大跨度空间钢结构施工卸载过程模拟分析与监测.pdf

大跨度空间钢结构施工卸载过程模拟分析与监测刘戈，杨凯丞（天津城建大学 土木工程学院，天津 300384）摘要：以国航股份飞行模拟训练基地二期建设项目中的单体建筑星空大讲堂为例，提出了一种根据结构的受力特点依次拆除临时支撑的施工卸载方案.通过采用有限元软件对施工卸载过程进行数值模拟分析，并对其在施工卸载过程中关键杆件的内力及变形进行实时监测，将获得的实时监测数据与有限元数值模拟结果进行对比分析.结果显示，实时监测数据与有限元数值模拟结果吻合度较好，表明该结构施工卸载过程使用有限元法模拟和监控实施的正确性与合理性.关键词：大跨度空间钢结构；支撑卸载；施工监测；施工模拟中图分类号：TU393.3文献标志码：A文章编号：2095-719X（2023）04-0241-07Simulation Analysis and Monitoring Of Unloading Process in ConstructionOf Large Span Space Steel StructureLIU Ge,YANG Kaicheng（School of Civil Engineering,TCU,Tianjin 300384,China）Abstract：Based on the example of the monomer building院the star lecture hall of Air China Stock Flight simulation trainingbase phase II construction project,this paper proposes an unloading plan of the temporary support construction according tothe loading features of the structure.Through numerical simulation analysis of the unloading process by adopting finiteelement software,and the real-time monitoring of the internal force and deformation of the key links in the unloading processof the construction,the real-time monitoring data were compared with the finite element numerical simulation results.Theresults show that the real-time monitoring data is in good agreement with the finite element numerical simulation results,which indicates that the finite element method is correct and reasonable to simulate and monitor the unloading process of thestructure.Key words：large-span spatial steel structure;support unloading;construction monitoring;construction simulation收稿日期：2021-11-25；修订日期：2021-12-14作者简介：刘戈（1977），男，天津人，天津城建大学教授，博士.DOI：10.19479/j.2095-719x.2304241天津城建大学学报允燥怎则灶葬造 o枣 栽蚤葬灶躁蚤灶 Chengjian 哉灶蚤增藻则泽蚤贼赠第 29 卷第 4 期圆园23 年 8 月Vol.29No.4Aug.2023近年来，大跨度空间钢结构在我国的建筑领域得到了长远的发展，全国各地陆陆续续涌现了诸如国家体育场、国家大剧院和天津大剧院等大型公共建筑.这些大跨度空间钢结构造型新颖、富有艺术美感、科技含量高，因而深受人们的欢迎和关注；同时大跨度空间钢结构的建造技术及在施工过程中的安全性和可靠性也成为了重要的研究方向1.本文以国航股份飞行模拟训练基地二期建设项目中的单体建筑星空大讲堂为例，对其钢结构屋盖进行研究.星空大讲堂钢结构屋盖施工采用搭设临时支撑结构，通过地面拼装成分块网架后，利用吊车进行高空分块吊装.当网架整体吊装焊接完成后，对临时支撑结构进行依次拆除，此过程又称为卸载过程2.卸载过程是指结构受力逐渐由临时支撑柱转移到主体结构，并且结构体系会随着临时支撑的拆除发生一定的变化，是主体结构和临时支撑相互作用的一个复杂过程3.本文通过利用有限元软件MIDAS GEN 对星空大讲堂钢结构屋盖进行施工卸载过程的数值模拟分析，为其施工卸载的顺利进行提供了重要的理论依据；并对施工卸载过程中结构关键构件的内力及变形进行实时监测，监测构件在施工卸载过程中的实际受力及变形情况与有限元数值模拟结果是否相符，这也对保证大跨度空间钢结构的安全性及稳定性具有重要的参考意义4.天津城建大学学报第 29 卷第 4 期1工程概况国航股份飞行模拟训练基地二期建设项目包含星空大讲堂等建筑与结构风格各异的四个单体建筑.其中星空大讲堂屋面呈贝雷帽形，长度为 65.84 m，宽度为 41.80 m，地上 2 层，建筑高度 18.92 m；下部为圆柱与弧形梁钢筋混凝土框架结构支撑，上部屋盖为焊接空心球节点正交正放四角椎体钢网架；屋面采用直立锁边金属铝板幕墙系统，部分外墙采用网架挂装饰铝板幕墙，如图 1 所示.星空大讲堂屋盖钢网架结构呈多曲面布置，造型独特.底部通过钢筋混凝土圆柱与弧形梁支承，周边下弦通过不同标高柱顶（柱侧）支承，平面投影最大尺寸约 63.7 m伊39.8 m，共设网架焊接球 1 360 个，安装杆件 5 373 根，整个网架重约 100 t.其钢结构屋盖为双曲异形复杂网架，屋面跨度 40 m，长度 63.7 m，最大高度 17 m，形式为正交正放四角锥焊接空心球网架.网架杆件采用焊接或无缝钢管，材质为 Q345B，钢管截面规格主要有 准60 伊 5、准75.5 伊 3.75、准89 伊 4、准108 伊4、准114 伊 4、准140 伊 5、准168 伊 6、准180 伊 8、准180 伊 10、准219 伊 12，共十种.焊接球材质为 Q345B，规格有WS2006、WS2808、WSR3010、WSR4012、WSR5016 五种.屋盖网架通过支座安装于周边混凝土柱上，如图 2所示.图 1星空大讲堂效果（a）星空大讲堂结构三维模型中部大厅屋面网架周边支撑柱（b）星空大讲堂结构平面示意73 m图 2星空大讲堂结构三维模型与平面示意2施工卸载方案拆除临时支撑的过程对于主体结构而言是一个复杂的力学过程，也是大跨度空间钢结构施工过程中非常关键的环节5.本工程的施工卸载主要是指网架整体吊装焊接完成，并且与柱顶和柱侧连接支座全部完成后，随着对单元临时支撑进行逐一拆除，钢结构屋盖会将内力传递给主体结构.首先，当所有构件合拢焊接完毕，并且经过质量检验验收合格，随着钢结构屋盖网架的整体稳定，开始逐一对临时支撑柱进行拆除6.卸载方法采用火焰热变形法，对临时支撑柱顶下方 100 mm 位置烘烤至700800 益，临时支撑杆件受热后逐渐失去强度，对屋面荷载缓慢卸载.本工程共设有 14 根临时支撑.对大跨度空间钢网架结构进行施工卸载过程的整体计算，得出自重情况下网架中部最大挠度为 8.9 mm，如图 3 所示.当拆除中部两根临时支撑杆件后，网架整体的挠度最大，而当拆除网架靠近外部四周的临时支撑杆件后，网架图 3网架整体挠度计算结果最大：-8.92422023 年 8 月整体的挠度相对较小.因此，本次施工卸载方案按照由中间向周边，即由数值模拟变形最大位置向变形最小位置的顺序卸载.根据临时支撑拆除的顺序依次对其进行标号，如图 4 所示，按照图中的单元临时支撑标号顺序从 1 号临时支撑开始依次向周边卸载.3施工监测方案由于国航星空大讲堂造型独特且结构相对复杂，在施工技术方面的要求会较普通建筑物的难度有所升高，并且在施工阶段结构的受力状态会与结构最终的受力状态不完全一致，因此有必要对其在施工过程中进行结构健康监测，以实时了解结构关键构件的受力状态，从而保证施工的顺利进行.本监测方案以国航星空大讲堂大跨度钢结构屋盖作为重点监测对象，主要监测的内容包括大跨度钢结构屋盖杆件的应力应变及关键节点的竖向位移，通过结合有限元软件MIDAS GEN 对其进行数值模拟分析，并设定数据的影响阈值7.监测点的布置根据结构的受力特点及对称性，主要布置在结构受力相对危险的位置，结合国航星空大讲堂钢结构屋盖的特点和现场施工条件等，分别对位移监测点和应力应变监测点进行了布设，施工现场工作照片如图 5 所示.3.1仪器设备应力应变监测采用 HC-BM150 型振弦式应变计，这种传感器结构简单，便于操作，测量精度较高，并且具有较强的抗干扰性、抗高温性及耐久性.适用于各种结构物的长期和短期的应变监测.位移监测采用 XTY 型线性高精位移计，这种位移计测量精度高，测量速度快，灵活性较好，并且操作较为简单，常用于大量程高精度变化速率不高的长期监测应用.应力应变监测和位移监测统一采用 MCU2-36 数据采集模块来收集数据，此数据采集模块可以同时兼容采集振弦、位移、电压、电流、电阻、开关量、脉冲量、数字量等信号量，并通过无线网络传输至计算机上，系统稳定可靠，具有较强的抗环境电磁干扰和抗工频干扰的能力.3.2结构监测点布置传感器的数目和位置对于获得结构的准确信息至关重要.大跨度空间钢结构网架具有形式复杂、体量巨大的特点，但是由于施工现场情况较为复杂，现场施工条件及高空布置传感器难度较大等方面的限制，想要在结构上大量布置传感器的可能性较小，只能采取小部分的结构响应信息.本工程遵循经济性、合理性及可实施性的原则对结构进行监测点布置8.在不同的卸载阶段，结构的整体受力不一样，受力的形式也不一样，针对不同卸载阶段，可采用集中受力监测的办法，对结构的关键杆件和关键受力节点监测9.根据对大跨度空间钢结构网架进行初步的施工模拟分析可知，针对应力变形较大处加强受力监测，并根据结构的受力特点及对称性，布置应力应变测点 12 个，位移监测点 4 个，结构监测点平面布置如图 6 所示.4监测结果及对比分析本工程钢结构屋盖施工监测重点为研究网架下图 4临时支撑分布图 5传感器布设及监测工作台（a）传感器布设（b）监测工作台刘戈等：大跨度空间钢结构施工卸载过程模拟分析与监测243天津城建大学学报第 29 卷第 4 期部临时支撑拆除阶段的结构内力变化，以部分上弦杆、腹杆和下弦杆为例，说明钢结构屋盖在结构施工卸载过程中的受力情况10.在此阶段内，监测频率（数据采集频率）为每 10 min 采集一次数据.测点位置和测点编号如表 1 所示.4.1应力监测结果及对比分析钢结构屋盖杆件的应力通过将测量应变代入弹性模量公式计算后获得.屋盖网架杆件采用 Q345B钢，弹性模量为 206 000 MPa.本部分着重分析关键受力部位关键点的应力状态，对钢结构屋盖各监测点的应力进行了实时监测与分析，详细记录了整个施工卸载过程中关键构件的应力.为了较好地分析监测结果，充分了解被测部位应力变化规律，现将各监测点的实测值与模拟值进行归纳分析.施工卸载过程采用有限元软件 MIDAS GEN 进行数值模拟，分别对上下弦杆、腹杆进行应力变化规律分析，并绘制应力实测值与应力模拟值对比分析图（见图 7）.（b）位移测点平面布置（a）应力应变测点平面布置图 6监测点平面布置图表 1应力监测点位置及编号杆件编号测点编号杆件位置3 6573 6523 6513 6542 8702 8682 8552 8572 8803 6252 7961 036Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8Y9Y10Y11Y12上弦杆上弦杆上弦杆上弦杆腹杆腹杆腹杆腹杆腹杆上弦杆腹杆下弦杆（a）Y1 实测值与模拟值对比分析50-5-10-1514卸载步130121110987654321实测值模拟值（b）Y2 实测值与模拟值对比分析50-5-10-1514卸载步130121110987654321实测值模拟值（c）Y3 实测值与模拟值对比分析50-5-10-1514卸载步130121110987654321实测值模拟值（d）Y4 实测值与模拟值对比分析50-5-10-1514卸载步130121110987654321实测值模拟值2442023 年 8 月（e）Y5 实测值与模拟值对比分析50-5-10-1514卸载步130121110987654321实测值模拟值（f）Y6 实测值与模拟值对比分析50-5-10-1514卸载步130121110987654321实测值模拟值（g）Y7 实测值与模拟值对比分析50-5-10-1514卸载步130121110987654321实测值模拟值（h）Y8 实测值与模拟值对比分析50-5-10-1514卸载步130121110987654321实测值模拟值（i）Y9 实测值与模拟值对比分析50-5-10-1514卸载步130121110987654321实测值模拟值（j）Y10 实测值与模拟值对比分析50-5-10-1514卸载步130121110987654321实测值模拟值（k）Y11 实测值与模拟值对比分析50-5-10-1514卸载步130121110987654321实测值模拟值（l）Y12 实测值与模拟值对比分析50-5-10-1514卸载步130121110987654321实测值模拟值图 7卸载过程各测点应力变化从上述各测点应力变化量的对比分析结果可以看出，在施工卸载阶段，上弦杆主要受压应力的影响，并且应力值会随着临时支撑的逐步拆除呈现出一个增大的趋势.通过上弦杆各测点的实测值与模拟值对比分析，二者应力变化量的最大差值为 6.22 MPa，出现在 Y3 测点处.该测点实测值与模拟值的差异主要出现在第八根临时支撑卸载之后，模拟值逐渐趋于稳定，而实测值继续呈增大趋势直至最终卸载完成.这种现象可能与屋面板材料局部堆积、施工设备和人员的流动性产生了较大动荷载有一定的关系.其余上弦杆测点 Y1，Y2，Y4，Y10 的实测值与模拟值相差较小，总体趋势基本一致.腹杆的受力较为复杂，即受压应力也受拉应力的影响，通过腹杆各测点的实测值与模拟值对比分析，刘戈等：大跨度空间钢结构施工卸载过程模拟分析与监测245天津城建大学学报第 29 卷第 4 期可以看出二者应力变化量的最大差值为 4.68 MPa，出现在 Y5 测点处.该测点实测值与模拟值的应力总体上都呈现出逐渐增大的趋势，但测点的实测值大部分小于模拟值，产生此现象的主要原因可能是因为监测仪器本身精确度较低并且在施工现场安装监测仪器时会因为安装不当影响到其本身的可靠性，从而导致实测值有所偏差.在今后的类似工程中可以通过采用可靠性更高的传感器及测量精度更高的数据采集设备来避免这种情况的发生.其余腹杆测点 Y6，Y7，Y8，Y9，Y11的实测值与模拟值相差较小，总体趋势上基本一致.下弦杆主要受拉应力的影响，通过下弦杆各测点的实测值与模拟值对比分析，可以看出二者应力变化量的最大差值为 3.88 MPa，出现在 Y12 测点处.该测点的实测值与模拟值相差较小，并且二者应力变化量不大，总体趋势随着临时支撑的拆除逐渐稳定.此外，部分下弦杆测点的实测值与模拟值在临时支撑拆除后其二者的变化趋势可能会有所差异.一方面是由于施工现场的不利条件限制，导致实际的卸载过程无法完美按照原有设计的卸载方案进行施工，从而导致实测值的应力变化趋势与模拟值有所偏差；另一方面，在钢结构屋盖施工期间，正是温差变化较大的季节，温度的变化对实测杆件也有一定的影响.根据上述各监测点施工卸载过程实测值与模拟值应力变化对比分析图可知，各监测点的应力在拆除临时支撑前后变化不大，实测值与模拟值总体上吻合较好，其中距离临时支撑位置较近的杆件会在临时支撑拆除后出现较为明显的变化.总体上来说，在整个施工过程中，钢结构屋盖杆件的应力变化均在允许范围之内，施工卸载过程结构处于安全状态，卸载完成后能满足设计和使用要求.4.2位移监测结果及对比分析节点的竖向变形是钢结构施工监测中需要验收的另外一个重要指标.随着临时支撑的拆除，各位移监测点会发生竖向变形，通过对结构关键节点在施工卸载过程中的位移监测实时了解结构的竖向位移变化量，并且将位移实时监测数据与有限元数值模拟结果进行对比分析（见图 8），判断两者变化趋势是否一致并分析产生误差的原因11.（a）W1 实测值与模拟值对比分析0-5-10-15-20-25-3014卸载步130121110987654321实测值模拟值（b）W2 实测值与模拟值对比分析0-5-10-15-20-25-3014卸载步130121110987654321实测值模拟值（c）W3 实测值与模拟值对比分析0-5-10-15-20-25-3014卸载步130121110987654321实测值模拟值（d）W4 实测值与模拟值对比分析0-5-10-15-20-25-3014卸载步130121110987654321实测值模拟值图 8卸载过程各测点位移变化从上述对比分析图中可以看出，在 1、2 号临时支撑拆除后，各测点的竖向位移变形较小，这是由于 1、2号临时支撑的位置相对测点布置区距离较远并且处于整个钢结构屋盖的中间位置.随着 3 号临时支撑的拆除，各测点开始产生明显的位移突变，竖向变形逐渐增大，主要原因是从 3 号临时支撑开始，后边的 12个临时支撑均布置在靠近钢结构屋盖的边缘位置.随着临时支撑的拆除，钢结构屋盖的重力由临时支撑柱支撑逐渐过渡落在主体结构上，并且与主体结构共同作用发生协调变形.根据上述各监测点施工卸载过程实测值与模拟值对比分析可知：在拆除临时支撑前后各位移监测点2462023 年 8 月主要呈现增大趋势；实测值与模拟值总体上吻合度较好，变化趋势基本一致，二者的最大差值达到 4.7 mm，出现在 W4 测点处，其主要原因与施工中构件的安装定位和温度变化等多种因素有关.当所有临时支撑拆除完毕后，测点的最大竖向位移量为 25.7 mm，出现在W2 测点处.总体上来说，各节点的竖向变形均符合相关规范的要求，变形量均小于允许变形的 L/500，这也说明了此卸载方案的安全性和合理性，满足施工卸载的安全要求.4.3误差分析在实际工程施工中，测量误差总是不可避免的.通过上述各监测点的监测结果与对比分析可以看出，总体上各监测点的大部分监测数据与数值模拟结果吻合度较好，但仍存在一定程度上的差异.其中，Y3，Y5，Y9 三个测点在施工卸载最后阶段的监测数据与数值模拟结果产生较为明显的差值，其主要原因是因为本文监测方案在施工现场的传感器主要布置在钢结构杆件的外表面部位，比较容易受到施工现场外界因素的干扰.当结构在施工过程中，现场施工人员的流动以及各种施工工艺的同步进行会对传感器的灵敏度与数据传输信号产生一定的影响，从而导致误差.当施工中存在的误差较大时应及时分析其产生误差的原因，并加强对该测点的监测频率，随时注意后续的监测结果是否稳定，如若误差继续增大则应及时作出相应的处理措施.在通过有限元软件对施工过程进行数值模拟时，通常会将一些影响结构施工的因素理想化.本文在有限元数值模拟计算时没有将温度变化对结构的影响考虑在内，而在实际施工卸载过程期间正处于温差变化较大的季节，较大的温差变化会使得钢结构杆件应力分布较为复杂，并且部分钢结构杆件会因为温度的变化而产生温度应力，从而使监测数据与数值模拟结果产生一定的误差.对于类似钢结构工程的施工卸载应充分考虑到温度的变化对钢结构的影响.5结论本文对国航股份飞行模拟训练基地二期建设项目中的星空大讲堂钢结构屋盖进行了施工卸载过程的有限元数值模拟分析与施工现场实时监测，得出以下主要结论.（1）本文针对大跨度空间钢结构在临时支撑拆除过程中结构的受力特点，采用由中间向周边的施工卸载方法，该方法很好地解决了空间结构跨度大、结构形式复杂和卸载工况多等难点，并且具有良好的经济性和实用性，可供其他类似的大跨度空间钢结构施工卸载参考.（2）大跨度空间钢结构属于高次超静定结构，结构形式复杂，并具有一定的规律性，在其进行施工卸载的过程中，大跨度空间钢结构的结构体系会发生一定的变化.结构首先会由从原本的临时支撑柱支撑逐渐过渡到由其相互交汇的空间杆件弹性支撑，并且随着逐渐趋于稳定后最终会变成由桁架柱支撑的大跨度悬臂结构.在这整个结构体系的变化过程中，大跨度空间钢结构杆件的应力及位移变化趋势呈现出一定的规律性，总体上来说都是逐渐增大的.监测数据与数值模拟结果存在一些差异，其原因是因为没有考虑温度变化及施工荷载对结构内力大小的影响.有关于这方面的内容，还需要做进一步的分析研究.（3）本文有限元数值模拟结果与施工现场实时监测结果的对比相吻合，施工现场可以安全顺利地进行，施工现场实时监测结果很好地验证了有限元数值模拟结果.该工作和研究成果为大跨度空间钢结构施工阶段的顺利进行提供了技术保障，并且对类似工程的设计和施工具有重要的参考价值.参考文献：1孙学根，牛忠荣，李兆峰，等.大跨度空间结构卸载过程模拟分析与监测J.建筑结构，2018，48（11）：70-77.2武浩鹏.大跨度空间钢结构施工过程监测分析与结构安全性评估D.兰州：兰州理工大学，2017.3李瑛.大跨复杂钢结构施工过程健康监测与分析D.兰州：兰州理工大学，2012.4范重，刘先明，范学伟，等.大跨度空间结构卸载过程仿真计算方法J.建筑科学与工程学报，2011，28（4）：19-25.5王秀丽，杨本学.大跨度空间桁架结构卸载过程模拟分析与监测J.建筑科学，2018，34（3）：105-110.6孙小猛，冯新，周晶.网壳结构健康监测中的传感器优化布置J.计算力学学报，2010，27（3）：482-488.7牛犇.大跨度空间钢结构施工技术研究与监测D.天津：天津大学，2014.8范重，刘先明，胡天兵，等.国家体育场钢结构施工过程模拟分析J.建筑结构学报，2007（2）：134-143.9张旭辉，吴海粟，马捷，等.某钢结构连廊吊装施工过程的应力监测分析J.空间结构，2020，26（1）：82-89.10 王秀丽，马润田.大跨度钢管桁架结构全过程现场健康监测研究J.施工技术，2015，44（2）：54-57.11 丁艺杰.某大跨度钢结构施工过程模拟与监测研究D.西安：西安建筑科技大学，2018.刘戈等：大跨度空间钢结构施工卸载过程模拟分析与监测247