大型鋼網殼結構施工安全分析與現場監測研究*

邢天峰，王秀麗，陶志山，張藝凡，茍寶龍

(1. 天水市政府投資項目代建服務中心，甘肅 天水 730070； 2.蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730050；3.西部土木工程防災減災教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

隨著人類物質文明和精神文明的發展與提高，需要有最大自由空間及最小內支撐相互干擾的結構，如大型集會場所、體育館、飛機場、會展中心、候車廳、工業廠房等[1]。據統計，近年來我國約60%的工程事故都發生在建筑物施工過程中，因此大型鋼結構工程施工過程中的安全性尤為重要，需要準確分析與監測施工過程，確保結構安全。

大多數結構設計以結構成型后的狀態為研究對象，在不同荷載工況組合效應下設計結構承載力極限狀態和正常使用狀態，以滿足結構安全性和適用性[2]。結構向高、大、奇的特點發展，施工過程對結構安全性能產生重大影響[3]。施工過程是分階段的復雜過程，隨著施工的進行，結構桿件不斷增多，質量和剛度分布不斷發生變化，結構體系所承受的荷載也發生變化。前一個施工工序對后一個工序受力性能產生較大影響，同時不同的施工工法和施工順序對結構體系成型后的受力狀態也有重大影響。因此，有必要研究結構在施工過程中的受力性能，即施工力學。目前，國內學者對大跨度空間結構的施工力學性能分析做了大量的研究工作。曹志遠[4]結合力學基礎，綜合工程實踐經驗，提出土木工程施工力學及時變力學基礎的研究方向，并指出該方向研究的重要性。趙啟林等[5]利用神經算法研究矩陣運算的基本原理，探討神經算法在施工力學中應用的可行性。引入虛、實單元概念，在整個施工力學分析過程中保持有限元網格不變，通過物理參數變化反映求解區域的變化，提高施工力學中多次重分析的計算效率。多位學者將生死單元技術逐步運用在施工力學中，研究空間鋼結構的施工理論基礎，并分析生死單元技術在施工階段增加及減少構件過程中的可行性，提出有限元生死單元及理論分析計算的改進方法[6-11]。Tian等[12]對大跨度鋼結構分析方法和施工方案進行探討，為安全施工提供合理依據。

1 工程概況

天水體育中心項目位于天水商貿城東南面，北臨天北高速公路，南臨羲皇大道，東至羅家溝，西至秦東經十路，與羲通公交麥積總站相鄰。建設用地18.6萬m2，包括1個20 000座的體育場、1個5 000座的體育館(固定座位3 500座、活動座位1 500座)、1個1 500座的體育館、1個500名學生規模的體育運動學校及全民健身主題公園。體育館位于南側主入口附近，天水體育中心效果如圖1所示。

圖1 天水體育中心效果

天水體育中心體育館屬乙類體育建筑場地，地下1層，地上單層(含局部3層)，為鋼筋混凝土框架結構，屋頂為空間鋼網架結構體系，抗震設防烈度為8度，分為比賽區和訓練區。體育館屋蓋為球面狀，上弦中心線最高點標高約29.400m，采用鋼屋殼結構，網殼為焊接球節點斜放四角錐結構形式，通過下弦多點支承，網殼平面呈橢圓形，長短軸分別為124.39，103.5m，覆蓋面積約10 438m2。屋蓋鋼網殼結構懸挑部位采用分塊吊裝法，其余大部分采用整體頂升法進行安裝。整體頂升時分2個區域：一區是訓練館上空屋面區域，分2次頂升；二區是比賽館上空屋面區域，分4次頂升，如圖2所示。

圖2 整體頂升區域劃分和吊裝分塊

整體頂升點平面布置如圖3所示，其中頂點D1～D5為訓練館上空屋面區域的5個頂升點，頂點A1～A8，B1～B9和C1～C2為比賽館上空屋面區域的19個頂升點。網殼整體頂升時，首先在±0.000m標高地面拼裝網殼，拼裝完成并驗收后，在計算機控制下，所有頂升架同步向上頂升。當頂升至離地8.61m時，暫停頂升，搭設操作架補裝網殼。完成后繼續頂升網殼，當頂升至離地10.30m、離地12.90m、支座標高時，分別進行上述相同步驟。之后分塊吊裝周邊懸挑網殼。當所有網殼結構安裝完成后，卸載拆除頂升支架。

圖3 頂升點平面布置

2 整體頂升過程模擬分析

2.1 有限元模型建立

為模擬結構成型過程，依據網殼結構施工工序及方法，采用ANSYS建立施工階段網殼結構有限元模型。上部網殼結構和下部混凝土柱通過38個支座相連，模型周邊支承僅約束x，y，z向平動，釋放轉動自由度。鋼管采用Beam188單元，基于Timoshenko梁理論，適用于分析細長梁，是具有2個節點的三維線性梁，每個節點默認6個自由度，分別是x，y，z向位移及其轉動，還有節點的第7個自由度(翹曲量)可供選擇，此單元能很好地應用于大偏轉、線性分析和大變形非線性分析。球節點采用Mass21單元，可很好地模擬結構質點，是具有6個自由度的點元素，即x，y，z向平動及其轉動，每個方向有不同轉動慣量和質量。模型采用理想線彈性本構關系，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3。網殼有限元模型如圖4所示。網殼結構由無縫鋼管和空心球高頻焊接而成，材質均為Q235B，鋼管有12種規格參數，如表1所示。

圖4 網殼結構有限元模型

表1 鋼管規格參數

為避免屋蓋鋼網殼結構頂升過程中桿件應力或變形超限，對結構頂升過程進行模擬，以保證桿件在頂升反力作用下不發生破壞。若桿件超過規定強度和剛度設計值，需替換不合格構件，重新計算。

網殼頂升過程中，網殼結構形式隨工程進度發生變化，構件最大應力可能發生在施工期間。因此，為保證施工階段安全，利用有限元軟件ANSYS中的生死單元功能，按照施工順序依次對屋蓋網殼結構進行模擬，SG1～SG9施工步如下：①SG1 第1次拼裝頂升比賽館上方網殼單元，頂點為A1～A8，共8個頂點；②SG2 第1次擴展頂升比賽館上方網殼單元，頂點為A1～A8，共8個頂點；③SG3 第2次擴展頂升比賽館上方網殼單元，頂點為A1～A8，B1～B9，共17個頂點；④SG4 第3次擴展頂升比賽館上方網殼單元，頂點為A1～A8，B1～B9，共17個頂點；⑤SG5 第4次擴展頂升比賽館上方網殼單元，頂點為A1～A8，B1～B9，C1～C2，共19個頂點；⑥SG6 第1次頂升訓練區上方網殼單元，頂點為D1～D5，共5個頂點；⑦SG7 第2次頂升訓練區上方網殼單元，頂點為D1～D5，共5個頂點；⑧SG8 在比賽區和訓練區單元進行對接，安裝外側懸挑網架；⑨SG9 卸除支撐，網架進入自由承重狀態。結構施工過程是隨時間變化的動態過程，將整個施工過程離散為9個施工步，即在每個施工步時“凍結”結構，進行靜力計算，從而跟蹤結構在每個施工步中的力學性能狀態。

2.2 施工過程應力分析

網殼結構按照施工步逐步成型時，由于各施工步不完整結構的荷載和邊界條件不一樣，造成桿件應力值具有差異性。各施工步對應桿件最大應力如表2所示。

表2 施工階段桿件最大應力 MPa

從以上各施工步的最大應力值可以看出，臨時支撐頂點附近的桿件應力值都較大，最大拉、壓應力出現在頂點附近的上、下弦桿和腹桿處，說明頂點處的桿件由于應力集中效應，應力值均較高。除SG1，SG2，SG3外，SG4～SG9階段的最大壓應力值均高于最大拉應力值，所以要防止受壓桿件發生失穩破壞。SG5，SG6，SG7階段的最大拉、壓應力值相等，且最大應力出現在比賽區上方的網殼區域，訓練區上方網殼最大應力值遠小于比賽區的網殼最大應力值，說明比賽區上方網殼結構桿件數量多、結構體量大、施工過程受力復雜。

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網殼結構受力較均衡，各桿件傳力穩定，體現出良好的承載狀態，構件應力也無超限情況，很多桿件應力值都較低，具備良好的安全儲備，可確保施工安全。

2.3 施工過程頂點支反力分析

模擬施工過程時，頂點支反力隨施工步的變化如圖5所示，可以看出，A1～A4處的頂點支反力值較接近，A5～A8處的頂點支反力也較接近，且A5～A8處的值高于A1～A4處的值，表現出支反力區域相近的特點。B6，B7處的頂點反力值最大。C1，C2處的值基本一樣。訓練區的所有頂點中，D2處的反力值最高，D1，D3變化趨勢一致，D4，D5變化趨勢一致。整個頂升過程中，A1～A8處的頂點支反力值總體高于B1～B9，C1～C2，D1～D5，除施工步SG1時A5處的頂點達到最大值266.6kN外，其余施工步時A7處的頂點支反力一直處于最高值，分別為556.3，556.1，529.4，496.2，496.2，496.2，498.2kN。

圖5 不同區域頂點支反力

隨著施工過程的進行，各頂點處的反力值變化較平穩，并未出現較大的數值突變，所以上部結構傳至下部臨時支撐的荷載處于可控范圍，滿足下部支撐結構強度要求。

2.4 施工過程結構位移分析

結構位移大小是反映剛度性能的重要指標，而且合理的節點位移可保證結構安全。施工過程中需嚴格控制撓度，否則撓度過大將會給結構使用階段留下安全隱患，產生不良影響。因此，需計算整個頂升過程中，荷載組合Ⅰ(自重+活荷載)的結構豎向位移，為分析結構剛度分布提供方便，從而給施工階段的結構提供安全理論支持。

SG1～SG9最大豎向位移分別為2.8,8.6,12.8,14.8,14.9,14.9,14.9,16.8,18.5mm。SG5，SG6，SG7施工步的位移最大值出現在右側比賽區上方的屋蓋網殼結構處。SG9時結構已經拆除所有下部支撐，網殼結構處于自由工作狀態，此時單元最大豎向位移為18.5mm。根據規范要求，布置起重懸掛設備的網架結構最大允許撓度值不宜大于整體結構跨度的1/400，即124 390×1/400=311mm，結果遠大于規范要求的撓度值18.5mm。荷載Ⅰ作用下，網架最大撓度值僅為公式計算值的6%，說明此網殼結構屬于剛性結構，因為網架大部分區域屬于3層網架結構，僅從位移值來看，結構并無危險狀況。

3 現場健康監測

根據對施工過程的模擬計算可知，在施工步SG1～SG8時，下部支撐結構作用于網殼上，結構受支撐反力作用，受力較大的桿件位于支撐點附近，可選取支撐點附近的結構桿件作為關鍵桿件。網殼結構桿件眾多，不能在每根桿上都布置傳感器，考慮經濟因素及監測便利性，結合體育館網殼結構有限元分析結果及施工工序，在頂升SG1～SG8階段選取55根應力水平較大的桿件作為關鍵桿件，布置電阻應變片。具體布置方案如圖6所示，測點編號為Y-1～Y-55，其中測點Y-1～Y-21位于上弦桿，測點Y-22～Y-34位于下弦桿，測點Y-35～Y-55位于腹桿。

圖6 應變片布置

選取整個施工過程中壓應力和拉應力較大的12個測點，即Y-23，Y-29，Y-30，Y-31，Y-32，Y-35，Y-36，Y-41，Y-42，Y-43，Y-48，Y-49。通過折線圖對比模擬值和實測值，如圖7所示。

圖7 模擬分析值與現場監測應力值對比

1)測點Y-23，Y-29，Y-35，Y-36，Y-41，Y-42從SG1時開始工作，實測值在SG2階段突然增大直至后續各階段到SG8階段應力值比較平穩，然后到SG9時突然降低。測點Y-30從SG3開始到SG5，應力值呈線性增長，SG5～SG9時應力值較平穩。測點Y-31，Y-32在SG2～SG4階段應力值快速增長，SG4～SG8時應力發展平穩。測點Y-43從SG2開始到SG5，應力呈線性增長，SG5～SG8時應力較平穩，到SG9時應力急劇下降。以上變形規律基本符合網殼結構各區塊按施工順序擴展安裝時，支撐點桿件的應力發展規律。

2)應變片測點實測的最大受壓應力值出現在測點Y-32，為76MPa，出現在SG6階段。最大受拉應力值出現在測點Y-35，為68.8MPa，出現在SG3階段。最大受拉、受壓應力遠小于鋼材屈服強度，桿件處于彈性變形階段，說明結構在頂升階段較安全。

3)所有測點應力實測值均大于理論值，說明施工時結構受力復雜，影響結構應力變化的外部因素很多，造成結構實測應力隨機性較強，雖然部分階段桿件應力值發生突變，但實測值和理論值反映的應力變化規律趨勢基本一致。

4 結語

1)網殼結構支撐周圍桿件應力值較高，總體上體現良好的承載狀態，構件應力也無超限情況，很多桿件應力值較低，遠小于屈服強度值，具備良好的安全儲備，符合施工安全要求。隨著施工過程的進行，各頂點處的反力值變化較平穩，未出現較大的數值突變，結構頂升施工傳至下部臨時支撐的荷載處于可控范圍，滿足下部支撐結構強度要求。

2)通過對比施工過程應力監測結果和模擬數值可知，監測數據和模擬數值反映的規律基本吻合，桿件應力水平均處于彈性范圍，結構在施工過程中有較大的安全儲備。

3)大跨度空間結構從施工到完成是結構受力轉移和內力重分布的過程，通過應力監測結果可以看出，施工過程中進行合理的數值模擬和實際監測對結構施工安全具有重大意義。