基于多尺度有限元的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工過程分析

摘" 要" 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的施工過程模擬多采用桿系模型，不能反映網(wǎng)架節(jié)點以及頂升處的復雜應力情況，容易導致網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工過程出現(xiàn)安全隱患，為此提出了基于多尺度有限元的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工過程分析方法。首先對比了位移協(xié)調(diào)、做功協(xié)調(diào)以及二者組合的多尺度有限元界面連接模型。隨后以濟寧北站網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工過程為例，通過多尺度有限元分析了三種典型施工方案下的結(jié)構(gòu)力學響應。結(jié)果表明：采用基于位移協(xié)調(diào)的多尺度界面連接方法用于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工過程分析可兼顧實施效率和計算精度，精細單元長度取0.9～1.1倍圓管截面外徑時能夠避免圓管截面出現(xiàn)應力集中，符合平截面假定。采用“現(xiàn)場地面分塊拼裝、整體頂升、高空散裝”的施工方案，結(jié)構(gòu)最大應力為292.3 MPa，最大位移為59.6 mm，最為安全。

關(guān)鍵詞" 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)， 多尺度有限元， 界面鏈接模型， 力學響應， 施工方案

收稿日期： 2023-05-22

作者簡介： 張龍海，男，中級工程師，主要從事土木工程結(jié)構(gòu)。E-maill：906652766@qq.com

* 聯(lián)系作者： 張營營，男，教授，主要從事大胯空間結(jié)構(gòu)研究。E-maill：zhangyingying_cumt@163.com

Research on Construction Scheme Design and Monitoring of Grid Structure Based on Multi-Scale Finite Element Method

ZHANG Longhai1" WANG Shiyu2" LI Wei1" DONG Yeting1SUN Yu1" ZHANG Yingying3，*" XU Junhao3

（1.The First Companies of China Construction Eighth Engineering Division， Jinan 250100， China； 2.China Railway Jinan Group Co.， Ltd.， Jinan 250000， China； 3.Department of Structural Engineering，School of Mechanics and Civil Engineering， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China）

Abstract" The construction simulation research of grid structure mostly adopts the rod system model， which cannot accurately reflect the complex stress and damage at the grid structure nodes and jacking nodes， which is easy to lead to potential safety hazards in the construction of grid structure. Based on this， this paper compares three multi-scale finite element interface connection models. The length value of the fine element of the grid tube structure is discussed. Based on the multi-scale finite element simulation of the construction process of the grid structure of Jining North Station， the structural mechanical response under three typical construction schemes is analyzed and compared with the field monitoring data. The results show that the multi-scale interface connection method based on displacement coordination can better complete the coupling between different scale models. When the fine element length of the multi-scale model is 0.9～1.1 times of the outer diameter of the round pipe section， the stress concentration of the circular tube section can be avoided， and the section displacement conforms to the plane section assumption. The maximum stress of the construction scheme of “site ground block assembly， overall jacking and bulk at height” is 292.3 MPa， the maximum displacement is 59.6 mm， and the stress at the joint is close to the yield stress. The results of numerical simulation analysis are basically consistent with the overall trend of field monitoring data analysis. Relevant research methods can provide reference for similar projects.

Keywords" grid structure， multiscale finite element， mechanical response， construction plan， on site monitoring

0" 引" 言

隨著經(jīng)濟技術(shù)的發(fā)展，大跨空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)被廣泛應用于大型高鐵車站、機場和體育場館等公共建筑中［1］。但是，這類結(jié)構(gòu)在施工過程中，由于邊界條件的變化、桿件數(shù)量的增多等原因，結(jié)構(gòu)容易發(fā)生受力體系的變化，施工不當會引起結(jié)構(gòu)整體的破壞［2］。因此，為了保證工程質(zhì)量和結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全性，需對施工方案進行全過程模擬，提前了解可能存在的危險以及桿件的穩(wěn)定性是否滿足要求［3］。

目前主要采用數(shù)值模擬對施工過程進行分析。王憲剛等［4］以膠濟客專濰坊站新建南站房為例，聚焦了風箏造型的大跨度雙曲面鋼網(wǎng)架屋面在施工過程中的安全性。石瑛莉［5］以地鐵上跨鋼結(jié)構(gòu)頂推施工方案為例，對楔形軸線頂推作業(yè)施工要點進行分析。喬恩懋等［6］基于BIM技術(shù)，構(gòu)建空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模型。呂春等［7］采用Midas軟件對上海天馬生活垃圾末端處置中心工程網(wǎng)架滑移過程的內(nèi)力及變形進行仿真模擬，確定了地面散裝與高空整體滑移相結(jié)合的綜合施工方法。韓向科等［8］采用SAP2000軟件對某正放四角錐鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行了施工全過程的仿真模擬分析，驗證了該安裝技術(shù)的可行性，為網(wǎng)架的順利施工提供了理論依據(jù)。目前，關(guān)于網(wǎng)架施工模擬的研究大多采用桿系模型進行，探討的內(nèi)容主要集中在桿件應力、應變響應及整體穩(wěn)定性等方面，針對節(jié)點處或頂升點處的細節(jié)分析較少［9］。近年來，多尺度建模方法的提出有效提高了可以考慮細部構(gòu)造的模擬方法的計算效率，其在施工過程模擬方面的應用主要在橋梁領域［10］，且相關(guān)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在施工過程中的多尺度模擬研究還較少。因此，采用多尺度模型對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的施工過程進行模擬，可以充分研究整體和局部細節(jié)的應力與變形情況，提前了解結(jié)構(gòu)的薄弱位置，為施工方案提供強有力的數(shù)值驗證。

為了滿足整體結(jié)構(gòu)力學響應，并反映關(guān)鍵節(jié)點的塑形發(fā)展，多尺度建模成為了一種常用策略。即在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位使用精度較高的實體單元，而在非關(guān)鍵部位使用計算效率較高的結(jié)構(gòu)單元，并通過一定的界面連接模型將兩種不同尺度單元耦合起來，以達到兼顧效率和精度的目的。在過去的研究中，學者們通常采用位移協(xié)調(diào)、做功協(xié)調(diào)以及組合多點約束的方法建立不同尺度節(jié)點自由度間的約束方程，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)多尺度分析。其中，陸新征等［11］基于位移協(xié)調(diào)推導出梁-實體單元間約束方程，并輸入到ABAQUS有限元軟件中，成功實現(xiàn)了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)多尺度分析。王鳳陽［12］根據(jù)界面虛功平衡方程建立了界面連接處的力和位移約束方程，并應用于結(jié)構(gòu)非線性多尺度分析，結(jié)果表明該約束方程對于界面耦合處的應力計算具有更高的計算精度。孫正華等［13］運用多尺度法建立了香港青馬大橋的多尺度模型，對比了有限元結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)，證明了多尺度方法的有效性。吳宜峰等［14］建立了減隔震橋梁縮尺模型的多尺度模型，并對其進行了地震響應研究，結(jié)果表明該多尺度橋梁模型可以較好地模擬整體結(jié)構(gòu)在地震作用下的行為和支座局部細節(jié)力學行為。但是針對現(xiàn)有多尺度界面連接模型，其優(yōu)缺點不一，并且少有針對圓管界面的連接模型，同時對于多尺度模型中精細模型的長度如何確定少有研究。

本文以濟寧北站網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為例，通過多尺度數(shù)值分析對比了三種界面連接模型在網(wǎng)架圓管結(jié)構(gòu)的連接效果，確定了網(wǎng)架圓管截面精細單元長度取值。提出了三種網(wǎng)架施工方案，并對施工全過程進行了多尺度有限元模擬。通過對關(guān)鍵節(jié)點部位的精細化建模，詳細探討了施工過程中桿件內(nèi)力重分布的情況。最后通過數(shù)值分析和施工全過程監(jiān)測對選用方案進行分析對比，對保證施工過程的安全以及結(jié)構(gòu)后續(xù)使用的安全具有一定的指導意義。

1" 多尺度有限元界面連接模型

1.1 宏-細觀有限元模型界面連接方程

多尺度有限元建模的關(guān)鍵是在不同尺度之間有合理的連接。在理想情況下，界面連接處需要滿足平衡方程、變形協(xié)調(diào)方程以及材料本構(gòu)方程，然而由于不同單元的自由度不同，如何將多尺度界面處宏觀單元自由度與精細單元自由度聯(lián)系起來是實現(xiàn)多尺度連接的關(guān)鍵［15-16］。本文以圖1中的三維梁單元和三維實體單元的連接為例簡單說明約束方程的建立。在軸向力、彎矩和剪力作用下，界面連接處將發(fā)生變形，此時宏觀單元節(jié)點位移、精細單元節(jié)點位移和耦合界面截面尺寸之間存在一定的位移協(xié)調(diào)關(guān)系，利用其位移協(xié)調(diào)關(guān)系可推導出約束方程，其位移協(xié)調(diào)約束方程如公式（1）所示。通過兩種不同單元節(jié)點在界面處六個自由度做功相等，可以推導得出界面連接處的節(jié)點約束方程，其做功協(xié)調(diào)約束方程如公式（2）所示。基于位移協(xié)調(diào)導出的約束方程不適用于剪切方向的界面連接，基于做功相等的約束方程不適用于軸力、彎矩等使得桿件整體進入塑性的工況，故有學者［17-19］決定在軸力和彎矩方向采用位移協(xié)調(diào)約束方程，而剪力方向采用做功相等約束方程，則可得組合多點約束方程，如公式（3）所示。

（1）

（2）

（3）

式中：、分別為作用在宏觀單元i方向的節(jié)點力和位移；、、分別為精細單元軸向位移和兩個切向位移；、、分別為精細單元第i個節(jié)點處由于Fi引起的軸向應力與兩個切向應力；、、分別為精細單元界面連接處第i個節(jié)點軸力和切向位移；b、h分別為構(gòu)件的截面寬度和截面高度。

1.2 算例分析

基于以上原理，本文分別建立了精細模型、位移協(xié)調(diào)模型、做功平衡模型以及組合多點模型。如圖2所示，梁總長1 m，其中精細模型長0.2 m，宏觀模型長0.8 m。精細模型采用S4R殼單元建立，宏觀模型采用B31梁單元建立。殼單元模型需要12 800個殼單元，12 864個節(jié)點。多尺度模型中需要2 560個殼單元、16個梁單元，2 641個節(jié)點。選擇如圖2所示的底部固定的懸臂桿件進行對比分析。

在精細單元一側(cè)施加固定約束，即約束節(jié)點的6個方向的自由度，另一側(cè)不做任何約束。在頂部施加相同位移荷載和轉(zhuǎn)角，鋼材型號為Q355，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3，材料本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，屈服應力為355 MPa。計算結(jié)果如圖3和圖4所示，發(fā)現(xiàn)在施加位移載荷下基于三種界面約束方程下的各模型與全部采用殼單元的精細模型應力較為吻合。各模型頂點轉(zhuǎn)角-彎矩曲線在初始階段上升趨勢基本一致，當轉(zhuǎn)角到0.015 rad左右時各模型進入塑性階段，隨后各模型曲線呈現(xiàn)不同上升趨勢，但各模型與精細模型之間誤差較小。

本文引用材料力學中的撓度公式，計算得出懸臂梁荷載作用點處的理論解。同時各數(shù)值分析模型通過在自由端以0.5 kN為幅值逐漸增加作用在懸臂梁自由端荷載，比較各模型加載點處位移大小，并以此與懸臂梁理論解做比較。有限元模型及懸臂梁模型計算簡圖如圖5所示。各模型自由端位移的數(shù)值分析結(jié)果及其理論值見表1。

根據(jù)材料力學中的撓度公式，懸臂梁的撓度方程為：

（4）

式中：為施加的荷載；為荷載作用點到固端的距離；為懸臂梁的長度；為材料的彈性模量；為截面慣性矩。

由表1可知，各懸臂梁精細模型的自由端位移與理論值相差不大，但在各多尺度模型中，基于做功平衡的多尺度模型各階段自由端位移與精細模型和理論值都相差較大，各階段與精細模型位移誤差均超過了5%；基于組合多點約束的多尺度模型自由端位移與精細模型和理論值誤差都超過了3%；結(jié)果發(fā)現(xiàn)基于位移協(xié)調(diào)模型的結(jié)果與精細模型和理論值相差不大，各階段誤差均在1%之間。此外，在連接圓管界面時，基于位移協(xié)調(diào)的界面連接方法的多點約束方程數(shù)量取決于節(jié)點自由度數(shù)量，對于梁單元而言只需6個約束方程。而基于做功平衡的界面連接方法中的約束方程數(shù)量取決于精細單元界面節(jié)點數(shù)量顯著多于基于位移協(xié)調(diào)的界面連接方法。因此，基于位移協(xié)調(diào)的多尺度界面連接方法能夠較好地完成不同尺度之間模型的耦合，在計算精度以及實施效率上略有優(yōu)勢。

1.3 多尺度模型精細單元長度S分析

為使網(wǎng)架圓管截面上的位移都符合平截面假定，圓管截面處的桿端載荷應符合標準應力邊界條件的線性組合，否則，在圓管桿端截面處就會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，使得應力-應變不符合平截面假定［20］。對于網(wǎng)架圓管截面，如果殼單元模型長度S取值過小，會使得耦合界面處應力-應變關(guān)系不滿足平截面假定狀態(tài)；如果殼單元S取值過大，會增加微觀尺度處單元個數(shù)，導致運算量增加。本文采用數(shù)值試驗的方法估計多尺度精細單元長度S的取值。對于網(wǎng)架圓管而言，應力集中影響的范圍，即多尺度模型中精細單元長度S的取值只與圓管截面的徑厚比D/t和桿端載荷的分布方式有關(guān)。其中，D為圓管截面的外徑，t為圓管截面厚度。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中圓管的徑厚比一般位于30和15之間。本文將作用在圓管上的均布荷載等效為作用在圓管圓周上的集中力載荷，如圖6所示。計算出4種常見徑厚比的圓鋼管在這4種載荷作用下的應力集中影響［21］范圍，來估計S的取值。

表2列舉了各桿件應力集中影響系數(shù)a滿足|a-1|＜0.05時，多尺度模型精細單元長度S的最小值。從表中數(shù)據(jù)可以看出，應力集中影響范圍S隨著圓管截面徑厚比的增大而略有增加；可以發(fā)現(xiàn)，雖然這四種載荷的分布方式有很大區(qū)別，但應力集中影響范圍S的變化并不大，介于0.878D～1.128D之間。因此，本文將S的估值范圍定為0.9D～1.1D。以上載荷分布是將桿端力等效為集中力，而在實際工程中，各網(wǎng)架圓管是通過空心球嚴密焊接在一起的，圓管桿端的應力集中程度要遠小于上述的集中載荷分布。因此，取S的估計值范圍為0.9D～1.1D一般是可以滿足工程需要的。

2" 雙層網(wǎng)架多尺度有限元建模

以濟寧北站鋼網(wǎng)架為分析對象，網(wǎng)架平面尺寸138 m×75.5 m，網(wǎng)架頂標高為26.2 m，網(wǎng)架四周懸挑長9.8 m，網(wǎng)架重696.49 t。由于車站內(nèi)部存在高差，采用地面拼接后整體頂升的方案并不現(xiàn)實，針對這一問題，本文提出了三種施工方案。方案一采用“現(xiàn)場地面分塊拼裝、整體頂升、高空散裝”的施工方法，將A區(qū)網(wǎng)架地面拼裝并頂升至一定高度處，續(xù)拼B區(qū)網(wǎng)架并安裝頂升裝置，對整體提升的網(wǎng)架進行全面檢查并驗收合格后，進行預頂升。網(wǎng)架整體脫離地面約300 mm后，再次進行全面檢查，確認無異常情況后，頂升器液壓油缸鎖緊，靜置約30 min。隨后將網(wǎng)架整體頂升至設計標高，最終進行網(wǎng)架嵌補桿件的安裝，并利用塔吊空中散裝C區(qū)網(wǎng)架。方案二采用“分區(qū)整體拼裝、分區(qū)頂升、高空合攏”的施工方法，將A區(qū)和B區(qū)網(wǎng)架地面拼裝，將A區(qū)地面網(wǎng)架頂升至一定高度處，續(xù)拼A區(qū)網(wǎng)架，隨后將網(wǎng)架整體頂升至設計標高，對頂升裝置進行約束處理。進行網(wǎng)架嵌補桿件的安裝，并利用塔吊空中散裝C區(qū)網(wǎng)架。方案三采用“地面分塊拼裝、分塊吊裝、高空合攏、高空散裝”的施工方法，將A區(qū)網(wǎng)架地面拼裝并采用一臺塔吊分別吊裝各區(qū)網(wǎng)架至設計標高，直至五個區(qū)域網(wǎng)架全部落位后對各區(qū)域網(wǎng)架進行合攏，最后利用塔吊空中散裝B區(qū)網(wǎng)架。各方案分區(qū)施工方法如圖7所示。

本文采用Midas有限元分析軟件對網(wǎng)架的施工過程進行多尺度建模模擬。模型中，各材料屬性同上述算例驗證。焊接球質(zhì)量通過節(jié)點荷載施加，取質(zhì)量放大系數(shù)為1.1，保證模型質(zhì)量與設計質(zhì)量相等。頂升裝置上提升點采用等效剛度法進行邊界簡化處理。分析過程采用累加模型進行計算，考慮施工階段構(gòu)件的產(chǎn)生與消失、施工階段中荷載的加載與卸載和邊界條件的變化。即在每個施工階段內(nèi)只輸入已經(jīng)變化的結(jié)構(gòu)體系或荷載進行分析，然后把結(jié)果累加到前一階段分析結(jié)果中，最后輸出總結(jié)果。為了獲取節(jié)點處精細的力學響應特征，對部分應力響應較大的節(jié)點進行了實體單元精細化建模，并采用界面修正方法對多尺度模型邊界進行處理，即采用約束方程將實體單元和桿單元進行連接，保證兩者間節(jié)點自由度相等。

節(jié)點精細化模型布置長度根據(jù)上述模擬實驗，取截面尺寸1.1倍作為精細化模型的桿件長度。基于多尺度有限元模型的施工過程分析，具體分析流程為：首先采用Midas/Gen軟件建立網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體模型，對所有施工步驟進行模擬分析，尋找應力水平較大的節(jié)點；其次采用Midas/FEA軟件建立這些節(jié)點的細化模型（見圖8），然后導入Midas/Gen中（見圖9）；最后對跨尺度模型采用基于位移協(xié)調(diào)的界面連接方式，并進行多尺度分析。

3" 模擬結(jié)果

3.1 施工過程應力分析

各施工方案中應力水平最大的施工步驟應力云圖如圖10、圖11和圖12所示。從應力云圖中可以看出：施工方案一中，各施工階段的桿件應力水平均小于屈服強度，施工過程中最大拉應力為292.3 MPa，最大壓應力為166.9 MPa。施工方案二中，步驟四出現(xiàn)了大于桿件極限承載力的應力水平，最大拉應力達到了325 MPa，最大壓應力為867 MPa，這表明此時會出現(xiàn)桿件嚴重變形的情況，若采用此方案應增加臨時支撐，其余施工步驟的應力均小于屈服強度。施工方案三中，各施工階段的桿件應力水平均小于屈服強度，施工過程中最大拉應力為153.8 MPa，最大壓應力為280.1 MPa。而設計體系下最大拉應力為104.5 MPa，最大壓應力為87.9 MPa，施工階段出現(xiàn)了比設計之初更大的應力水平，表明對施工階段進行全過程模型是有必要的。由此可見，通過多尺度計算對施工階段全過程模擬能夠?qū)崿F(xiàn)整體結(jié)構(gòu)力學行為，獲得了試驗無法觀測的數(shù)據(jù)。

3.2 施工過程位移分析

各施工階段位移如圖13、圖14和圖15所示，表3給出了各階段結(jié)構(gòu)最大位移值。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，結(jié)構(gòu)位移在施工過程中不斷變化，基本呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。施工方案一中最大位移為59.6 mm，出現(xiàn)在施工步驟三；施工方案二中最大位移為65.1 mm，出現(xiàn)在施工步驟四；施工方案三中最大位移為41.5 mm，出現(xiàn)在施工步驟三。各方案的最大位移均在《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 7—2010） ［22］的限值（1/250）范圍內(nèi)。對比三種施工方案，可以看出方案一中結(jié)構(gòu)位移變化更加穩(wěn)定，均為四周位移大，中間位移小；而方案二中由于步驟三和步驟四之間的支撐位置變化較大，導致結(jié)構(gòu)位移變化較大，從四周位移大變?yōu)橹胁课灰拼螅环桨溉兄ё湮恢笾屋^少，導致結(jié)構(gòu)變形較大。這些都會使得結(jié)構(gòu)存在安全隱患，施工不當容易造成網(wǎng)架嚴重變形甚至坍塌等事故。因此，從位移分析來看，方案一更為安全。

3.3 節(jié)點應力與支座反力分析

多尺度計算可以對關(guān)鍵復雜局部節(jié)點受力狀態(tài)進行模擬，通過模擬選取各方案中最大節(jié)點應力進行對比分析，各節(jié)點最大應力如圖16所示。從節(jié)點應力分布情況來看，桿件上的應力并不是均勻分布的，與梁單元模型相比呈現(xiàn)出較大的差別，這表明了采用多尺度模型的必要性。從圖中可以看出，節(jié)點處最大應力發(fā)生在連接處，其值接近于屈服應力，在施工過程中應注意節(jié)點處變形。

由于支座處結(jié)構(gòu)復雜，其支座反力的大小決定了所需要的頂升設備或吊裝設備的極限承載力，表4給出了各施工方案不同階段時的最大支座反力。可以看出，方案三各階段的支座反力在三種方案中最小，方案一各階段的支座反力在三種方案中最大。

3.4 方案優(yōu)化比選

從整體應力、結(jié)構(gòu)位移、節(jié)點應力和最大支座反力四個方面綜合比較施工方案的優(yōu)劣，并綜合考慮施工成本、施工工期等因素后，本工程擬對方案一進行優(yōu)化并將其作為最終方案。主要原因有以下幾點：方案一應力水平最小，整體位移最小，施工所需的頂升裝置遠少于其他方案，施工順序合理，施工過程中占地面積最小，不影響其他工程的進行。為避免其應力變化較大、節(jié)點處最大應力接近屈服應力等問題，可對網(wǎng)架增設少量臨時支撐，并采用傳感器等設備對施工過程進行監(jiān)測，保障施工安全。

4" 施工全過程應力監(jiān)測

4.1 應力監(jiān)測方案

本文在通過數(shù)值分析后確定方案一為網(wǎng)架最終施工方案。由于濟寧北網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特殊性，網(wǎng)架桿件之間的應力分布情況極為復雜。通過對關(guān)鍵節(jié)點的局部應變的測量，從而推算出網(wǎng)架桿件的局部應力分布情況。并且通過監(jiān)測桿件最危險處的應變情況，及時與數(shù)值仿真分析結(jié)果對比，以此來判定桿件的安全狀態(tài)，及時在桿件損壞前進行安全預警。在網(wǎng)架施工過程中，網(wǎng)架的整體提升環(huán)節(jié)是整個施工過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其存在的不確定因素很多，因此確保該階段的安全對于整個網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的順利竣工具有重要意義。在網(wǎng)架主體關(guān)鍵構(gòu)件表面直接安裝SCJM-ZHX弧焊型振弦式應變計（量程為±3 000 με，標距為150 mm）進行實時應力監(jiān)測。

測點布置需要充分考慮施工過程模擬分析的數(shù)值計算結(jié)果。整個施工過程中的重要構(gòu)件均需納入到監(jiān)測范圍之中，各測點布置如圖17所示。其中，測點CD1、CD5、CD8、CD10、CD13、CD16布置在6根圓管截面腹桿上，這6根是施工過程中應力變化較大的構(gòu)件，也是網(wǎng)架整體提升中的重要構(gòu)件；測點CD2、CD3、CD4、CD9、CD14、CD17布置在落架支座附近的節(jié)點桿上；測點CD6、CD7、CD11、CD12、CD15、CD17布置在落架支座附近的圓管截面斜腹桿上。

為了便于數(shù)值模擬分析結(jié)果與施工監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，將施工過程分為9個分析步，其中SG1-SG2為A區(qū)網(wǎng)架拼接頂升，SG3-SG4為B區(qū)網(wǎng)架拼接頂升，SG5-SG7為網(wǎng)架整體頂升，SG8-SG9為網(wǎng)架嵌補桿件安裝。

4.2 有限元分析與監(jiān)測結(jié)果對比

選取整個施工過程中應力比較大的4個測點，即CD1、CD5、CD9、CD13。通過折線圖對比模擬值和實測值，如圖18所示。

測點CD1、CD5、CD13從SG1開始工作，實測值在初始階段應力呈線性增長，其中測點CD1和CD13在經(jīng)歷初始階段急劇增大后又逐漸平緩，與之不同的是測點CD5在SG1階段呈線性增長后，SG2-SG3隨之突然下降。以上變形規(guī)律基本符合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)各區(qū)塊按施工順序安裝時各函桿的應力發(fā)展規(guī)律。

分析監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，應力最大發(fā)生階段均在SG5到SG7之間，即為網(wǎng)架整體頂升階段，其應力最大值為236 MPa，出現(xiàn)在SG5階段，位于網(wǎng)架梁吊點附近的測點CD1。其最大應力小于鋼材屈服強度，網(wǎng)架桿件處于彈性變形階段，說明結(jié)構(gòu)在整體頂升階段較安全。

通過對比施工過程應力監(jiān)測結(jié)果和模擬數(shù)值可知，監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)值反映的規(guī)律基本吻合，但各測點的應力實測值均大于理論值，說明施工結(jié)構(gòu)復雜，影響因素較多。從應力監(jiān)測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，對網(wǎng)架施工過程進行合理的健康監(jiān)測和數(shù)值模擬對結(jié)構(gòu)施工安全具有重大意義。

5" 結(jié)" 論

本文對比分析了三種多尺度有限元界面連接模型以及確定了網(wǎng)架圓管結(jié)構(gòu)多尺度模型精細單元長度的取值，對濟寧北網(wǎng)架結(jié)構(gòu)三種典型施工方案開展了多尺度有限元全過程模擬，得到的主要結(jié)論如下：

（1） 采用基于位移協(xié)調(diào)的多尺度界面連接模型能夠更好地滿足不同尺度模型間的變形協(xié)調(diào)和力傳遞，且所需的多點約束方程數(shù)量最少，在保證實施效率的同時可更為真實地反映節(jié)點復雜的力學響應特征。為避免圓管桿端截面處出現(xiàn)應力集中，使得應力-應變不符合平截面假定，對于圓管結(jié)構(gòu)多尺度模型精細單元長度應取0.9D～1.1D。

（2） 采用“分區(qū)整體拼裝、分區(qū)頂升、高空合攏”的施工方案在施工過程中最大拉應力292.3 MPa，最大壓應力為166.9 MPa，施工過程中最大位移為59.6 mm，結(jié)構(gòu)變形較小。對關(guān)鍵復雜局部節(jié)點應力狀態(tài)模擬中，節(jié)點部位應力狀態(tài)不是均勻分布的，與宏觀單元模型呈現(xiàn)較大差別，其中節(jié)點連接處應力接近屈服應力。

（3） 施工過程數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果總體變化趨勢基本吻合，通過施工過程分析可確定整個施工過程中的重要階段以及重要構(gòu)件，通過施工全過程監(jiān)測，可將監(jiān)測點布置于重要桿件，能夠較好地反應網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在施工過程中的控制性力學參數(shù)，及時在桿件損壞前進行安全預警，為工程整體安全提供保障。

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