空间结构的建造技术水平是一个国家土木建筑行业水平的重要衡量标准, 也是一个国家综合国力的体现^[1]。近年来, 空间结构在我国得到了长远的发展, 尤其以大跨度空间结构为代表, 全国各地陆续涌现了诸如北京奥体中心的鸟巢和水立方、国家大剧院等大型公共建筑^[2,3]。大跨度空间结构以其造型新颖、富于艺术美感、科技含量高的特点广受人们欢迎与关注, 这也给广大工程建设者们在结构设计、计算分析及建造技术等方面提出了更高的要求。

　　 在大跨度空间结构众多施工方法中, 普遍采用分段施工, 一般可以分为两个过程:前期的安装成型和后期的卸载过程。安装成型过程是要先搭设临时支撑, 为结构安装提供一个安装平台, 以实现结构主体安装;后期的卸载是待结构主体安装完成后拆除临时支撑的过程^[4]。卸载完成后就意味着大跨度空间结构从被动支承状态转化为自身承重状态。

　　 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^[5,6,7]。在该过程中主体结构从部分受力逐渐转为完全受力, 结构内力和线形涉及到的构件范围广且变化复杂。能否保证卸载过程中各结构构件内力或线形在卸载过程中的平稳可控, 将直接关系到整体结构在最终使用阶段的适用性、稳定性和耐久性。因此对卸载过程进行合理、准确的数值模拟分析, 并辅以卸载过程关键构件施工监测是至关重要的。本文结合霍邱体育中心体育馆大跨度空间钢结构屋盖的施工过程, 针对屋盖卸载过程提出了一种实用的“分级分阶段”卸载方法^[8,9,10], 对该卸载过程各工况进行了有限元模拟分析, 并制定了一套完备的监测系统以对卸载过程进行实时监测, 并将关键构件有限元法计算值与监测实测值进行对比分析, 确保卸载过程中体育馆屋面结构体系状态有序转换、平稳过渡。

　　 霍邱体育中心体育馆位于安徽省霍邱县城, 建筑面积约20 000m²。体育馆为4层框架混凝土结构, 地下1层, 地上3层, 体育馆屋盖钢结构为纵横向平面桁架体系, 为四面坡结构设计。体育馆三维模型图如图1所示, 桁架平面布置如图2所示。其中屋面钢桁架长86.63m, 宽77.91m;横向跨度78.3m, 最大悬挑长度为4.155m;纵向跨度为69.6m, 最大悬挑长度为4.165m, 主体结构采用常规的Q345钢材, 主体重3 800k N, 檩条及马道总重2 400k N, 合计重6 200k N。屋面桁架截面尺寸汇总如表1所示, 鉴于屋面桁架构件数目较多, 现选取若干主要的桁架节点展示其周边构件分布情况, 详见图3, 图中数字1, 2, 3, …, 10对应表1中的序号1, 2, 3…, 10。

　　 大跨度空间钢结构常用的安装方法有搭设满堂脚手架支撑散拼、整体提升、局部提升和分片累积滑移等多种方式^{[11,12,13,14]}。根据施工现场实际情况, 满堂脚手架支撑散拼法需搭设脚手架近48 000m³, 用于对上下弦杆进行支承和定位, 这样将导致施工工序繁琐、施工安全性无法保证, 同时施工成本也较高;而如果采用屋面整体提升方案, 体育馆主体的混凝土结构部分已先期施工完成, 整体提升所需的场地条件无法具备;考虑到体育馆屋面结构为规整的桁架结构, 屋盖四周已有施工完成的矩形圈梁可利用, 故在施工中提出累积滑移施工方法完成屋面安装。

　　 霍邱体育中心体育馆屋面钢结构安装采用了累积滑移施工法^[15,16], 屋盖结构滑移方向由西向东, 基于施工经济性考虑, 在屋盖南北向混凝土圈梁上铺设水平钢板作为滑道, 在屋面桁架?, ○M横轴与 (2) ~ (13) 纵轴交叉下弦点的滑道上依次设置王字形支座, 屋盖钢结构在累计滑移施工过程中均是通过王字形支座下设置的规格为400mm×400mm×450mm滑块架设在两侧滑道之上, 滑块高度为450 mm, 共计24个;在屋面桁架结构跨中不设置辅助滑道, 故屋盖结构是以约70m的净跨度进行全程滑移, 屋面滑块临时支撑平面位置如图4所示。整个累积滑移施工过程中, 对主体混凝土滑道圈梁做了临时钢结构支柱的加固处理, 施工全过程也对圈梁混凝土结构做了相应的模拟分析与监测。

　　 屋面结构安装顺序由东向西, 各榀桁架结构均在西侧的拼装平台上完成拼装→滑移→起顶→再拼装等施工工况, 其中需要在 (1) 轴设置高空拼装支架1组, (2) 轴设置反拉支架1组, (4) 轴设置起顶支架1组, (7) , (8) 轴与?, 轴交点设置卸载支架1组, (1) ~ (4) 轴设置脚手架操作平台, ?, ○M轴设置钢板滑道、滑道支架、连续千斤顶反力架等。待屋面结构整体就位后将在内外圈梁上完成永久性铰支座焊接, 滑道所在的圈梁也是内圈永久支座所在的位置。施工场地整体布置见图5。

　　 卸载施工的根本目的在于制定合理的卸载顺序与各支撑点的卸载位移, 来保证结构全部荷载由滑块支撑向永久主体结构缓慢转换, 并将屋面结构局部构件内力和结构整体的线形控制在合理的范围内, 符合设计要求。体育馆空间网架结构屋盖在滑移就位后, 临时支撑滑块恰好落在混凝土柱体之上, 经前期的有限元模拟分析验算得到混凝土结构满足承受卸载过程产生的荷载要求。本次卸载施工方案共划分为三大关键卸载阶段, 即第一阶段的滑块更换, 第二阶段的钢垫板分级卸载和第三阶段的卸载支撑架拆卸。每个阶段间的转换, 屋面卸载都会进入一个全新的受力状态, 这些不同受力状态之间的转换也是本次屋盖卸载过程关注的重点和难点。

　　 卸载施工首先需要完成第一阶段的滑块更换, 此过程即将450mm高度的滑块更换为160mm高的永久球形铰支座和290mm高的临时钢垫板组件的过程。滑块更换顺序按?, ○M轴线逐条进行更换, 每条轴线每次对称更换2个滑块, 更换方向为从 (7) → (2) , (8) → (13) 轴依次对称更换。滑块更换顺序及支撑处更换前后卸载装备布置情况分别见图6, 7。

　　 滑块更换后卸载任务转化为将290mm高临时钢垫板组件平稳有序的移除。针对现场实际施工情况, 提出了一种实用的卸载方法。即中间支撑、两侧分级交替卸载法。对于净跨度约70m大跨度空间网架结构而言, 在中间无支撑作用的情况下, 屋面各点在卸载过程中的线形是很难保证的。中间支撑指在屋盖中间 (7) , (8) 轴与?, 轴交叉点下方设置1组卸载支撑架, 在卸载支撑架顶部设置4台50t同步千斤顶, 考虑到最终该卸载支撑架移除时, 屋面会产生一定高度的下挠变形。参照有限元分析结果, 决定将千斤顶上顶点高度设定在比结构对应点的设计标高为30mm的位置, 以此尽量抵消后续支撑架卸载后屋面自重作用产生的下挠位移, 从而实现对屋面各点线形可控;“分级”顾名思义为卸载支撑点划分先后, 每个支撑点以若干个小的落架步骤进行卸载, 这里分别将?, ○M轴滑道上的滑块支撑各划分为一组, 每次保证50mm高度差交替循环卸载。参考有限元计算结果, 以每一步50mm为量级进行卸载, 很好地避免了局部位移过大的情况, 便于卸载过程控制, 以实现卸载过程平稳过渡。待两侧钢垫板卸载完成, 屋面结构实现内外圈王字形支座与永久铰支座焊接, 屋盖面板及相关檩条的安装完成后, 再拆除中间卸载支撑架, 至此该卸载方案才算实施完成。具体详细的卸载施工流程如图8所示。

　　 本次体育馆屋盖为大跨度空间结构, 在卸载过程中存在以下几大重点和难点:1) 屋面累积滑移拼装过程中会有结构内力和线形的积累误差, 如何通过卸载施工将拼装阶段累积的误差缩小甚至于抵消, 保证屋面落成时满足设计要求是本次卸载施工的重点;2) 屋面桁架结构跨度大, 卸载临时支撑点多, 卸载过程中屋面各杆件内力和线形都会随时发生改变, 因此, 如何合理地卸载施工以保证屋面内部各杆件缓慢平稳的过渡是本次卸载施工过程的一大难点;3) 屋面桁架结构杆件数量多, 类型复杂, 加之卸载工况也多, 内力和线形变化复杂, 导致卸载施工过程内力和线形监测成为另一大难点;4) 卸载过程中屋盖结构荷载和边界条件都频繁改变, 模型转换繁琐, 给现场施工和模拟卸载施工过程都增加了难度, 也是此次卸载施工过程的又一大难点。

　　 卸载施工起始于滑块更换为球形铰支座和钢垫板的过程, 所以将总的卸载施工过程工况编号定义为1, 作为卸载起始状态。卸载过程详细工况编号见表2。

　　 针对屋面结构卸载全过程, 利用有限元软件MIDAS对结构卸载过程各工况进行模拟分析时^[15,16], 卸载过程的三个阶段 (滑块更换、卸载阶段、卸载支撑拆除) 各工况转换时会发生屋面荷载与边界约束条件的改变, 各个卸载阶段使用的有限元法力学分析模型也存在局部差异。卸载第一和第二阶段, 由于施工工期较短, 这两个阶段中并无其他额外荷载作用, 故荷载仅考虑屋面主体桁架、顶面马道、檩条及其支座连接件等自重作用, 而进入第二阶段末期时由于卸载支撑架会对卸载屋面局部有支撑作用, 这使得有限元力学模型中边界条件较卸载第一阶段发生了改变。对于卸载第三阶段, 卸载支撑架的拆除是在屋面内外圈支座完成焊接后且屋面其他各类屋面板及屋面附属构件安装完成后才进行的, 增加的这些荷载在有限元法力学分析时是通过总自重换算为集中荷载施加在屋面结构对应关键节点上, 这符合屋面实际受力状态。所以第三阶段的荷载和边界条件均发生了改变。卸载过程各个阶段工况详细的有限元力学分析模型演变转换过程见图9。

　　 屋面桁架内各构件均以梁单元参与有限元计算, 在进行卸载过程模拟分析时, 根据卸载方案中卸载位移的预先设定值, 对有限元模型中对应点施加相应的强制位移, 依此模拟临时卸载点处垫片抽取所引起的位移变化, 同时完全释放各卸载点处的水平自由度。对屋面结构卸载过程进行上述模拟分析, 可较真实地模拟实际在卸载点处“千斤顶上升→垫片抽取→千斤顶下降”卸载过程的每个工况。

　　 大跨度空间结构卸载施工的安全性和可靠性, 主要是通过控制结构构件的较大轴向应力和关键节点的较大线形来实现的。结构实际应力和线形情况是对计算模型合理性与施工质量的综合反映, 也是对钢结构设计与施工最直接的检验。为此以卸载过程屋面有限元分析结果为指导, 综合考虑了结构内部杆件位置、类别的差异, 同时遵循合理性、可实施性及经济性原则建立了一整套完备的应力和线形监测系统, 组成监测系统的各测点详细布置见图10。

　　 应变传感器系统采用弦式传感器JMZX212AT (图11) , 传感器能显示应变和温度数据, 自动修正温度对测量的影响, 根据修正后的应变获得钢结构表面的应力, 从而实现对关键构件部位的轴向应力和温度进行监控。该传感器的应变测量范围为±1 500με, 系统灵敏度为1με或0.1Hz, 测量精度为0.1%±0.1Hz;温度测量范围为-20~110℃, 系统灵敏度为±1℃。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。

　　 本次卸载施工过程制定上述监测系统的目的在于:1) 在有限元理论计算基础之上, 提出了针对此类大跨度钢结构卸载施工方法, 为指导现场卸载施工提供科学依据;2) 将卸载施工过程关键构件测点的轴向应力及变形的实测值与计算值进行对比, 能及时对卸载施工过程的安全性进行及时评判;3) 通过对屋面卸载全过程与成型使用阶段的监测, 及时了解结构工作状态, 从而进行安全性判断。该监测系统很好地克服了构件复杂、施工工况多、内力变化复杂等难点, 能及时对屋面状态进行监测和了解并指导施工, 具有一定的优越性。

　　 卸载过程中各测点构件的内力变化是以各构件的轴向应力值来衡量的, 而应力值通过对应测点处安装的应变计实测的应变值计算获得, 屋面构件采用Q345钢, 钢构件强度设计值均为310MPa^[17]。各工况测点的实测应变值通过多次测量取平均值确定。本次应力监测数据研究是针对不同卸载工况下屋面各测点应力情况分析研究的, 但考虑到分级卸载工况数量太多, 加之对称屋面结构分级卸载是一个应力状态变化极小且重复的过程, 所以挑选若干代表性工况进行应力状态分析, 卸载过程应力监测点详见表3。

　　 综合分析上述屋盖结构卸载过程中各代表性工况应力实测值与卸载过程有限元法应力计算值对比情况, 可以得到以下结论:

　　 (1) 在利用有限元法计算分析滑块更换前后时的力学模型是完全一样的, 理论上屋面应力状态也应是严格一致的。由图12 (a) 中结果对比显示, 更换滑块前后屋面各测点应力实测值之间变化不大, 变化趋势保持一致, 滑块更换过程维持了屋面应力状态的平稳过渡, 但个别测点应力实测值与计算值差值较大, 最大差值达49.5MPa, 约占计算值的47%。

　　 (2) 图12 (b) 和12 (c) 反映的是工况2和工况9完成后屋面各测点应力状态情况, 两工况是钢垫板卸载阶段屋盖反复出现的状态之一。工况2完成后屋面实测应力值在局部尽管与对应计算值存在一定偏差, 但总体吻合较好;工况9完成后局部若干测点应力值出现了一定幅度的波动, 最大差值为22MPa, 约占最大应力计算值的20%, 但总体各点应力状态基本没有变化, 这说明在钢垫板分级卸载阶段, 随着卸载施工的进行, 屋面应力状态是保持平稳缓慢变化的;图12 (d) 则是工况13完成后屋面各构件的应力状态, 它反映的是卸载第二阶段完成时屋面实际的应力状态。该工况完成后屋面1~11测点应力实测值与计算值吻合较好, 但12~15测点就出现了明显的较大偏差, 最大差值发生在13测点处, 达到27MPa之多, 差值是该测点计算值的2倍。产生上述误差的原因是在工况13施工之前屋面各点卸载支撑架就已经承载了一部分屋面荷载, 这也就导致了靠近中间卸载支撑架支撑点的构件12~15测点应力值出现明显的差异。

　　 (3) 由图12 (e) 可知屋面各测点中最大应力发生在13测点处, 最大实测值为43MPa, 屋面各构件受力状态良好。各测点应力实测值和计算值总体吻合较好, 符合屋盖该阶段实际受力状态, 满足设计要求。

　　 卸载过程中屋盖结构线形变化是以各关键测点竖向位移值来衡量的, 也是此次卸载施工监测过程中的另一项重要指标。钢结构屋面在进行交替卸载过程中, 为了保证整体结构最终线形达到设计要求, 现选取图10 (b) 中的若干代表性测点作为卸载过程中的线形监测点, 并将屋面各测点在拼装滑移就位时的标高位置作为各点位移监测的起始位置, 随卸载工况的进行及时监测各测点竖向位移值变化, 以实现对屋面整体在整个卸载施工过程的线形监测。

　　 考虑到屋面为对称结构, 线形监测点也为对称布置, 若全部罗列线形曲线显得太过庞杂。限于篇幅, 在此只选择其中的L7, F7, J5, J10, K6, K9和J7, J8各测点在卸载过程中随卸载工况进行时竖向位移值的变化情况, 及时了解各工况下屋面线形变化。

　　 综合上述屋盖结构卸载过程中各代表性测点在代表性工况中竖向位移实测值与有限元法计算值对比分析情况, 可以得到以下结论:

　　 (1) 图13 (a) 中J5, J10两测点均是横向轴上的点, 在所有卸载工况中J5, J10两测点竖向位移计算值都应相等。由两测点竖向位移实测值对比可得, 尽管个别工况中竖向位移最大差值为14mm, 但两者总体吻合较好, 说明屋盖在卸载过程沿卸载轴向的同步性保持良好;由竖向位移实测值与计算值对比分析可知, 屋面实际竖向位移值普遍略小于有限元法施工模拟计算值, 有限元模拟分析是有效准确的。

　　 (2) 图13 (b) 中L7, F7两测点均是纵向 (7) 轴上的点, 在进行每步分级卸载时, ○M和?轴是交替发生的, 这也就导致L7, F7两测点在分级卸载过程中竖向位移是交替递增的, 递增位移值大小不一。由13 (b) 图中两测点竖向位移实测值对比分析可知, 工况2, 6, 10是L7测点竖向位移较大, 工况4和工况8则是F7测点竖向位移较大, 两测点竖向位移实测值随着工况的进行交替变化。卸载过程中竖向位移最大差值为25mm。各工况中各测点竖向位移变化平稳, 满足预期实际卸载要求。

　　 (3) 图13 (c) 和13 (d) 直接反映了分级卸载过程工况2和工况9中屋面各测点竖向位移变化情况。两类代表性工况下屋面局部测点竖向位移实测值存在不同步的波动, 总体吻合较好, 变化趋势基本保持一致, 但竖向位移实测值与计算值之间最大差值为38mm。

　　 (4) 图13 (e) 是以钢垫板卸载完成时各测点所在实际标高处作为竖向位移起始点, 来考察卸载支撑架拆除后各测点在这一过程中发生的竖向位移变化情况。屋面各测点竖向位移实测值为:中间J7, J8, H7, H8各测点实际竖向位移最大, 其次是K6, K9, G9, G6各测点, 最后就是其余各测点;这与实际屋面四周约束中间悬空受力状态下, 屋面各测点实际竖向变形状态是十分吻合的。表明大跨度的屋盖结构卸载过程中整体线形控制完好, 达到了预期施工要求和卸载效果。

　　 霍邱体育中心体育馆已于2016年9月份投入正常使用。由于屋盖拼装和卸载过程是在2015年冬季期间完成的, 2016年4月再次进行线形监测时, 相对于设计标高各测点实际最大竖向位移值为30mm, 比卸载完成时最大竖向位移计算值减小了3mm, 考虑到屋面荷载较之前只会增加的事实, 实际竖向位移反而减小。这说明随着温度的升高, 整体屋面向外发生膨胀, 这点对于屋盖竖向位移变形是有利的。同时各测点应力变化极小。总体而言, 使用阶段屋面线形整体稳定, 卸载效果良好, 满足设计和使用要求。

　　 本文通过对霍邱体育中心体育馆大跨度空间钢结构卸载过程施工模拟和卸载方案的研究, 提出了一种实用的“分阶段分级”卸载施工方法, 并针对此类大型钢桁架屋面结构卸载施工特点, 分别进行了有限元法模拟分析和现场试验分析, 得出如下主要结论:

　　 (1) 本文针对大跨度空间结构卸载过程所提出的“分阶段分级”卸载施工方法很好地克服了空间结构跨度大、卸载工况多、构造复杂、难以保证结构内力和位移状态缓慢转换的难点, 做到了因地制宜、经济适用, 具有较高的推广价值。

　　 (2) 屋面各构件内力及线形实测值与模拟分析计算值吻合较好, 卸载过程的圆满完成达到了预期效果, 表明此次大型屋盖结构卸载施工所采用的有限元法力学分析模拟和试验分析方法是正确有效的。本文相关的有限元法分析和试验方法可供其他类似工程卸载施工参考。

　　 (3) 大跨度空间结构由拼装到卸载再到落成是一个误差累积的过程, 因此采用完备的施工监测系统指导合理施工显得至关重要。本文采用的监测传感器灵敏高、稳定性好、可靠性强, 卸载过程中监测系统所获得的关键性测点信息, 在本次卸载施工顺利完成中起到了重要的作用, 监测系统制定过程的分析思路和试验方法可供借鉴。

　　 目前, 霍邱体育中心体育馆总体已顺利竣工并投入使用, 通过该卸载施工技术的创新应用, 达到较好的经济效益。由使用阶段监测结果表明屋面结构整体状态平稳, 变化很小, 满足使用阶段要求。