新型大跨度空間結構施工拼裝溫度方案合理性數值研究

周 峰 崔理綱 劉 凱

(南昌工程學院土木與建筑工程學院，南昌330099)

1 引言

眾所周知，與常規建筑結構相比，大跨度空間結構往往施工難度較大，且施工過程受力較復雜，因此，多年來國內外學者針對此方面的研究較多。如西安建筑科技大學郝際平等［1］對26屆世界大學生運動會主體育場的施工過程進行了實測與模擬分析，贠廣民［2］與彭玉豐等［3］分別對張弦梁和大跨度桁架結構進行了施工過程分析，但焦點大都集中在施工過程中拼裝受力分析，對空間結構施工過程中合理溫度模型的研究較少。本文以國家游泳中心結構為例，在對其施工拼裝過程進行數值分析的同時，探討了不同溫度模型對結構拼裝所產生的影響(溫度應力方面)，最后給出了較優的施工拼裝溫度計算模型，為日后的工程實踐提供依據。

2 大跨度空間結構施工過程受力分析方法

2．1 施工過程模擬方法

經典力學(如材料力學、結構力學和彈塑性力學等)所研究的對象都屬于外部條件(如環境荷載)隨時間發生變化，但內部條件(如結構物理特性)為穩定不變的情況，而施工力學的主要特點是研究對象的特征參數、邊界條件、材料性能等是隨時間發生變化的，因此其控制方程應為變系數(常、偏)微分方程組。

施工階段結構分析方法主要包括正裝分析法、倒拆分析法和分段綜合分析法三種。

數值分析方法又主要包括有限單元法、拓撲變化法和時變單元法。

本文以實際工程為例進行施工過程及卸載過程的數值模擬分析工作。根據結構的自身特點、結構的施工及卸載方案，本文采用正裝分析法，利用ANSYS有限元分析軟件，運用單元的“生死”特性，來實現結構施工及卸載過程的模擬分析。

2．2 大跨度空間結構施工過程有限元建模

施工階段結構有限元模型的建立需要利用單元的“生死”特性模擬結構桿件的安裝、焊接情況:當桿件未焊接時意味著桿件對結構不提供剛度，模擬時需要將其殺死;而當結構桿件安裝并焊接完成時，就需要將其激活，以考慮結構桿件對結構整體的剛度貢獻，其有限元計算模擬原理如下所示。

對于桿系結構或空間網格結構，假設結構在施工過程中分為 n個施工步驟，即分為1，2，3，…，n個施工段進行施工，則結構在每個施工段的有限元基本方程為［3］:

第1個施工階段:

第2個施工階段:

第n個施工階段:

式中 ［Ki］——第i施工階段中i單元塊相對應的結構總剛度矩陣;

［ki］——第i施工階段中非完整結構的桿單元剛度矩陣;

{Ui}——第i施工階段中非完整結構的位移向量;

{Pi}——第i施工階段中i單元塊安裝時的結構節點力向量;

［Ai］——第i施工階段中非完整結構的幾何矩陣;

［Ni］——第i施工階段中非完整結構的內力向量。

結構最終的內力及位移為

該施工拼裝模擬方法可以將前一施工階段構件內力和變形的終態保留，并帶入下一施工階段，作為下階段的初始狀態，從而可實現結構新構件與荷載的持續添加及改變。該施工過程的模擬分析為非線性分析過程。

3 鋼結構施工全過程數值研究

3．1 結構有限元模型建立

本文采用大型有限元分析軟件ANSYS建立了結構整體有限元模型及施工安裝模型，鋼結構單元總數為91 855個(其中包含有Mass21質量單元 10 075個、Beam189梁單元 36 626個、Pipe20管單元45 154個)，節點總數為14 4981個，節點之間的連接全部為剛性連接，鋼結構整體有限元模型如圖1所示。Mass21單元用于模擬節點球的質量，Beam189單元用于模擬結構的上下弦桿，而Pipe20單元用于模擬結構的腹桿。

圖1 國家游泳中心結構有限元模型Fig．1 Finite element model of National Aquatics Center

為了減小結構的下弦撓度值以滿足設計規范的要求，結構在實際施工過程中對結構跨度最大的屋蓋(R3區，即場館區)采取了預起拱措施，起拱形式為環狀起拱，起拱高度約為 11．7 cm［4，5］。

3．2 施工拼裝方案

為了使計算模型能夠反映結構真實的受力狀態，本計算模型按照實際情況對模型的各節點進行了更新，以模擬起拱高度對結構各節點水平及豎向位移的影響，起拱形式如圖2所示。

圖2 結構預起拱示意圖Fig．2 Pre-arching mode of structure

鋼結構總體施工順序是先進行墻體施工，形成受力支撐后，再進行屋蓋鋼結構的施工。

根據本工程鋼結構形式特殊、施工難度大、空間定位難的特點，墻體外表面和屋蓋下表面采用小剛度單元地面拼裝+高空散裝連接法進行安裝;墻體中間層、墻體內表面和屋蓋中間層、屋蓋上表面采用高空散裝法進行安裝。

施工拼裝順序為:首先進行墻體拼裝，墻體形成整體后，進行屋蓋下弦平面的安裝，屋蓋下弦拼裝完成后，以屋蓋下弦平面為基準，最后，進行屋蓋腹桿及上弦的拼裝。在施工過程中，需考慮屋蓋預起拱導致的節點球坐標改變。

結構整體的施工拼裝分8個階段完成，其示意圖如圖3所示。

結構整體拼裝完成后，即進行結構的施工卸載作業，施工卸載分為3次，分別為墻體的一次性卸載和屋蓋的2次性卸載。

圖3 施工拼裝各階段示意圖Fig．3 Stages for construction assembly

3．3 鋼結構施工全過程溫度模型

大量的實踐表明，大跨度空間結構施工過程對溫度十分敏感。本文對結構施工拼裝過程的溫度效應進行了研究，揭示不同溫度對結構拼裝應力的影響。本文按照溫度統計值、溫度實測值、月溫度均值、月溫差最大值、月溫差最小值5種原則分別確定了6種溫度施加方案，如表1所示。

表1 溫度施加方案確定原則Table 1 Principles for confirming temperature plans

結構設計時所采用的施工溫度施加方案為方案Ⅴ:按照統計月最小溫差取值，即夏季合龍基準溫度取低值，冬季合龍基準溫度取高值，春、秋季合龍基準溫度取均值。本文分別對確定的6種溫度方案進行分析，最后給出較為合理的溫度施加方案，為日后的工程實踐提供參考。

溫度具體取值時，本文參考了北京市氣象臺按月統計的氣象數據，表2、表3分別給出了北京市氣象臺歷史氣象信息的統計值及2005年6月至2006年6月結構施工期間北京市大氣溫度的實測值。

表2 北京市氣象臺歷史氣象信息統計值Table 2 Historical weather information of Beijing

表3 2005～2006年北京市氣溫實測值Table 3Measured temperatures in Beijing 2005－2006

由于處于空氣中物體的溫度分別來源于大氣和太陽輻射，尤其當物體表面的顏色較深時，會加劇太陽輻射熱量的吸收。本工程結構構件出廠時出于防銹的需要，噴涂過防銹漆，該漆顏色為灰黑色。顯然，太陽輻射對鋼構件溫度的影響不可忽略。經2006年6月的現場實地測量，上午時分，當大氣溫度約25℃時，鋼結構表面溫度可達約42℃，可見太陽輻射會大幅度提升結構的表面溫度。

基于實測數據，本文對太陽輻射導致升溫的處理如下:由太陽輻射導致的夏季溫升取+20℃，春、秋季溫升取+15℃，冬季溫升取+10℃。

基于以上的太陽輻射導致升溫的原則，并結合表1的溫度施加方案確定原則、表2和表3的北京市歷史溫度信息，確定結構的施工期合龍溫度最終選取方案如表4所示。

考慮到溫度應力是由材料的熱膨脹和彈性模量發生變化所導致的，根據材料力學理論，數值模擬時，其溫度對鋼材應變遵循下式規律［6，7］:

ε=α·△t·E0(1－γ·△t) (9)式中，ε為溫度導致的應變變化量;α為我國鋼結構規范規定的常溫下鋼材的熱膨脹系數，其值為1．2×10－5·(m·℃)－1;△t為溫度變化量;E0為常溫下鋼材的彈性模量，其值為2．06×1011Pa;γ為溫度對彈性模量的影響系數，其值為0．036%。

表4 施工期合攏溫度選取方案Table 4 Temperature plans for closure construction

3．4 鋼結構施工全過程溫度效應分析

按照上述確定的施工期溫度選取方案，本文對結構的8個施工階段及最后的卸載階段(共9個階段)進行了數值模擬，研究了不同溫度方案(共6個溫度施加方案)影響下的結構施工應力特點。數值模擬時，參考基準溫度取值為20℃，其部分分析結果如圖4和圖5所示。

圖4中給出了不同溫度施加方案影響下，第1施工階段墻體中某一位置外墻、內墻及腹桿的應力在結構整體施工過程中(9個階段)的應力變化全過程。從圖中可知，不同的溫度合龍方案，其結構內力的變化幅度相差數倍，且當溫度施加方案按照統計月最小溫差取值時，對應的結構施工應力最小。如按照此溫度方案進行設計，并指導實施，將會是不合理的，不能夠充分考慮施工期溫度效應給結構造成的不利影響，易導致施工事故的發生。

圖4 不同溫度施加方案的施工過程中墻體桿件應力變化全過程Fig．4 Variations of stress of wall bars for different construction stages

圖5 不同溫度施加方案的部分結構桿件應力變化統計Fig．5 Statistics of structural construction stresses with different temperature plans

從圖4中還可看到，隨施工進度，墻體外弦桿的應力水平呈單調增大趨勢;墻體內弦桿應力水平呈增大趨勢，但不具有單調性;墻體腹桿的應力水平逐步降低，也不是單調的。

從圖4中還可得知，按統計月最小溫差計算得到的結構應力最小，按統計月最大溫差計算得到的結構應力最大。如按照前者計算，過于不安全;如按照后者計算，又過于保守，且兩者結果相差數倍，可見溫度對其影響較大。

按實測溫度計算時，實測平均氣溫及實測月最大溫差計算的結果較為接近。考慮到這兩種溫度的取值也較為符合實際情況，且計算結果數值介于統計月最小溫差與統計月最大溫差之間，與統計月平均氣溫接近，因此，實際進行工程設計時可按照統計月平均氣溫取值，這樣才會較為合理。

圖5中給出了不同溫度施加方案的結構部分桿件(250根結構桿件)應力變化值(與不考慮施工過程的結構設計應力比較)。從圖中可以看出，按照統計月最大溫差計算，結構內力變化最大，且部分桿件會進入塑性，由溫度變化導致的應變變化幅度超過了200 MPa，顯然過于保守;按照統計月最小溫差及實測月最小溫差計算時，由施工導致的結構應力變化值最小，顯然過于不安全;按實測月最大溫差和實測月平均氣溫計算的結果較為接近，溫度的取值也較為合理，且與統計月平均氣溫的計算結果接近，應力變化最大幅度不超過120 MPa，均值約25 MPa。因此，可將統計月平均溫度作為設計時的參考溫度值，該結論和上述所得結論一致。

4 結論

本文統計并建立了北京地區的全年溫度模型，在此基礎上對鋼結構施工過程中的溫度效應進行了數值研究，最后提出了較合理的溫度模型選取方案，主要結論有:

(1)不同的溫度合龍方案，其結構內力的變化幅度可相差數倍;

(2)實際工程中所采用的按統計月最小溫差進行合龍溫度的取值過于理想化，不符合實際情況;

(3)按統計月平均氣溫進行溫度取值較為符合實際情況，且其分析結果與實測溫度分析結果較為接近。

［1］ 田黎敏，郝際平．大跨度空間鋼結構的施工過程模擬分析及研究［D］．西安:西安建筑科技大學，2010．Tian Limin，Hao Jiping．The analysis of constructional simulation of the large-span spatial steel structure［D］．Xi’an:Xi’an University of Architecture and Technology，2010．(in Chinese)

［2］ 贠廣民．張弦梁結構的設計與施工［J］．結構工程師，2004，20(4):1-4．Yun Guangmin．Design and construction of beam string structures［J］．Structural Engineers，2004，20(4):1-4．(in Chinese)

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