樹形支撐雙向傾斜鋼屋蓋施工全過程仿真分析與監測

摘" 要" 陜西某下沉式廣場屋蓋采用樹形支撐雙向傾斜鋼屋蓋結構體系，整體由斜交H型鋼網格板、樹形撐桿以及鋼筋混凝土柱組成。為了保證鋼屋蓋在整個施工過程中的安裝精度和安全性，依據擬定的施工方法和施工順序建立數值仿真模型，對鋼屋蓋的吊裝、卸載的全過程進行施工仿真分析。并且對比分步加載成型和一次加載成型結構的力學性能，揭示施工過程對結構受力及變形的影響，進一步驗證了施工過程的安全性以及結構成型的合理性。在現場對關鍵節點的豎向位移進行了監測，并且將數值模擬值與實測值進行對比，總結了施工全過程位移變化規律。現場監測與數值模擬結果有效驗證了施工方案的合理性和可靠性，可為同類工程提供借鑒。

關鍵詞" 雙向傾斜鋼屋蓋， 樹形支撐， 施工全過程， 仿真分析， 安全監測

收稿日期： 2023-05-17

作者簡介： 歐 華（1984-），男，本科，學士，高級工程師，主要從事工程項目技術管理方面的工作。E-mail：1279374758@qq.com

* 聯系作者： 陳建鋒（1975-），男，博士，副教授，主要從事鋼結構及大跨空間結構的研究。E-mail： 531980118@qq.com

Simulation Analysis and Monitoring of Construction Process of Bidirectional Inclined Steel Roof Supported by Tree-shaped Structure

OU Hua1" XIAO Jiyong1" CHEN Jianfeng2，*" XU Li2

（1.China Railway Forth Engineering Group Sixth Engineering Co.， Ltd.， Xi'an 710077， China； 2.School of Civil Engineering， Chang’an University， Xi'an 710064， China）

Abstract" The roof of a sunken square in Shaanxi province adopts the structure system of bidirectional inclined steel roof supported by tree-shaped structure， which is composed of diagonal H-section steel grid plate， tree pole and reinforced concrete column. In order to ensure the installation accuracy and safety of steel roof in the whole construction process， a numerical simulation model is established according to the proposed construction method and construction sequence， and the whole process of lifting and unloading of steel roof is simulated. Moreover， by comparing the mechanical properties of the structure formed by step loading and single loading， the influence of the construction process on the force and deformation of the structure is revealed， and the safety of the construction process and the rationality of the structure forming are further verified. The vertical displacement of key nodes is monitored on site， and the numerical simulation value is compared with the measured value， and the displacement variation law of the whole construction process is summarized. The field monitoring and numerical simulation results effectively verify the rationality and reliability of the construction scheme. The results of this paper can provide reference for similar projects.

Keywords" bidirectional inclined steel roof， tree-shaped structure， construction process， simulation analysis， safety monitoring

0" 引" 言

近年來，大跨度空間鋼結構因其造型新穎、藝術感強烈、科技含量高等優點在我國得到了迅速發展，成為公共建筑的主要結構形式之一，在實際工程中應用愈加廣泛，如江蘇大劇院、大興機場、大同美術館、賴陽體育場、蘇州奧體中心、北大體育館［1-6］。不同于常規結構受力，大跨度空間結構的結構形式和受力狀態非常復雜，因此在施工技術、計算分析等方面給廣大工程師提出了更高的要求。

常見大跨度空間鋼結構的施工方法主要有整體吊裝法、整體頂升法、整體提升法、分塊安裝法、高空滑移法、高空散裝法等。其中針對現場施工環境復雜的工程，普遍采用分塊安裝法。該方法是將鋼結構構件在地面上進行焊接，將其變成條狀或者是塊狀的拼裝，接著由起重機械吊裝至設計位置組成整體架構，因此它也被稱為小片安裝法。分塊安裝常常需要胎架作為臨時支撐配合施工，整個施工過程可分為兩個階段，即結構的安裝成型階段和卸載階段。在結構成型階段，胎架充當臨時支撐，為結構拼裝提供一個臨時平臺；后期為卸載階段，即臨時支撐的拆除階段［7］。卸載過程的結束標志著空間結構由臨時支撐承載狀態轉化為自身承重狀態。針對大跨度空間結構施工全過程的力學分析，很多學者做了相關研究。其中金磊等［8］針對大懸挑預應力鋼罩棚結構進行全過程的施工模擬與監測，驗證了施工方法的正確性；雷淑忠等［9］針對大跨度復雜鋼結構屋蓋的提升過程進行模擬分析與監測，驗證了提升過程的安全性及可行性。張瑞玲等［10］結合大跨體育場屋蓋卸載過程的施工特點，提出間隔卸載法，運用有限元法對卸載過程進行模擬，并且對屋蓋變形位移實時監測。楊偉［11］針對某大跨度鋼結構連廊施工全過程提出了一種有限元模擬方法，為該類工程的施工分析提供準確可靠的技術支撐。以上研究和大型工程的應用充分證明，施工仿真分析在大跨度空間結構中起到至關重要的作用。

本文所研究結構為雙向傾斜鋼屋蓋，樹形支撐傳力，剛度變化大，施工場地環境復雜，常規施工方法及施工順序對結構成型應力應變影響大，相關研究較少。鑒于其特殊性，為保證結構在施工過程中的安全及精度，采用施工仿真的分析方法對其進行專門研究，揭示在特定施工方案下，結構在施工成型過程中的受力及變形變化規律，具有重要的現實意義。

1" 屋蓋工程概況

擬建工程為陜西省西咸新區某下沉廣場鋼屋蓋，平面投影呈L形不規則體型，尺寸約為48 m×50 m，平均高度30 m，鋼屋蓋由型號為H950×100×10×14的鋼梁斜交組成空間雙向傾斜單層平面網格體系，屋蓋東西、南北兩個方向的傾斜高差分別達到4 m和3.5 m。投影面積1 725 m2，總用鋼量320 t，鋼屋蓋單方用鋼量185.5 kg/m2。建筑效果圖如圖1所示。屋蓋下部支撐結構由五根懸臂混凝土柱和每根柱頂的4根樹形支撐組成。其中支撐一端通過銷軸與屋蓋連接，另一端通過半球支座與混凝土柱頂連接。施工成型后鋼結構總體呈現高空、傾斜、重載、單層、三向密肋、空間交叉、深梁平面網格體系等特點。施工場地周邊環境復雜，有地下空間結構，其混凝土頂板不能承受較大集中荷載，施工工具布置受限，下部工作面高低不平，不在同一水平面上，不具備理想工作面。同時大片體傾斜重載深梁網格板塊吊裝及高空拼接施工復雜，各區位板塊拼接精度、屋蓋整體平整度施工控制難度大，制定可行的施工方案并采用科學的方法評判施工方案的安全合理尤為重要。

2" 施工方案

2.1 施工安裝方法

鑒于結構的特殊性和施工場地的復雜性，本次施工采用“分區吊裝屋蓋+胎架支撐施工+安裝樹形支撐+胎架分區卸載”的施工方法。屋蓋分區依據以下3個原則：（1）依據吊車站位，離吊車近的位置屋蓋分區面積大，離吊車遠的位置屋蓋分區面積小；（2）根據斜梁連接節點的位置盡可能將鋼屋蓋劃分為規則的矩形塊；（3）鋼屋蓋分塊時，塊與塊之間共用臨時支撐，分界線處底下有胎架保證鋼屋蓋的平整度。遵循以上原則，最終將鋼屋蓋結構劃分為14個區，如圖2所示。

該工程施工支撐包括32個臨時支撐胎架，采用格構柱形式，具體支撐編號及布置如圖3所示，主體結構構件包括5個混凝土獨立柱，20根樹形斜撐和Q1—Q14區鋼屋蓋。每四根斜撐組成一組樹形支撐，共計五組，分別記作S1—S5，斜撐布置及編號如圖4所示。施工吊裝順序由Q1區依次到Q14區，首先將鋼屋蓋各區塊吊裝至臨時支撐胎架上，再進行拼接。其次安裝樹形支撐，樹形支撐上部先與屋蓋進行銷軸連接，然后下部與混凝土柱上的半球支座進行焊接。屋蓋成型前由臨時胎架受力，屋蓋成型后對胎架進行卸載，逐步將荷載通過樹形支撐傳至混凝土柱子上。

2.2 施工卸載方法

根據本工程特點，依據施工現場條件結合變形發展趨勢制定該工程的卸載方案。由于該屋蓋剛度較大，擬定總卸載量較小，最終采用分區不分級卸載方案。卸載順序總體由L形屋蓋角部向兩肢的方向對支撐胎架依次進行拆除，具體如下：將屋蓋14個區分5個階段進行卸載。第一個階段拆除Q1、Q5區和Q10區與Q1區、Q4區、Q8區、Q9區交界處的胎架；第二個階段拆除Q6區與Q5區、Q11區交界處的胎架；第三個階段拆除Q12區、Q13區、Q14區靠里處的胎架；第四個階段拆除Q4區、Q1區、Q3區、Q2區、Q6區、Q7區靠外部的胎架；第五個階段拆除Q11區、Q10區、Q9區、Q12區、Q13區、Q14區靠外部的胎架。

3" 施工仿真分析

3.1 有限元分析模型

為了準確反映屋蓋結構在施工全過程中的受力特征和變化規律，本文采用MIDAS［12］分析軟件按照設計圖紙的幾何尺寸及材料建立三維分析有限元模型，鋼屋蓋以及樹形支撐選用Q355B級鋼材，胎架選用Q235B級鋼材，鋼筋混凝土柱采用C40的混凝土材料，HRB400號鋼筋；屋蓋、斜撐、胎架桿件、柱均采用梁單元進行模擬，胎架與屋蓋連接部位采用只壓桁架單元來模擬千斤頂卸載。混凝土柱底部設置為固結，柱頂斜撐兩端設置為鉸接。施工仿真過程中考慮的施工荷載包括施工恒荷載和施工活荷載，施工恒荷載主要是結構的自重，施工活荷載為施工作業的臨時荷載，通過增大結構自重系數來同時考慮施工恒荷載和施工活荷載的作用，自重系數取1.3。圖5和圖6分別給出結構在施工吊裝時的整體模型以及卸載后的整體模型。

3.2 施工階段的劃分

依據鋼屋蓋分區吊裝施工順序，將全部吊裝過程分為14個施工過程，安裝樹形支撐分為5個施工過程，卸載過程分為5個施工過程，整個施工過程劃分為24個施工過程，每個施工過程的名稱和涉及的結構構件見表1。本文通過對比分析三種不同的典型卸載順序下結構響應的差異，最終給出較優的卸載方案，順序如下：

順序①：由L形屋蓋角部向兩邊拆除支撐，簡稱Inside-out。

順序②：由L形屋蓋兩邊向角部拆除支撐卸載，簡稱Outside-in。

順序③：由L形屋蓋西南端向東北端卸載，簡稱Southwest-northeast。

通過對以上三種卸載施工方案仿真模擬，依次得到不同方案下主體結構在卸載階段的應力和位移變化，如圖7和圖8所示。

從圖7和圖8可知，分別采用上述三種卸載方案，主體結構在卸載過程中的最大應力和最大變形量有較大的差距，Outside-in方案的最大變形量達到103.06 mm，明顯大于其他兩種方案的變形量，該方案予以排除。其余兩種卸載方案變形值相差不大，Inside-out方案雖表現出應力大于Southwest-northeast方案，但是整個卸載過程應力變化幅度不大，且始終保持在安全范圍內。而Southwest-northeast方案在卸載后期某一卸載階段，應力存在較大的突變，因此最終推薦采用Inside-out卸載方案。卸載順序總體由L形屋蓋角部向兩肢的方向對支撐胎架依次進行拆除，卸載過程詳見表2。

3.3 各施工階段分析結果

通過對重載鋼屋蓋分區吊裝以及分區卸載施工全過程的力學模擬，得到各工況下的最大組合應力和最大豎向位移，如圖9、圖10所示。

從圖9可知，在吊裝的過程中，結構最大應力隨施工過程進行呈上升趨勢，其中第15至19步施工過程中桿件的應力較大，其最大應力峰值達到65.2 MPa，表現為拉應力（lt;215 MPa，滿足規范要求）；第20步開始拆除胎架卸載，結構最大應力出現突變，在第20至24步整個卸載過程中，結構最大應力峰值達到-170.62 MPa，表現為壓應力（lt;215 MPa），對比規范驗算，結構仍處于較安全狀態，滿足規范要求。從圖10可知，曲線隨施工過程進展呈下降趨勢，說明隨著卸載過程不斷推進，臨時胎架逐步拆除，結構豎向位移最大值在不斷增大。1至19步安裝施工階段，結構總體變形發展緩慢，在該吊裝過程中，結構最大豎向位移為-9.16 mm，第20步開始分區拆除胎架卸載，結構總體變形呈階梯狀發展增大，在卸載過程中的最大豎向位移為-85.06 mm。

通過以上分析可知，采用擬定的施工方案可以保證結構在整個施工過程中的安全性。

3.4 結構多步加載成型與一次加載成型對比

結構多步加載成型考慮各施工階段對結構的響應，可以真實再現結構的施工過程，但是分析復雜。結構一次加載成型分析不考慮施工過程變化對結構最終受力的影響，分析簡單方便，通常用于結構設計階段，對于常規結構計算結果安全可靠。鑒于本工程樹形支撐、重載、屋蓋雙向傾斜、采用分塊分段施工等特點，在結構形態、支座邊界條件、荷載大小相同的情況下，以下分別進行多步加載成型分析與一次加載成型分析，從鋼屋蓋的剛度、強度這兩個方面進行對比驗證。兩種分析結構的應力及豎向變形云圖如圖11所示。

由結構應力云圖圖11（a）、11（c）可知采用多步加載成型與一次加載成型分析結構應力分布規律基本一致，考慮施工過程多步加載成型結構應力的最大值為-102.72 MPa、一次加載成型結構應力的最大值為-118.3 MPa，兩者相差15.17%。由結構豎向位移云圖［圖11（b）、圖11（d）］可知多步加載成型與一次加載成型結構豎向位移分布規律基本一致，考慮施工過程多步加載成型結構豎向位移的最大值為-85.06 mm，一次加載成型結構豎向位移的最大值為-72.83 mm，兩者相差14.38%。綜合兩種施工過程的應力和變形對比結果來看，一次加載成型的應力和變形結果要大于多步加載成型，一次加載成型忽視了時變力學效應對于施工過程的影響。由此可見，此類雙向傾斜的結構，需要考慮施工方案的不同以及施工過程時變力學對結構受力及變形的影響，對結構進行必要的施工仿真分析。

4" 施工過程監測

4.1 監測系統

在屋蓋的施工全過程中，永久結構和臨時結構的位移一直處于變化的狀態。為了保證結構在整個施工過程中的安全性以及控制結構的安裝精度，需要合理地安排監測項目。綜合考慮了經濟性以及可實施性，本工程建立了一套完備的線形監測系統，該監測系統由全站儀、反光片、監測點組成。該工程使用徠卡TS09 plus全站儀對監測點的豎向位移進行監控，可獲得各監測點的豎向位移變化。

4.2 測點布置

選擇關鍵受力點進行監測，主要從以下三個方面考慮測點布置及數量：

（1） 根據有限元模擬結果布置測點位置與數量。在施工仿真過程中發現結構的最大位移點主要集中在屋蓋懸挑位置，以及屋蓋分區吊裝的分界線上。

（2） 考慮到施工過程中存在臨時支撐與永久支撐的受力轉換過程，會影響屋蓋下部永久支撐的受力和變形，因此需要監測屋蓋處20個樹形支撐點的豎向變形。

（3） 臨時胎架支撐的沉降對屋蓋的安裝精度影響較大，因此對胎架頂部中點處進行監測，來監控胎架的位移變化。

臨時支撐的監測位置見圖3，屋蓋測點布置如圖12所示。

5" 施工實測與數值模擬結果對比

為了驗證雙向傾斜重載鋼屋蓋結構施工方案的可靠性和數值仿真模擬的準確性，將仿真分析結果和現場監測結果進行對比分析，并對結構施工方案及施工全過程的合理性做出科學評價。

選取響應較大的節點以及重要施工階段列表對比分析，包括5個臨時支撐的豎向變形以及5個樹形斜撐點的豎向變形，結果見表3。實測不可避免會有一定偶然誤差，為減小誤差影響，每次測量統計沉降量均以測試時結構位形與初始位形下監測點坐標差為基礎數據進行分析。圖13為安裝及卸載過程結構關鍵監測點高程變化監測數據，包括2個臨時胎架支撐點位（C3，C17）與5個樹形斜撐點位（1J，2J，3J，4J，5J）。圖中橫坐標上A點為臨時胎架開始卸載日期。

（1） 由圖13可見，網架關鍵點位時程監測曲線近似為直線，僅在胎架卸載時間點高程有微小下降，說明在施工安裝過程中，由于選擇了合理的施工方案和施工順序，結構的響應變化不大。

（2） 由表3可見，數值模擬計算結果與現場實測結果最大偏差-3.3 mm，偏差均在±10%以內，由此可見兩者偏差非常小。此偏差產生的原因一方面是測量誤差；另一方面，不同時間測量溫度也會對測量結果有一定影響，數值模型與工程實際情況在邊界約束、荷載大小也會存在一定偏差。另外，施工過程的安裝精度和構件的初始缺陷也是導致測量結果與數值計算有偏差的原因。對平面尺寸約為48 m×50 m，東西、南北兩個方向的傾斜高差分別達到4 m和3.5 m的空間鋼屋蓋，該偏差對構件內力影響較小，已在工程可接受范圍之內。在屋蓋成型階段，由于臨時支撐的合理布置，主體結構的豎向變形較小，后期隨著臨時支撐合理地分區拆除，主體結構豎向變形逐漸呈階梯狀發展增大，最終趨于穩定。由表3可以看出模擬值和監測值吻合較好，總體變化趨勢一致。

綜合以上兩點內容，采用文中擬定的施工方案保證了安裝精度，也進一步驗證了施工方案的合理性及適用性。

6" 結" 論

（1） 施工過程的數值模擬為本文提出的“分區吊裝屋蓋+胎架支撐施工+安裝樹形支撐+胎架分區卸載”的施工方案提供了有效的計算依據，并為施工監測點布置提供了指導。

（2） 通過對比屋蓋分步加載成型和一次加載成型受力狀態，發現結果差異顯著，一次加載成型因忽視了施工全過程的時變效應，應力和變形都要大于分步加載成型。由此可見，對于此類雙向傾斜結構，為保證其安全可靠，需要考慮施工方案的不同以及施工過程時變力學對結構受力及變形的影響，對其進行全過程的施工仿真分析。

（3） 施工現場監測系統可以有效地監控結構的變形，保證了安裝精度。通過監測值與模擬值比較，現場實測與數值模擬偏差較小，說明本文理論模型與結構實際狀態吻合良好，進一步說明理論計算模型可靠，所選施工方法合理。

（4） 由于實際施工中受工期、環境、構件缺陷、安裝偏差等諸多不可預見因素的影響，數值模擬與監測結果仍存在一定偏差。因此，針對復雜鋼結構，不僅需要做好施工前期可靠的數值模擬指導施工，同時科學合理的施工監測對于保證結構安全精確地落成也具有重要意義。

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