近年来,随着土木工程技术水平迅速提高,各种空间结构向着大型化、复杂化的方向发展,大跨度空间结构的建造及其采用的技术已成为衡量一个国家建筑技术水平的重要标志 ^[1]。重大工程在施工过程以及运营阶段进行结构性能监测与诊断,及时发现结构损伤并评估其安全性,预测结构的性能变化,成为这一研究领域的重要内容 ^[2]。按照传统设计方法在使用阶段计算得到的结果可能导致部分构件在施工过程中处于不安全状态,或者导致最终得到的结构形状不满足结构的设计状态。大型空间结构建造过程中施工技术是至关重要的,合理的施工方案和科学分析才能保证结构的安全、经济 ^[3]。大跨度结构的施工是一个连续化的过程,其结构的受力状态也是一个变化的过程 ^[4]。对于大型复杂钢结构工程的施工来说,进行完备的施工验算,控制结构施工达到最终设计要求的位移和内力目标,进行施工阶段的模拟分析是必不可少的。从大量工程事故分析中可以看出,有相当比例的事故都是发生在施工过程中,究其原因,主要是因为在设计中未考虑施工过程中的诸多因素或对施工过程中的复杂与突发情况未进行受力分析 ^[5]。如果没有对施工过程进行准确的提前分析,就会在施工时产生没有预料到的偏差,导致结构成型情况与设计不符,因此需要在施工前对施工的全过程进行模拟分析 ^[6]。目前,国内学者对大跨度空间结构的施工模拟分析做了大量的研究工作,例如,田黎敏等 ^[7]提出将节点修正生死单元法作为施工力学方法,对结构施工过程进行分析计算,并通过深圳湾体育中心钢结构的施工进行了验证; 孙学根等 ^[8]对霍邱体育馆的滑移施工以及卸载方法进行了模拟和实测的对比分析,并讨论了卸载方法的可行性与安全性; 王秀丽等 ^[9]对西宁体育馆的施工阶段进行了模拟,并与监测数据进行了对比; 苗吉军等 ^[10]利用自主编制的数值模拟软件对大跨度异形钢桁架安装进行了分析,优化了施工方案和措施; 范重等 ^[11]提出了大跨度钢结构卸载施工的仿真计算方法,为指导大跨度钢结构卸载施工提供了科学依据; 王秀丽等 ^[12]利用大型有限元分析软件并结合空间结构设计辅助软件对雅丹观光塔钢结构的抗震性能和抗风性能进行了研究,为后期的施工和使用提供指导; 夏建中等 ^[13]结合工程实例对大跨度钢、木混合结构的抗震性能进行了深入研究,为以后类似项目的设计和施工奠定了理论基础。

　　 本文依托于天水体育中心游泳馆实际工程项目,整个游泳馆屋盖钢网壳结构的安装采用分块吊装和局部顶升相结合的施工技术,待整体钢网壳结构拼装完成之后进行整体卸载。整个施工过程采用MIDAS Gen有限元软件对其进行仿真模拟,详细计算分析了钢网壳结构在施工过程中结构应力应变以及位移的变化情况,并将模拟数据与现场监测数据进行对比分析,以验证模拟结果准确性,为以后的同类工程提供参考。

　　 天水市体育中心位于甘肃省天水市麦积区,整个体育中心由体育场、体育馆、游泳馆、体育学校四个子项组成 ^[14]。本文主要研究游泳馆。游泳馆整体结构分为地下1层,地上1层(局部3层),下部钢筋混凝土结构形式为框架结构,屋顶钢结构部分为双层空间网壳结构,局部3层,设有飘带。钢网壳结构为球面形状,结构上弦中心线最高点标高为24.3m,钢网壳为焊接球节点正放四角锥结构形式,支承形式采用下弦多点支承,网壳平面呈椭圆形,椭圆形平面长轴为104m,短轴为90.6m,覆盖面积约9 200m²,三维图如图1所示,沿椭球面长短轴剖面图如图2所示。

　　 针对游泳馆钢网壳结构的特点,并结合以往类似工程的施工经验,采用散件发运至现场,在现场采用分块拼装、分块吊装、局部顶升、高空对接的方法进行施工。整体钢网壳结构分为15个吊装单元和1个顶升单元。根据本工程实际特点以及场地施工条件,将整体结构分为五个大区:Ⅰ～Ⅳ区为整体结构的四周环绕区域,为吊装单元区; Ⅴ区为整体结构中部区域,为顶升单元区。其中1～5号单元属于Ⅰ区,6～9号单元属于Ⅱ区,10～13号单元属于Ⅲ区,14～15号单元属于Ⅳ区,16号单元属于Ⅴ区。 钢网壳结构下部为混凝土环梁拉结而成的框架体系,其中框架柱分为呈椭圆形排列的外环柱和呈矩形排列的内环柱,在吊装阶段,重型起重机在汽车吊的配合下将1～15号单元按单元编号顺序进行空间定位和补强连接,每相邻结构单元连接完毕后将其放置于框架柱上部设置的永久支座处。待Ⅰ～Ⅳ区单元吊装完毕后进行钢网壳中部区域的顶升施工,采用液压同步顶升技术最终完成整体钢网壳结构的拼接组装,具体施工顺序如图3所示。

　　 游泳馆屋盖钢网壳结构的安装采用吊装和顶升两种施工工序相结合的方法进行拼装,由于施工过程中,钢结构单元不断地完善,使得结构自身的力学属性不断变化,已拼接的钢结构部分的结构刚度矩阵随着结构的变化逐渐转变,并随之产生内力重分布,所以对其进行施工阶段模拟分析,研究结构在不同施工阶段的力学性能变化。

　　 本文钢结构工程材料选用Q235B高频焊接钢管,具体杆件规格型号见表1。有限元模型中钢管采用梁单元,并根据实际设计情况,赋予不同杆件对应的截面尺寸。本工程支座采用焊接球支座,所以模拟支座均为固接支座。为保证结构单元在吊装和顶升过程中能在设计标高位置顺利对接,在每个单元的边界处设置竖向临时约束。钢网壳结构在拼装过程中屋面板尚未安装,在建立有限元模型时暂不考虑屋面荷载,整体钢结构的自重可由软件自动计算,施工活荷载为0.4kN/m²,基本风压为0.35kN/m²。

　　 本次数值模拟计算采用MIDAS Gen软件的施工阶段分析功能来进行。施工阶段分析运用生死单元法得以实现,杀死单元即将不同施工阶段对应的结构刚度矩阵乘以一个接近零的小数,使得刚度矩阵置为零,在有限元软件中表述为钝化,再根据施工阶段的不断推进逐步释放激活部分结构刚度矩阵。进行施工阶段分析,首先要按照具体的施工方案将结构模型、边界以及荷载定义到相对应的阶段组中,然后根据施工方案将不同阶段组在对应的时间顺序和空间顺序上依次激活和钝化,做到与现实施工状况相吻合。在吊装阶段,起重机通过钢索在结构单元上设置吊点进行起吊,进行数值模拟时根据实际的吊装方案所确定的吊点位置设置临时铰接约束,待结构单元拼装完成后再解除约束。要注意的是为避免结构发生大偏移现象,采用节点修正生死单元法 ^[7]在单元结构连接处设置临时竖向约束,抑制“死”单元的过大“漂移”。在每一阶段的激活和钝化之后,结构都会根据现阶段的结构属性、边界条件和荷载变化进行内力重分布,进而反映出在每一个施工阶段结构的力学性能的实际变化情况。

　　 为保证钢结构在施工过程中的安全性,对结构施工过程进行实时应力应变监测,针对钢结构特点设计监测方案,分别对结构的下弦杆、上弦杆、腹杆和飘带各层选取关键点布设传感器进行监测,具体测点布置如图4所示。卸载过程中在结构的关键杆件上布设钢弦应力传感器,并采用32通道弦式采集仪进行应力监测,根据监测方案对钢网壳结构进行了传感器的布设,传感器通过安装支座焊接在钢构件表面,以保证支座与钢构件协同变形。

　　 根据施工方案,整体钢网壳结构被分为五个施工大区,其中Ⅰ～Ⅳ区采用重型起重机吊装拼接,Ⅴ区采用液压顶升将其顶升至设计标高位置进行补强连接,最终完成整体结构安装。拼装过程中结构杆件最大应力与最大位移见表2。由表2可知,拼装阶段杆件最大拉应力为44.0MPa,最大压应力为-66.6MPa。

　　 从拼装全过程结构的应力变化(图5)可以看出,随着钢结构部分的逐步拼装,结构越来越完整,结构杆件不断发生内力重分布,进而使得钢网壳结构在变形协调的过程中不断地在调整自身的形态。有限元模拟分析计算在拼装阶段杆件最大拉应力为44.0MPa,最大压应力为-66.6MPa,通过对现场施工过程中的实时监测获得整个过程中结构杆件最大拉应力为37.6MPa,最大压应力为-55.4MPa,差值范围小于15%,验证了模拟结果的准确性及施工的安全性。

　　 从位移模拟结果(图6)可以看出,在Ⅱ区开始吊装时,有部分外悬挑结构位移变化较大,且在随后的吊装阶段,悬挑部分的位移相比于其他位置一直处于较大状态,因此在施工过程中应对这部分区域重点观察,防止出现倾覆倒塌; 在顶升单元合拢后,各单元之间已经形成结构上的联系,形成了一个整体,由图6(e)可以看出,在整体完成拼装之后,在荷载的作用下,钢网壳中部下挠变化明显,在顶升单元与吊装单元拼接处应加强杆件连接质量,防止发生局部坍塌事故。

　　 卸载过程是一个结构体系转换且内力重分布的过程,是大跨度空间结构建造过程中非常关键的环节 ^[15,16,17]。此过程是临时结构和永久结构之间力学转换以及使网壳结构缓慢协同受力的过程。此间网壳结构发生较大的内力转换,并逐渐过渡到设计状态,因此网壳结构卸载工作至关重要。卸载实际就是荷载转移过程,在荷载转移过程中,必须遵循“变形协调、卸载均衡”的原则,不然有可能造成临时支撑超载失稳或者网壳结构局部甚至整体受损。

　　 钢网壳结构只有中部采用顶升施工,采用6个千斤顶进行顶升,所以在卸载阶段即对这6个千斤顶进行卸载控制,千斤顶布置图如图7所示,卸载设备示意如图8所示。本次卸载共分为两大步。第一步的具体卸载顺序如下:第1段卸载→第1段卸载情况检查→第2段卸载→第2段卸载情况检查→第3段卸载→第3段卸载情况检查。其中,第1段卸载先将中心节点下降12mm,观察该节点受力情况,情况良好继续第2排千斤顶下降; 第2,3段卸载分别将第2,3排千斤顶每步下降6,8mm; 下降卸载后要检查各临时支撑点及临近节点的受力变形情况,必要时应在观测变形比较明显部位布设应变片来掌握结构构件局部变形情况,以便及时发现、处理问题。待第一步卸载完成后继续进行第二步整体卸载,卸载顺序如上所述,直至卸载完成。

　　 针对本次钢网壳卸载过程,采用强制位移法及MIDAS Gen软件对其进行数值模拟分析。以竖向临时支座代替千斤顶的顶点,在卸载过程中,将指定的位移控制点向下进行移动来模拟千斤顶回油卸载的过程,在完成每一步的卸载模拟后查看约束处的支座反力的变化情况,若全为压力,则继续施加竖向位移荷载,若约束点处出现拉力,则说明此处的临时支撑与上部主体结构已经脱离,此时即可去掉此处的竖向约束。本次卸载千斤顶进行了6次卸载,故在模拟的过程中共有6种卸载工况,见表3。分析结束后,便可查看在不同荷载组合作用下结构的力学性能变化。

　　 依据现场实际情况,在卸载过程中,设定每隔1h自动进行数据采集。在监测过程中杆件的内力变化是通过各监测点的应力值衡量的,测点应力值则通过实测应变值经计算公式计算所得。本次监测数据分析是在不同的卸载工况下进行的,各测点应力在不同卸载工况下的变化情况如图9所示。

　　 从钢网壳结构卸载过程中各测点实测数据以及有限元数值模拟分析结果可以得知:1)图9(a)～(f)为钢网壳结构卸载全过程各测点应力的变化情况,从应力曲线的变化趋势可以看出,利用有限元软件所建立的卸载模型反映的变化趋势与实测数据结果的变化趋势基本一致,虽然在局部测点有限元数值模拟结果与实测数据存在一定偏差,但总体吻合较好。由于测点5,6,8,9位于顶升单元结构中,卸载前结构在顶升阶段的受力状态与设计受力状态差异较大,从图10可以看出在第一步卸载完成后有限元数值模拟结果与实测数据的应力值变化幅度尤为明显,这是因为在卸载过程中,顶升结构单元与周围吊装结构单元已经成为整体,随着卸载的不断进行,在荷载作用下整体钢网壳结构逐渐由施工过程的受力状态进入设计使用状态,反映了在卸载过程中结构内力重分布的力学形态; 2)由图9可知,在整个卸载过程完成后,测点中最大应力绝对值发生在测点16处,最大实测值为-62.2MPa,钢网壳结构整体受力良好,各测点在卸载后的实测数据和有限元数值模拟结果吻合较好,符合结构在该阶段的受力状态,满足设计要求。

　　 (1)从卸载的有限元数值模拟结果和实测数据来看,每个卸载阶段测点处的结构受力状态变化趋势与有限元数值模拟结果的变化基本一致,个别测点处的结构受力状态变化存在差异,同时也可以看出,吊装和顶升两种不同施工方法的拼装结合下,结构的整体性较好,符合设计阶段的受力性能。

　　 (2)大跨度空间结构从施工到完成是一个结构受力转移和内力重分布的过程,通过应力监测结果可以看出,在施工过程中结构的力学形态一直在发生变化,所以进行合理的数值模拟和实际监测对于大跨度空间结构的施工安全具有重大意义。