修步骤；对于可能发生风险的结构部位增加关注并提前加固；提升技术人员和管理人员素质，密切协调各方。5结语（1）针对大跨度空间网架整体提升施工工艺，利用有限元分析结合施工过程结构关键部位应力实测作为主要风险因素，建立空间网架结构整体提升工艺的施工风险评估体系。（2）利用层次分析法以及通过数学方法对模糊评价因素精确化，并将这种方法应用到了实际工程中，为施工安全提供参考。（3）根据所求风险程度值X可知，工程网架结构整体提升施工风险等级为级，可作为施工风险措施设计与实施的参考。参考文献1 高岗，贡艺琪.大跨度重型螺栓求屋盖网架吊装施工技术 J.施工技术，2016，45：392-396.2 季克建.基于BIM技术的网架液压提升施工技术 J.施工技术，2019，48（10）：92-95.3 相里永文.整体提升技术在北京新机场东航机库工程中的应用 J.建筑技术，2019，50（7）：871-874.4 梁恒越，宋艳玥，乔锋，等.双层钢网架提升关键尺寸指标控制与监测技术 J.建筑技术，2022，53（10）：1347-1353.5 程小娇.特大型网架整体提升监理控制 J.建筑施工，2016，38（1）：29-32.6 ALVES MARCOS ANTONIO,MENEGHINI IVAN REINALDO,GASPAR CUNHA ANTNIO,et al.Machine learning-driven approach for large scale decision making with the analytic hierarchy process J.Mathematics,2023,11(3)：627-627.7 QIAO L,ZHANG L.Evaluation of general airport site selectionbased on synthetic weighting method and greyfuzzy theoryC/Wuhan Zhicheng Times Cultural Development Co.,Ltd.Proceedings of 2018 the 2nd international conference on sports,arts,education and management engineering.atlantis press,2018:8.8 林锦腾.基于灰色模糊层次分析理论的斜拉桥施工风险评估J.城市道桥与防洪，2019（8）：178-182.9 高伟.基于层次分析与灰色模糊理论的桥梁建设风险评估研究 D.成都：西南交通大学，2012.收稿日期2023-3-16作者简介吴仁强（1990），男，山东巨野人，工程师，现从事建筑结构设计与施工。通信作者赵文宝（1996），男，辽宁朝阳人，硕士研究生，研究方向：结构健康监测。10