大跨空間輪輻式弦支桁架結構施工過程監測與模擬分析

柳明亮，李翔宇，邢國華，武名陽，李紀明

(1. 長安大學建筑工程學院，陜西西安 710061； 2. 陜西省建筑科學研究院有限公司，陜西西安 710082)

0 引 言

大跨空間結構具有結構體系先進、性能優良、造型美觀等優勢，被廣泛應用于體育場館、劇院、會展中心等大型公共建筑[1-2]。由于該類結構規模宏大，施工過程中結構的形式不斷發生變化，傳統施工技術與分析方法已不能滿足施工過程中結構力學特性的預測與施工安全控制的要求[3-4]。涉及現場施工階段安裝誤差在內的諸多因素均會造成施工中結構的受力狀態與設計使用狀態存在差異，產生危險施工節點，若未及時提出預警則會產生安全隱患。實時監測在建大跨空間結構的性能，及時掌握結構構件中應力及位移的變化情況，評估危險節點的損傷程度成為了行業研究的熱點問題[5-6]。因此，為保障大跨空間結構的安全性、耐久性和適用性，新建結構在施工中有必要布設合理的健康監測系統，并根據監測數據結果對施工方案進行調整與改進，防止危險節點處不利因素積累而造成結構損壞[7]。

國內外學者對于大跨空間結構施工過程中結構狀態的時變模擬分析與健康監測開展了大量研究并取得豐碩成果。伍小平等[8]采用有限元方法對國家大劇院鋼殼體結構進行了施工全過程模擬分析，對模擬施工吊裝階段的有限元模型進行了優化。曾志斌等[9]采用基于靜態應變無線數據采集與傳輸的應力監測系統對國家體育場“鳥巢”卸載施工階段關鍵鋼構件中的應力變化進行實時監測，所得監測數據為卸載施工的安全進行提供了指導。錢稼茹等[10]模擬分析了北京大學體育館鋼屋蓋的施工過程，對結構進行了施工監測，指出施工過程的有限元模擬分析可為該工程的成功卸載提供理論依據。趙欣等[11]對南開大學學生活動中心懸挑結構各施工步驟的工況進行了數值模擬與現場監測，對比驗證了施工步驟安排的合理性。劉奔等[12]考慮溫度對結構施工過程的影響，對福州海峽奧體中心體育場施工過程中的受力狀態進行了模擬分析，并與成型后結構的受力狀態進行了對比。范重等[13]提出了大跨空間鋼結構卸載施工的仿真計算方法，并依據分析結果對國家體育場屋蓋鋼結構的卸載過程進行了監測與評估。牛犇等[14]對天津大劇院屋蓋鋼桁架扭轉施工過程進行了有限元模擬分析，根據現場監測與模擬結果提出了分區逐級卸載的方案。常樂等[15]以大同美術館的鋼結構屋蓋卸載施工為工程背景，基于數值模擬結果得到了最優卸載方案與監測方案，并建議將監測周期延長至結構卸載階段結束后。王秀麗等[16]結合工程實例對采用分塊吊裝法與累積滑移法施工的大跨空間結構進行了仿真分析與實時監測，對施工方案的安全性與可行性進行了論證。然而，目前采用大跨空間弦支輪輻式桁架結構的相關工程案例仍較少，該類空間結構施工過程監測系統的建立與安全評估體系的完善仍有待深入研究。

1 工程概況

本文依托西安某體育館工程項目，采用有限元程序對使用旋轉累積滑移技術施工的大跨空間弦支輪輻式桁架結構進行仿真分析，研究了該類結構在施工過程中應力及位移的變化情況，根據模擬計算結果建立健康監測系統，并將模擬數據與實測數據進行了對比分析，為該類空間結構使用階段的安全性能提供了評估指標。

該體育館由主館與副館組成，結構的三維示意圖如圖1所示。本文選取主館的主體鋼結構進行重點分析。主館結構整體呈圓形，最大跨度112 m，結構矢高37.7 m。穹頂屋蓋結構采用由空間輪輻式桁架、頂部單層網殼與弦支索組成的大跨度空間弦支輪輻式桁架結構體系。其中，空間輪輻式桁架由20榀輻射狀倒三角桁架與20榀加強平面次桁架通過環桁架連接而成。弦支索結構由4根環向索、80根徑向索、16根撐桿連接而成，上部整體結構采用20根“Y”型格構柱支承于下部鋼筋混凝土基礎上。主體結構均采用Q345B級鋼材，部分管徑小于133 mm的桿件采用Q235B級鋼材。

針對空間弦支輪輻式桁架的結構特點，結合類似工程的施工經驗，采用施工效率更高、輔助工程量較小的對稱旋轉累積滑移技術進行施工。將各結構組的滑移單元在現場拼裝完成后吊裝至拼裝胎架，采用TLPG-1000自鎖型液壓爬行器將其沿順時針方向旋轉滑移到規定位置，施工步驟包括8個階段，需將各滑移單元累積滑移7次直至結構主體安裝完成，如圖2所示。

2 施工過程模擬

2.1 結構建模

結構在滑移施工過程中逐漸成型，其力學性能發生改變，已拼裝的滑移單元結構剛度矩陣隨之變化，結構桿件中的內力重新分布。因此，有必要對結構進行施工過程模擬分析，研究其處于不同滑移施工步驟的結構力學性能變化。

利用有限元軟件MIDAS/Gen對結構旋轉累積滑移施工全過程進行仿真計算分析，通過控制節點、單元與邊界條件，分別確定結構桿件的相對位置、物理力學特性與節點約束[11]。輪輻式桁架及“Y”型格構柱中的桿件均采用2節點12自由度的梁單元進行模擬，對立柱底部進行平動約束，并約束其X、Y軸向的轉動，對不同桿件賦予相應的截面尺寸。為簡化計算，忽略中心環支撐胎架的作用，并將中心環桁架的Z向平動與X、Y軸向轉動進行約束。根據施工計劃，將結構整個滑移施工過程劃分為8個階段，根據各施工階段定義相應的結構組，并對其進行模擬計算[17]。

采用荷載的標準值組合方式進行荷載組的劃分，假定模擬分析中的所有荷載均作用在桁架的上、下弦節點處。荷載組合采用恒載與活載組合的方式，其中，恒荷載主要來自桿件自重，自重系數取1.1，而在滑移施工過程中活載較小，可忽略不計。

2.2 應力分析

選取旋轉累積滑移施工全過程中具有代表性的階段1、3、5、6、7、8進行分析。施工過程中結構桿件的最大應力模擬值見表1，各施工階段的應力云圖如圖3所示。通過結構的應力云圖變化情況可以看出，結構的完整性隨著桁架滑移單元的逐步拼裝而不斷提高，結構桿件中的內力也不斷重新分布，輪輻式弦支桁架結構在變形協調中逐漸達到穩定狀態。結構的最大拉應力在施工階段1、3中出現于外環桁架的豎向腹桿處，在施工階段5、6中出現在中心環桁架腹桿處，在階段7中出現在中心環桁架的上弦處，在階段8中出現在結構的外環桁架豎向腹桿、中 心環桁架上弦、輻射狀倒三角桁架下弦處。而施工階段結構中的最大壓應力均出現在不同位置的中心環桁架與輻射狀倒三角桁架的下弦連接處。

表1 施工過程最大應力模擬值Table 1 Maximum stress simulation values during construction

由表1可知，桿件中的最大拉應力出現在施工階段6中，為82.16 MPa，最大壓應力出現在施工階段5中，為-136.85 MPa，均小于桿件應力的設計值。根據模擬結果，外環桁架豎向腹桿、中心環桁架與輻射狀倒三角桁架的下弦連接處、中心環桁架腹桿及上弦等部位為施工過程中存在安全隱患的節點，應重點布點監測其應力變化情況。

2.3 位移分析

各施工階段的位移云圖如圖4所示。當完成施工階段1后，結構跨中桁架下弦處的位移為23.89 mm；完成施工階段3、5、6、7后，結構的最大位移分別為25.33、25.40、24.91、23.76 mm，均位于結構中間部位的桁架下弦處；完成施工階段8后主體結構成型，此時最大位移同樣出現在跨中桁架下弦處，為19.26 mm。

由圖4可知，隨著旋轉累積滑移施工步驟的依次推進，各施工階段中結構總體受力均勻，各榀桁架的位移基本相同且具有對稱性，最大豎向位移均發生于桁架中間部位的下弦，因此在施工過程中應對此節點區域桿件的位移進行重點監測。

3 施工監測結果對比

3.1 監測系統

體育館主館屋蓋結構跨度較大，旋轉滑移施工步驟較為繁瑣，施工階段存在安全風險。為真實掌握結構在滑移施工過程中的力學狀態，保證結構在施工過程中的安全性，基于數值模擬結果對應力、位移較大或變化趨勢較大的結構構件進行健康監測。由于滑移單元隨施工的進行呈對稱拼裝的形式，故設置6個對稱的測區，如圖5(a)所示。

3.1.1 應變監測

由于結構變形一般隨桿件內力的提升而增大，因此對結構桿件中的應變進行監測，進而通過應變監測結果得到結構桿件中的應力大小。采用JMZX-212A表面智能數碼弦式應變計進行應變監測，該傳感器可根據溫度數據自動修正溫度對測量應變的影響。施工中各測點的監測數據使用智能綜合測試儀進行采集與傳輸。桁架應變與位移監測點位置如圖5(b)所示，在輻射狀倒三角桁架跨中及兩端的上弦桿(編號“SX1”)、下弦桿(編號“XX1”)、腹桿(編號“FG1”)等桿件上分別布設14個監測點；在平面加強桁架跨中的上弦桿、下弦桿布設2個監測點(編號“JQ1”)；格構柱應變監測點位置如圖5(c)所示，在“Y”型格構柱的上、中、下部位分別布設3個監測點(編號“YZ1”)。本工程在6個測區現場共布設應變監測點120個。

3.1.2 位移監測

位移是反映結構整體工作狀態的重要參數之一，對結構構件的位移進行監測可反映結構整體的變形規律。施工中采用精密全站儀及反光片對結構的位移變化進行監測，并通過全站儀提取保存數據。對各測區的輻射狀倒三角桁架下弦桿分別布設11個位移監測點(編號“DX1”)，工程現場共布設位移監測點66個[圖5(b)]。

3.2 應力對比分析

3.2.1 輻射狀倒三角桁架分析

輻射狀倒三角桁架構件中的應力通過應變測量結果獲得。圖6為滑移施工階段桁架結構下弦桿、上弦桿與腹桿中代表性測點的應力模擬值與監測值的對比情況。由圖6可知，部分測點的模擬結果與監測結果存在一定偏差，原因可能為弦式應變計在滑移施工的過程中受到振動等因素的影響，但模擬結果曲線的變化趨勢與監測結果的變化趨勢基本一致。處于桁架同一縱截面的上弦桿中存在壓應力，下弦桿中存在拉應力，相比于下弦桿，上弦桿中的應力波動較大。結構的內力隨施工結束而重新分布，在荷載作用下輻射狀倒三角桁架逐漸由施工過程受力狀態轉變為使用階段受力狀態，對應桿件中的應力存在增長趨勢，而桁架結構中的應力變化在滑移施工中期階段則較為平穩。

3.2.2 加強桁架分析

為掌握施工過程中加強桁架桿件應力的變化情況，分別將弦式應變計布設于桁架跨中的上弦桿與下弦桿表面進行監測，結果如圖7所示。由圖7可知，桿件應力模擬結果曲線與監測結果曲線的變化趨勢基本相同，應力值均維持在穩定水平未發生突變。結構上弦桿中存在壓應力，下弦桿中存在拉應力，符合力學規律。將監測結果與模擬結果對比可得，桿件中的應力實測值均小于模擬計算值。在施工階段3中應力達到最大值，實測最大應力值為11.36 MPa，計算最大應力值為22.76 MPa，說明模擬結果較為保守，滑移施工階段有較高的安全性能儲備。

3.2.3 “Y”型格構柱分析

主館中的“Y”型格構柱起到了支承上部鋼結構的作用，為反映其在施工過程中的受力狀態，在格構柱的上部、中部、底部桿件中分別布設應變監測點，所得計算結果與實測結果對比情況如圖8所示。除在施工階段4中桿件的應力存在明顯先減小后增大的趨勢外，桿件應力整體變化幅度較小，最大應力值為11.65 MPa。由圖8可知，“Y”型格構柱桿件應力的實測結果均大于模擬結果，其原因可能為液壓滑移爬行器沿軌道向“Y”型格構柱施加推力使其發生滑移，而在模擬計算中由于簡化計算未將滑移輔助構件考慮在內，使得部分桿件實際受力與模擬結果產生了偏差，但“Y”型格構柱中的應力均未超過30 MPa，符合施工要求。

3.3 位移對比分析

結構的節點位移是大跨空間結構施工過程中除桿件內力外的另一重要驗收指標。選取測區1中輻射狀倒三角桁架下弦桿的3處測點，監測各點位在3個方向上的位移變化趨勢，結果如圖9所示。從各測點的位移結果對比情況可以看出，施工過程中結構沿X與Y方向上的位移較小，整體變化趨勢較為平緩，個別測點位移值發生突變，說明結構在X-Y平面(即水平方向)上位移變化量較小。由圖9可知，結構的位移主要發生在Z方向(即豎直方向)上。測點DX1-2所得豎向位移結果均大于其他測點所得撓度值，說明輻射狀倒三角桁架跨中處的撓度最大，最大值為-32.6 mm。因此，在對結構進行變形健康監測時應將桁架跨中的豎向位移作為主要安全控制變量進行重點分析。隨著施工的進行，結構豎向位移呈緩慢減小趨勢，各階段豎向位移變化平穩，且實測位移值均未超過規范控制計算值97.6 mm，施工過程滿足安全要求。

將結果進行對比可得，倒三角桁架下弦桿3處測點的模擬計算結果均小于監測結果，位移在X方向上的最大誤差為-4.34 mm，平均誤差為1.24 mm；Y方向上的最大誤差為-4.58 mm，平均誤差為1.95 mm；Z方向上的最大誤差為10.81 mm，平均誤差為4.95 mm。由于結構位移受現場施工、溫度、天氣等多種因素影響，結構桿件的內力隨滑移拼裝的進行發生較大調整，很難與理想狀態下的模擬計算結果完全相同，而所得結果的變化趨勢相似，節點位移方向基本相同，說明結構位移模擬計算具有一定準確性，可為施工過程位移監測系統的建立提供依據。

4 結語

(1)對于大跨等受力復雜結構，需通過簡化模型，建立有效有限元數值分析，對施工方案及施工階段健康監測方案合理性進行預測及驗證。通過對比分析，數值模擬的應力、位移曲線與實測曲線變化趨勢基本一致，證明大跨空間結構累積滑移施工過程有限元仿真分析采用的計算模型具有可行性。

(2)復雜結構施工階段健康監測系統的布置，在數值模擬受力分析基礎上，需結合結構特點及施工步驟進行分區合理布置，并在結構跨中、反彎點、節點及變形較大等受力關鍵節點進行布測。本工程監測點位的布設形式可為類似地標性工程的現場監測提供借鑒與參考。

(3)施工過程結構最大拉壓應力值均未超過設計荷載，證明施工方案選取具有合理性。最大壓應力均出現在中心環桁架與輻射狀倒三角桁架的下弦連接處，且峰值壓應力在施工階段5出現，為-136.85 MPa。應力變化幅度較大的位置主要位于外環桁架的豎向腹桿、中心環桁架與輻射狀倒三角桁架的下弦連接處、中心環桁架腹桿及上弦等部位，施工階段應予以關注。

(4)施工過程結構位移變化特點表現為結構在施工開始和結束階段的位移變化較大，最大位移呈現先增大后減小的變化趨勢。位移最大值為輻射狀倒三角桁架中間部位下弦處的豎向位移，最大值為-32.6 mm，結構在水平方向上位移較小，在類似工程施工中應重點關注結構在豎直方向上的位移。