大型鋼網架結構支撐卸載施工技術研究

邱秋華　羅浩文　孔德輔　李福昆

摘 要：為了使網架結構在卸載過程中能平穩地進行應力重分布，保證結構的安全性及施工的便利性，結合佛岡體育館鋼網架屋面項目，采用有限元分析對臨時支撐卸載過程進行施工模擬，分析卸載方案各個階段結構的內力分布情況；建立屋面大型鋼網架臨時支撐的卸載方案，用于指導現場施工；在實際結構的關鍵支撐點位處，使用先進測量技術自動化監測采集支撐桿件卸載全過程的應力應變、位移變形等數據，與施工模擬結果進行對比分析。結果表明：卸載過程各關鍵桿件的最大變形和應力不存在超限情況，整體結構受力穩定。所提卸載工藝能夠有效控制網架構件變形和內力，實現體育館屋面的信息化施工管理，保證網架臨時支撐體系平穩、安全卸載。研究成果可為優化網架結構支撐卸載方案提供借鑒，并為大跨度網架結構施工管理提供科學依據。

關鍵詞：土木建筑工程；網架結構；臨時支撐；卸載技術；力學模擬；施工監測

中圖分類號：TU745.2文獻標識碼：ADOI： 10.7535/hbgykj.2023yx03007

Research on supporting and unloading construction technology of

large steel grid structure：Taking the Fogang Gymnasium

Project in Guangdong Province as an example

QIU Qiuhua LUO Haowen KONG Defu LI Fukun

（1.The First Construction Engineering Group Company Limited of Guangxi Construction， Nanning， Guangxi 530004， China；

2.Guangxi Construction Engineering Group Company Limited， Nanning， Guangxi 530004， China）

Abstract：In order to ensure the stable stress redistribution of the grid structure in the unloading procss， the safety of the structure and the convenience of construction， combined with the steel grid roof project of Fogang Gymnasium， finite element analysis was used to simulate the unloading process of temporary support， and the internal force distribution of the structure in each stage of unloading scheme was analyzed. A set of unloading scheme for the temporary support of large steel roof grid was established to guide the site construction. At the same time， the advanced measurement technology was used to automatically monitor and collect data on stress-strain， displacement and deformation of the supporting rods during the whole unloading process at the key supporting points of the actual structure， and the comparison and analysis were made with the construction simulation results. The results show that the maximum deformation and stress of each key member do not exceed the limit in the unloading process， and the overall structure is under stable stress. The unloading process can effectively control the deformation and internal force of the grid structure components， realize the information construction management of the gymnasium roof， and ensure the stable and safe unloading of the temporary support system of the grid structure. The research results can provide reference for optimizing the support unloading scheme of the grid structure， and provide scientific basis for the construction management of large-span grid structure.

Keywords：civil construction engineering; grid structure; temporary support; unloading technology; mechanical simulation; construction monitoring

鋼網架結構作為大型體育館屋面常用的空間鋼結構形式，近年來受到越來越廣泛的關注[1-2]。隨著大型鋼網架結構施工方法的多元化和復雜化，其受力性能和邊界條件逐漸復雜[3-4]。對于大跨度空間鋼結構施工，為防止桿件變形，通常在結構下弦球處搭設臨時支撐，主體結構施工完成后，需對臨時支撐體系進行卸載。

已有學者對網架支撐體系的卸載進行了研究。馮國軍等[5]通過合理設計高空散裝平臺以及滑移軌道支撐結構，順利完成南京南站屋面網架結構的滑移施工；崔金利[6]結合鋼結構構件高度、自重以及加載工況，對鋼支撐體系進行合理設計和驗算，并簡述了網架基礎的處理方法；侯照保等[7]運用Midas/Gen 2018有限元軟件對采用不同臨時支撐體系的網架結構進行模擬分析，對比驗證得出網架結構臨時支撐體系的設計思路以及分析方法；邱斌等[8]通過考慮支撐結構卸載對桿件受力的影響，研究不同荷載工況下網架結構的應力響應，模擬得到了重物卸載過程網架桿件的應力變化曲線。現有的研究成果為揭示網架支撐的施工受力狀態提供了有價值的研究方法。然而，大多數研究未重點關注支撐卸載過程對大型網架結構的不利影響，導致拆除過程中結構存在安全隱患問題。支撐結構的拆除使網架結構逐漸從部分受力轉換為完全受力，從而導致網架構件持續經歷內力重分布，卸載過程中桿件的內力、變形將直接影響網架結構施工的安全性、穩定性和耐久性。因此，大型鋼網架結構臨時支撐卸載對網架結構的整體安全至關重要。

為消除臨時支撐卸載過程中的潛在危險，筆者采用有限元軟件Midas/Gen 2018對佛岡體育館屋面網架結構進行施工模擬，依據計算結果提出了“分段拆除、變形協調、均衡卸載”的卸載方法，并制定了一套全面的監測方案對支撐卸載期間關鍵構件的變形和應力進行監測，及時掌握結構的施工過程狀態。通過對比數值模擬計算結果與現場監測數據，對體育館網架屋面臨時支撐卸載過程進行合理、全面的應力和變形監測，從而實現體育館屋面的信息化施工管理，確保屋面結構的力學狀態有序、平穩地從被動支承狀態過渡為自身承重狀態。

1 佛岡體育館屋面網架結構工程概況

佛岡體育館工程為大跨度鋼網架結構，長64.0 m，寬62.6 m，網架起拱高度為0.2 m，總建筑面積10 400 m²，屬廣東省運動會重點基礎設施建設項目。屋面結構上部為鋼網架，主要由圓鋼管、焊接球節點、螺栓球節點組成。網架結構采用較為復雜的雙向受力結構形式，采用高空散裝法[9-10]進行網架施工。屋面下部為混凝土支柱支撐結構，與抗震球形支座連接，結構布置如圖1。

2 臨時支撐卸載過程模擬分析

2.1 計算模型

佛岡體育館網架屋面所采用的臨時支撐包括2 m×2 m標準格構式胎架和滿堂扣件式鋼管腳手架支撐平臺，網架下部整體由滿堂腳手架通過千斤頂進行支撐。

由于格構式胎架和滿堂腳手架在千斤頂卸載后才開始拆除，因此本模型主要分析千斤頂卸載過程中結構的內力分布情況。

首先依據設計圖紙建立體育館的整體計算模型，采用Midas/Gen 2018軟件對屋面鋼網架臨時支撐卸載過程進行模擬計算，其中網架鋼材的彈性模量取值2.05×10⁵MPa，網架模型工況恒荷載取值0.3 kN/m²，活荷載取值0.5 kN/m²，基本風壓取值0.6 kN/m²，網架自重由有限元軟件自動計算生成。

依據擬定的卸載步驟，在軟件計算模型中定義了若干個施工階段，將結構構件、支座約束、荷載工況劃分為組。Midas/Gen 2018軟件采用生死單元法[11]以考慮時間依從效果。在分析每個施工階段時，將對應的上一個施工階段網架桿件的位移和內力作為本階段桿件的初始狀態，對該施工步驟后期的所有構件以及需要加載的荷載工況采用殺死功能進行凍結，從而保證網架結構臨時支撐卸載過程的施工模擬符合施工的實際狀態。網架臨時支撐卸載點位于千斤頂支撐處，點位數量為108個，臨時支撐點采用彈性連接模擬，考慮臨時支撐的體育館屋面網架結構模型如圖2所示，其中支撐點位的分布情況如圖3所示。

2.2 臨時支撐卸載順序

本模型基于以下條件模擬網架臨時支撐的卸載過程。

1）臨時支撐底部具有足夠的豎向剛度，現場臨時支撐的豎向剛度需滿足分析模型的豎向剛度符合固定假設的要求。

2）支撐點在每一步卸載過程中均應頂緊，禁止在脫開工況下進行施工。由于臨時支撐的卸載順序對結構內力和變形的影響較大[12]，因此，本模擬基于“分段拆除、變形協調、均衡卸載”的原則，將108個支撐點劃分為7個分區，其中卸載分區1，4，6和7的卸載支撐點數量分別為9個、18個、12個和20個，其他分區均為16個，各分區的支撐點卸載同步進行。卸載順序為卸載分區1→卸載分區2→…→卸載分區7，如圖4所示。

2.3 施工模擬結果

為確保網架施工階段的結構安全，同時便于與后期監控數據進行對比分析，對屋面網架結構施工模擬后，輸出關鍵節點部位的計算結果，各變形輸出點位分布情況如圖5所示。

根據圖4定義的卸載順序，對考慮臨時支撐的屋面鋼網架模型進行數值分析及計算，其中卸載過程中結構桿件最大應力比計算結果如圖6所示，所有支撐點的軸力標準值如圖7所示。

由圖6可知，在支撐點卸載過程中，桿件的最大應力比為0.89，不存在超限（＞0.9）的情況，表明構件的承載力滿足要求。由圖7可知，拆除過程所有的千斤頂均處于受壓狀態，最大壓力標準值為71.8 kN。綜上，本文提出的卸載施工順序對千斤頂軸力的控制效果良好，臨時支撐卸載方案的模擬結果符合設計要求。

為進一步驗證支撐卸載方案對網架結構撓度變形的控制效果，對網架屋面模型進行深入分析，得到監測點1—14的豎向位移量如圖8所示。

由圖8可知，監測點最大豎向變形為-2.1 mm，此值小于允許變形值ΔL=B/250=250.4 mm。從模擬結果可以看出，按照所設計的臨時支撐卸載方法，網架結構各卸載點的位移以及桿件內力均符合設計要求。為此，依據該施工模擬計算結果，編制網架臨時支撐卸載方案，并依據所定方案指導現場施工。

3 支撐卸載施工方案

3.1 臨時支撐卸載的流程

在臨時支撐卸載施工前，首先通過磁致式靜力水準儀HT-SZY200測量記錄各支撐點的標高。卸載時，首先要檢查每一支撐點的工況，確保滿足千斤頂卸載要求。其次移除兩側支撐鋼墊片，每次移除量比對應的卸載量多出20 mm，最后按照預定計劃逐級進行卸載。每一階段卸載施工結束后及時監測結構的位移和內力，確保支撐點處結構與千斤頂安全分離，測量記錄各卸載點的標高，以此作為下一階段卸載量的調整值。

卸載步驟如下：檢查卸載點位置的工況確保千斤頂處于頂緊狀態→復核各結構面和桿件的空間位置并記錄千斤頂的定位高度→對兩側支撐措施鋼墊片進行移除，每次移除量比對應卸載量多20 mm→按照預定的卸載分級表確定各支撐千斤頂的逐級卸載量→下調螺旋千斤頂達到規定卸載量→穩定2 h并將結構的位移和變形監測結果與模擬結果進行對比→滿足要求后繼續卸載，逐級循環。通過以上方法，按3 d為1個觀察周期下調千斤頂，直至網架下弦球與千斤頂間完全脫離，完成卸載。

3.2 卸載過程關鍵技術

在臨時支撐的卸載過程中，為防止個別支撐點位由于卸載量過大產生受力集中，實現臨時支撐的均勻、穩步卸載，應把握好以下關鍵環節。

1）統一確定每一階段各臨時支撐的卸載量大小，對卸載進行精確把控，通過在規定時間內調整千斤頂標高來控制卸載量，允許偏差為±2 mm。

2）在卸載前采用磁致式靜力水準儀對結構進行測量，根據各臨時支撐結構的自重撓度值，采用分階段微量下降和多次循環的方法來實現荷載的平衡轉移，各支撐點下調位移步長取值3～5 mm，同時每次調整后測量卸載點的標高，以確定下一次卸載的調整值。

3）由于空間結構各部位的強度和剛度均不相同，卸載過程中的各部位變形也各不相同，卸載應遵循“分段拆除、變形協調、均衡卸載”的原則，以變形控制為核心，確保卸載過程中臨時支撐的受力以及網架的變形控制在允許范圍內。

4）卸載過程中要經常檢查網架安裝的坐標及高程，當出現部分支撐點位置脫開或者偏離過大時，應采用2個千斤頂在原支撐兩側把節點底板由原來位置頂起2～3 mm至設計高度，隨后置換千斤頂，頂到節點底板支頂位置，最后緩緩回落使新設千斤頂受力。

4 監測與施工模擬結果對比

4.1 監測目的與監測內容

臨時支撐卸載過程是一個循序漸進的過程，為確保卸載按照預定的目標進行，對卸載過程屋面網架的關鍵構件進行監測及分析具有非常重要的意義。通常情況下，對網架支撐卸載過程的監測內容包括選定點位的位移、撓度監測以及關鍵桿件的截面應變[13-14]，本項目進行施工監測的目的主要包括以下3個方面：

1）掌握鋼結構屋面網架卸載過程的安全狀態，避免操作失誤或其他因素導致桿件變形過大；

2）掌握結構的實際受力情況，與臨時支撐卸載的施工模擬結果進行比較，及時優化卸載方案；

3）通過監測卸載過程網架桿件的變形及應力，驗證網架支撐卸載模擬過程中結構受力和變形的正確性和差異性，及時復核分析找出問題來源。

4.2 過程監測設備與方法

為研究卸載網架臨時支撐過程中桿件的內力變化規律，施工現場采用自動化的監測方式，對臨時支撐卸載全過程的網架構件進行靜力監測，從而提供結構關鍵構件的實時受力狀態，采用的監測設備包括：1）靜力水準儀；2）振弦式表面應變計；3）電子全站儀。根據網架現場環境，采用靜力水準儀對下弦桿構件節點處進行沉降自動化監測，以及對下弦中央一點及下弦跨度四分點處進行撓度自動化實時監測；采用振弦式表面應變計對網架上弦桿、下弦桿及腹桿進行應力應變自動化監測；最后采用電子全站儀對水平位移進行監測。

4.3 卸載過程監測值與模擬結果的對比分析

依據GB 50205—2020《鋼結構工程施工質量驗收標準》[15]，網架結構變形測點應設在可以反映結構狀態變化的構件上，其中，跨度24 m以上的鋼網架結構測量下弦中央一點及各向下弦跨度的四等分點。因此本項目的變形測點主要包括網架屋面下弦桿構件節點處、下弦中央一點及下弦跨度四分點處（共14個監測點），監測點位置與圖5中的網架模型變形量輸出點位一一對應，具體位置見圖9 a）。應力應變監測點應設在鋼結構中部沿軸向對稱四點處、反映結構狀態變化的構件處、應力最大構件處、重要節點區域的構件處、溫度變化較大的構件處以及風荷載效應敏感處的構件。應力應變監測點分別布置在網架上弦桿的5個點（S-1—S-5）、下弦桿的7個點（X-1—X-7）以及腹桿的6個點（F-1—F-6），具體位置如圖9 b）所示，位移監測點與應力監測點的布置過程如圖10所示。

為確保所提的施工方案滿足設計要求，在進行千斤頂卸載時，按照規范JGJ 7—2010《空間網格結構技術規程》[16]的要求，卸載過程各階段應檢查網架撓度變形以及內部應力，屋面網架結構的實際撓度值不可超過網架短向跨度長度的1/250，即本項目屋面網架允許變形的撓度值為ΔL=B/250=250.4 mm，依據監測結果，現場屋面網架卸載過程的最大撓度值為-50.6 mm＜250.4 mm，滿足規范要求。同時，將鋼網架臨時支撐卸載過程中所監測到的14個點位的變形監測數據與數值分析結果進行對比，結果如圖11所示，應力監測結果見圖12。

由圖11可知，通過數值模擬對現場施工進行指導，卸載施工完成后各監測點的豎向位移量與施工模擬結果吻合良好。監測值與模擬結果的平均誤差僅為7.5 mm，最大誤差為22 mm。監測點3的變形誤差最大，這可能與以下2個方面因素有關：1）監測點3位于整體結構的中心，其受力、變形狀態容易受周圍桿件卸載傳力的影響，本身具有數據敏感性高、離散性大的特點；2）該監測點附近桿件交錯復雜，現場布置點位儀器時有一定難度，操作誤差相對難以控制，這可能是導致其變形誤差最大的重要因素。

另外，大部分監測點的模擬計算值均稍小于現場監測值，這可能是因為軟件模型的理想化假定施工活載、風壓等被簡單地取為恒定值，從而導致無法反映卸載過程的實際情況，如臨時的集中堆載和強風天氣。因此桿件實際承受的荷載比軟件計算時更大，則實測變形更大。監測點（3， 7， 9）實測變形小于模擬變形，這可能與合理的數據離散性和難以避免的操作誤差有關。

從圖12可知，在臨時支撐卸載過程中，網架桿件的應力變化較大，其中桿件受拉時受力最大，最大拉應力值為205.03 MPa，遠小于Q345鋼的屈服強度，滿足規范要求。結構體系轉換后，在網架自重荷載的作用下，現場監測值最大值為-50.6 mm，模擬計算值為-46.5 mm，整個結構受力穩定，證明所采用的臨時支撐卸載方案對屋面鋼網架的內力和變形起到了較為理想的控制作用。

4 結 語

筆者依托廣東佛岡體育館鋼網架屋面工程實例，結合有限元分析方法，對屋面鋼網架臨時支撐的卸載技術進行了研究，提出了大跨度鋼網架結構臨時支撐卸載施工工藝，并通過對支撐卸載過程進行內力和變形的全方位監測，保證了結構的安全和穩定，結論如下。

1）所提臨時支撐的卸載順序遵循“分段拆除、變形協調、均衡卸載”的原則，其關鍵技術在于千斤頂和水準儀密切配合，采用分階段微量下降和多次循環的方法來實現荷載的平衡轉移。

2）在Midas/Gen 2018軟件模擬的支撐點卸載過程中，桿件最大應力比為0.89，不存在超限（＞0.9）的情況。桿件最大豎向變形為-46.5 mm，也小于允許變形值250.4 mm，表明卸載過程中構件的強度、剛度滿足規范要求。

3）將設計方案應用于佛岡體育館屋面網架結構卸載，各監測點的位移實測最大值僅為-50.6 mm，滿足規范要求。實踐表明，該施工方案解決了臨時支撐卸載中存在的位移量不易控制、施工可操作性差等問題，具有一定的應用價值。

但其研究模型未考慮現場臨時堆載、強風天氣以及建筑材料時變屬性等隨機因素。此外，本文提出的支撐卸載方案僅在佛岡體育館鋼網架屋面項目中得到應用和驗證，在后續研究中需要考察其在其他網架結構工程中的普適性。

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