大跨度穹頂卸載全過程變形模擬與監測

付世虎，孔 杰，顏 斌

（揚州市建偉建設工程檢測中心有限公司，江蘇 揚州 225000）

0 引言

大跨度鋼結構建筑已在我國廣泛應用，其特點是可以滿足大空間要求、適合個性化建筑方案，難點是建造成本高、施工工藝復雜、安全系數要求高。大跨度穹頂結構施工過程，基本是一頂一方案，所以科學的監測有助于穹頂結構處于正常的工作狀態。

大跨度穹頂施工卸載需要準確地對全過程受力體系的模擬計算，同時對卸載過程各種監測也缺一不可。近年來，李錦城［1］使用全站儀精確測定了大跨度鋼結構屋架撓度變形，楊愛萍等［2］使用 S1型精密水準儀分別對網架自重及網架屋面工程在設計荷載作用前、后的撓度進行測量，冷明［3］對橢圓形弦支彎頂施工全過程監測及短索索力測試進行了研究，丁藝杰［4］對某大跨度鋼桁架項目進行了施工過程數值模擬分析和實時的監測，李月先等［5］布設了基準網對大跨度鋼結構屋蓋滑移、卸載、鋼屋蓋面板安裝進行了現場變形實時監測。

基于大跨度穹頂施工卸載全過程受力變形的情況，大部分只是對現場施工變形進行監測，很少對卸載方案進行合理的優化，進而確定可行的監測方案。本文以實際工程某大型屋面穹頂結構施工卸載變形監測為例，采用 Midas Gen 有限元分析軟件對卸載過程進行數值模擬分析，確定可靠的卸載方案后，對現場進行實時地監測，驗證了數值模擬的重要性，可供相關工程實踐提供參考。

1 工程概況

某醫院屋蓋采用橢圓形穹頂結構，長軸約 91.32 m，短軸約 49.63 m，投影面積 3 420 m2，總用鋼量為 340 t，包含 452 個榖節點，1 310 根方鋼構件焊接組成。經深化設計后分為 68 個單元格模塊，穹頂完成后共有 12 個受力支撐點，其中最大跨兩支撐點間距為36.4 m，最大懸挑為 12.8 m，該工程穹頂如圖1 所示。

圖1 橢圓形穹頂現場圖

該工程 272 個轂節點先在混凝土基礎上打好點，下方增加 272 個立桿。立桿上部安裝可調節頂針，在頂針上部焊接尖頭物體，保證尖頭物體與穹頂單元模塊榖節點下部中心對接。榖節點下可調節 U 托的使用，不僅可以將安裝的測量（位置及標高）工作提前，更為穹頂的整體卸載提供了方便，轂節點設計如圖2 所示。該工程關系到百年大計，其工程質量必須全部合格，因此需選擇最優的卸載方案，配備精確的監測必不可少。

圖2 轂形節點示意圖

2 大跨度穹頂卸載全過程模擬分析

本文使用 Midas Gen 有限元分析軟件，依據設計圖紙情況，使用實際截面尺寸，賦予材料相匹配的屬性，設置各支座相應的約束，建立大跨度穹頂結構模型，施加穹頂施工卸載過程的荷載，對不同階段進行應力、變形數值模擬分析，使模擬分析過程能夠準確地反應現場的卸載工況。

2.1 卸載模型的模型建立

根據本工程單層空間網格結構的受力特點，將滿堂腳手架按照位置進行分區，分區如圖3 所示。其中 1 區為外環懸挑部分，2 區為周邊支撐位置（支撐作最后卸載），3 區為中心區域。為論證合理的拆除順序，分兩種卸載次序，方案一是 3 區－1 區－2 區；方案二是1區－3 區－2 區。

圖3 穹頂模擬分區示意圖

對穹頂所有桿件采用梁單元模擬，滿堂腳手架支撐的位置設置鉸支座，模型構件所有尺寸均按實際尺寸輸入。恒荷載考慮結構自重以及屋面恒荷載，自重放大系數根據實際的用鋼量取 1.3 倍放大系數，由軟件自動加載。施工階段不考慮屋面活荷載，風荷載取 10 年一遇基本風壓 0.25 kN/m2，地面粗糙度按 B 類考慮，結構有限元模型如圖4 所示。

圖4 穹頂結構有限元模型

2.2 卸載模擬結果

通過設置好結構單元、邊界條件及荷載后，按照實際卸載情況分階段考慮穹頂受力情況。在初始狀態下，整個穹頂采用滿堂腳手架支撐，計算得初始最大應力為 4 MPa，如圖5 所示；結構初始最大變形為 3 mm，如圖6 所示。

圖5 穹頂初始狀態下應力圖

圖6 穹頂初始狀態下變形圖

按照預設的兩種卸載次序分別模擬計算，最終獲得不同次序與各階段的應力、變形云圖。

按照方案一的卸載順序 3 區－1 區－2 區，模擬得到的結果如下。應力發展過程由跨中向外圍逐漸增大，跨中最大值為 126 MPa，如圖7 所示；變形由跨中向外擴展，跨中部分逐漸達到 41 mm，懸挑端部達到 55 mm，如圖8 所示。

圖7 方案一穹頂應力圖

圖8 方案一穹頂變形圖

按照方案二的卸載順序為 1 區－3 區－2 區，模擬得到的結果為應力發展過程由懸挑根部逐漸向跨中增大，其中懸挑根部最大應力達到 89 MPa，跨中最終同樣達到 126 MPa，如圖9 所示；變形由懸挑端部向跨中發展，最終懸挑端部最大變形為 55 mm，如圖10 所示。

圖9 方案二穹頂應力圖

圖10 方案二穹頂變形圖

通過上述模擬分析得知，采用方案一的卸載順序，即先拆跨中區域的腳手架，再拆懸挑位置的腳手架時，結構的整體變形以及應力狀態變化更加平順。

3 大跨度穹頂卸載全過程監測

由模擬預知，該穹頂卸載過程中存在較大的內力重分布和變形，故現場需要對內力與變形進行監測，內力監測由現場貼應變片和安裝應力傳感器，變形由現場預固定好位移控制點進行測量。本文針對變形進行監測與分析。

3.1 卸載變形量監測方案

依據現有國家規范 JGJ 8－2016《建筑變形測量規范》、GB/T 50621－2010《鋼結構現場檢測技術標準》等采用高精度全站儀對該穹頂進行變形監測。

監測次數按卸載過程分兩次，分別為卸載前一次和卸載完穩定后一次?？紤]到結構對稱性和變形特點，監測點數共設 23 個。支座 12 個測點（用 A1～A12表示），跨中 3 個測點（用 C1～C3表示），外圍懸挑部分設 8 個測點（用 B1～B8表示），各測點布置如圖11 所示。監測前，各測點做好明顯標記，且固定牢靠。每次檢測時，儀器應處于完好狀況，無外界干擾（振動、強風或者溫差較大）等因素影響，采取同人、同測站、同儀器等同條件下進行變形檢測。

圖11 穹頂變形測點布置圖

3.2 卸載監測結果

兩次檢測結果為便于統計分析，采取相對變形值進行處理，各測點豎向終變形值按照圖12 所示計算，計算公式如式（1）所示，各測點實測相對變形結果（以 A1點為基礎點）如表1 所示。

表1 各監測點變形結果表

圖12 豎向變形計算簡圖

由表1 可知，整個穹頂水平面上變形主要集中在 X 向，并且分布在外懸挑部分，Y 向變形相對 X 向較?。徽麄€穹頂豎向變形主要集中在穹頂中心點與外懸挑端點。

4 變形模擬結果與監測對比分析

本文模擬使用的模型與實測穹頂結構基本一致，如構件尺寸、連接節點、支座約束條件、荷載邊界條件、荷載作用工況與大小等。

通過有限元模擬變形的結果與實測結果對比分析，表明實測施工卸載過程的變形值小于模擬變形值，但變化趨勢與模擬的基本一致，其結果驗證了該穹頂模型施工卸載次序的正確性；實測結果在水平面上存在一定程度的扭轉，這與施工誤差、測量誤差相關，但總體監測值在規范允許范圍內，是滿足整個結構安全要求的。

5 結語

通過以上數值模擬與實測變形分析可知，大跨度穹頂結構的卸載必須經過專項論證、實時監測，確保整個結構卸載時不引起構件較大的損傷，不造成安全事故。根據理論分析與實踐經驗，本文結論如下。

1）有限元數值模擬有效論證施工全過程穹頂結構應力變化與變形的發展情況，為實際施工卸載次序提供了技術支撐，提高了工作效率，節約成本，保證了結構安全。

2）有限元的模擬結果為實際監測點的布置提供了指導作用，減少盲目的測點。

3）變形監測時，注意避免外界環境等不確定因素對檢測時的影響。

4）對穹頂結構進行監測能及時發現問題，為后續穹頂的健康監測提供依據。Q