大跨度曲面网架结构卸载施工过程监测研究*

刘德斌

(北京建工四建工程建设有限公司，北京 100075)

0 引言

网架作为常见的大跨结构形式，杆件排布一般均按一定规律组成，高冗余度的结构形式导致很难发现网架结构刚度损伤，加上网架结构的边界条件复杂，极易造成结构受力和变形存在一定差距，为摸清结构受力变形与施工过程中的差异，监测某网架施工卸载过程，分析结构变形及受力过程。

通过外幕墙龙骨调整整体结构变形后的挠度，修正整体结构外形尺寸，并复测曲面铝板幕墙，最终测试结果表明幕墙安装质量良好。

1 工程概况

1.1 项目概况

星空大讲堂长度为65.84m，宽度为41.80m，地上2层，建筑高度18.92m，属国航股份飞行模拟训练基地二期建设项目。项目整体呈贝雷帽形，上部屋盖为焊接空心球节点正交正放四角锥体钢网架，如图1所示，下部为圆柱与弧形梁钢筋混凝土框架结构支撑。该项目造型、受力较复杂，为研究结构施工过程中的静力性能，对结构进行静力监测，以分析结构变形合理性，评估钢结构屋盖安装质量，同时为后续施工提供数据支撑。

图1 工程结构模型

1.2 施工监测目的及意义

网壳结构通常在安装及卸载过程中产生较大应力变化，由于拆除临时支撑，影响结构关键承力杆件应力。为避免安装过程中破坏结构，故进行有限元模拟分析，再结合施工监测数据，对比分析并研究结构受力的合理性，进而评估结构安装的初始缺陷。

为研究网架结构刚度变化规律，从施工现场开始，对安装、卸载过程进行静力监测。本工程采用地面散装、高空定位分块安装法，卸载过程需拆除的临时支撑数量较多，对结构刚度影响较大，静力监测可实时提供结构关键构件受力状态，确保结构卸载过程安全。监测还可提供重点支撑杆件等部位的应力数据，作为理论数据支撑，还可为科学研究工作提供数据支持，也是健康评估的重要指标。

1.3 施工监测设备

现场数据采集主要采用自动化传感设备，并配备自动化采集模块，监测设备如下：①振弦式应变计 常用于钢管道、钢结构、桥梁等结构的长期和短期应变监测中，广泛应用于地铁隧洞变形、箱式钢构式桥梁变形、燃油燃气管道变形、基坑支护轴力与隧道钢拱架变形等监测中；②拉线式高精度位移计 常用于大量程、高精度变化、速率不高的长期监测中，如搭配各种安装座，应用于梁端位移、裂缝、基坑冠梁水平位移等长期监测。

2 有限元分析

2.1 结构静力分析

采用MIDAS GEN 2018软件进行结构有限元模型分析，其中钢材弹性模量为2.06×105MPa，严格按照图纸模型进行建模。安装及卸载过程严格按照钢结构安装方案进行施工模拟分析，结果如下：①屋面整体施工完成后，支撑卸载前，网架杆件最大应力为0.3MPa，网架中部最大变形为2.8mm；②卸载过程1中，首先卸载中部2根内力最大部分杆件，卸载后杆件最大应力为0.4MPa，网架中部最大挠度为3.8mm；③卸载过程2中，继续卸载中部2根支撑杆件，卸载后杆件最大应力为0.4MPa，网架中部变形为5.3mm；④卸载过程3中，继续卸载中部4根支撑杆件，卸载后网架杆件最大应力为0.7MPa，网架中部最大挠度为6mm；⑤卸载全部支撑后，网架中部最大挠度为8.9mm。

2.2 结构动力分析

整体结构为大跨柔性结构，不能忽视整体振动对脉动风的反作用，星空大讲堂单层空间网格结构可能存在整体和局部气固耦合振动，且可能造成自激振动。因此对整体结构进行动力性能分析，如图2所示，模拟得到结构前10阶的模态。

图2 结构前3阶阵型及频率

3 施工监测结果

2020年10月14日至2020年11月30日对网架拆除支撑过程进行静力测试，以更好分析网架结构在卸载过程中的应力响应规律，分析卸载过程中各测点应变变化幅度和卸载完成后的构件应力监测数据。测点应变和位移如图3，4所示。对卸载过程中关键测点数据进行应力分析，由于测点较多，故取一部分典型数据进行分析总结。

通过图3，4可以发现，拆除支撑过程中，结构最大变形发生在中间位置，该处最大变形量为36mm，其余监测位置最大变形量约26.3mm。结构杆件受力随支撑拆除，呈明显阶梯形变化趋势，变化最大应变约为70με，换算成应力为14.42MPa，说明杆件拆除支撑后应力增大14.42MPa，约占杆件屈服强度的4%，个别杆件由正应力变为负应力，主要跟卸载过程总支撑点的拆除顺序有关。各杆件卸载稳定后，应力值小于容许应力，网架结构屋盖整体处于安全可靠状态。

4 外幕墙曲面铝板坐标校核

对现场铝板安装坐标进行复测，采用徕卡全站仪TCA2003进行现场实测实量，全站仪精度为0.5″，针对实测实量数据，对比理论结果，确定安装偏差。

通过上述数据可以发现，铝板安装过程中，产生的最大偏差为14.2mm，整体偏差均在质量可控范围内，平均偏差在8mm左右，整体效果良好。

5 结语

通过上述分析及施工监测，可以发现卸载过程中部分关键点的应力和变形，理论数据与实测数据存在一定差异。结合施工过程，主要存在以下原因。

1)进行理论模拟分析时，现场施工荷载考虑不足，施工过程中，要考虑施工荷载、风荷载、温度荷载等，而施工模拟过程往往属于理论状态，温度荷载考虑不足。大跨空间结构的温度荷载往往是造成整体结构挠度变形的主要因素。

图3 关键通道应变曲线

图4 关键通道位移曲线

2)安装过程中，对个别支撑点进行起拱处理，支撑点起拱主要考虑支座处的地基沉降等因素，并主要缓冲由该因素造成的差值，起拱大小属于经验值。由于安装过程在底部拼装而成，整体通过候补杆件连接成为整体，起拱高度在卸载后，整体结构受力重分布，所以造成施工监测数据包含一定起拱值。

3)施工模拟分析与现场候补杆件的安装顺序有关，施工过程中，候补杆件都是分批次进行安装，安装时的温度也存在较大差异，导致安装顺序跟理论模拟顺序明显存在差异，支撑拆除后，整体结构受力进行二次重分布。