复杂钢结构施工监测及过程仿真分析.doc

分类号： TU745 密 级： 公开 UDC： 学校代码： 10127 硕士学位论文论文题目： 复杂钢结构施工监测及过程仿真分析英文题目：Construction Monitoring and SimulationAnalysis of Complex Steel Structure 学位类别： 硕士研究生姓名： 马小晶 学号: 201102444学科(领域)名称： 建筑与土木工程指导教师： 薛刚 职称： 教授 协助指导教师： 职称：2013年6月6日独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。签名： 日期：2013.6.6关于学位论文使用授权的说明本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文（纸质版和电子版）的规定，即：本人唯一指定研究生院有权保留送交学位论文在学校相关部门存档，允许论文在校内被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。在论文作者同意的情况下，研究生院可以转授权第三方使用查阅该论文。（保密的论文在解密后应遵循此规定）签名： 导师签名： 日期： 2013.6.6-56-内蒙古科技大学硕士学位论文摘 要近年来，随着建筑业的不断发展，大型复杂钢结构在国内得到了广泛的运用。复杂钢结构施工复杂，施工阶段荷载与设计阶段荷载差距较大。施工阶段分析理论尚不完善，结构在施工阶段的安全性不易保障，通过施工过程仿真分析与施工监测研究复杂钢结构的施工问题，有着重要的理论意义和工程实用价值。长沙北辰三角洲A1地块商业区为带悬挑区域的空间钢框架结构。本文以该项目为工程背景，借助有限元软件MIDAS/Gen，采用逐步建模分析法对钢框架的施工进行了全过程仿真分析，根据仿真分析结果，确定了钢结构安装过程中需要重点监测的区域及构件。根据应力计算结果，得到应力比最大的临时支撑，按照“优先卸除最不利支撑”的原则对临时支撑依次进行卸除。通过有限元分析结果确定了结构安装的变形预调方法，将结构在自重荷载作用下的变形确定为变形预调值，在实际施工操作中，按照“设计标高+变形预调值”得到结构的“施工标高”，进而进行施工作业。根据北辰三角洲A1地块商业区的有限元分析结果，结合悬挑区域的结构特点，制定出合理的工程监测方案。采用振弦式应变仪在悬挑区斜钢柱的柱顶和柱底布置监测点，并对该部分结构进行监测，对比分析施工过程中有限元模拟值和实际监测值，结果显示：随着施工的不断进行，有限元模拟理论值普遍大于实际监测值，偏差在15%之内，符合程度较好。验证了有限元仿真分析的有效性，保障了施工质量和安全。在工程的施工阶段采用有限元仿真分析和施工监测的方法，为类似悬挑钢结构工程施工仿真分析提供了借鉴。关键词：复杂钢结构；仿真分析；支撑卸除；变形预调；施工监测AbstractIn recent years, with the continuous development of construction industry, large complex steel structure has been widely used in China. At the same time, the low security is also followed during the construction process, resulting that the loads between design stage and construction stage are such different. And whats more, the construction stage analysis theory is not perfect; all above make it no easy to guarantee safety of structures in the construction stage .It is of important theoretical significance and engineering practical value to study on the complex steel structure by the construction simulation and monitoring.This paper is based on the steel structure of BeiChen delta A1 plots commercial project, which is space steel frame structure with cantilever area. With the aid of the finite element software MIDAS/Gen, this paper uses stepwise model analysis to simulate the construction process of the steel framework. In addition, the temporary support uploading methods are determined through finite element simulation results. And temporary support in largest stress ratio is based on the stress calculation results. According to the principle of give priority to uninstall the most unfavorable support, the temporary support is uninstalled successively. The deformation of the preset of structure installation is determined by the results of finite element analysis. And the deformation of preset of structure installation is determined under the self weight load. Actually, in the construction site operations, construction elevation is got by the method of design elevation plus deformation of the preset.Finally, making a reasonable monitoring scheme combined with the finite element analysis results and the structure characteristics of cantilever area. That is using the vibrating string type strain gauges to fix up monitoring points on the important components of structure, such as the capital and the bottom of the column. Compared the theoretical value with measured value, the results show that theoretical value is bigger, and deviation rate are controlled within 15%. Error rate in the range of acceptable, which shows that the simulation method is feasible, can ensure the construction quality and safety.Using the simulation analysis methods and construction monitoring for the structure are of great significance during the construction process, which provide references for construction simulation analysis of similar cantilevered steel works. Key Words：Complex steel structure; Simulation analysis; Support uninstall; Deformation of the preset; Construction monitoring目 录摘 要IIAbstractIII1 绪论11.1 引言11.2 复杂钢结构施工仿真研究现状31.3 复杂钢结构施工监测研究现状41.4 复杂钢结构施工方法61.4.1 高空散装法61.4.2 分条安装法71.4.3 高空滑移法81.4.4 整体安装法81.4.5 折叠展开安装法91.5 本文的主要研究内容102 北辰三角洲A1地块悬挑结构施工仿真122.1 工程概况122.2 工程施工方案中的关键技术132.2.1 临时支撑的布置及构造措施142.2.2 悬挑区域斜钢柱的安装152.2.3 悬挑区剩余构件安装172.3 有限元模型建立172.3.1 施工过程仿真分析方法172.3.2 有限元模型建立要点212.3.3 不同施工阶段的有限元模型222.4 施工过程仿真结果及分析242.4.1有限元分析242.4.2 支撑卸除顺序分析282.4.3 施工变形预调342.5 小结393 北辰三角洲A1地块悬挑结构施工监测403.1 引言403.2 悬挑结构施工监测403.2.1 应力监测403.2.2 位移监测443.3 理论值与实际值对比分析443.4 小结474 结论与展望494.1 结论494.2 展望50参考文献51在学研究成果55致 谢561 绪论1.1 引言伴随着我国国民经济的不断发展，人们开始追求建筑使用功能的多样化以及建筑造型的新颖奇特。在结构种类选择上，钢结构建筑因其具有轻质高强、塑性韧性高、抗震性能好、工程工期短、占地面积小、工业化水平高、造型多变美观等一系列优点，得到工程师们越来越多的认可和使用，各种类型的复杂钢结构建筑日趋增多。采用大型空间钢结构体系，可以实现大跨度乃至超大跨度建筑。这类建筑造型新颖奇特、规模庞大，成为地域性的标志建筑，会给国家及社会带来很高的经济效益和社会效益。当今社会，钢结构建筑的多少，往往可以标志着一个国家或者地区的经济发展水平。与此同时，复杂钢结构的设计及施工研究的进展情况已然也变为一个国家建筑业技术水平的重要衡量标准1。随着北京奥运会、上海世博会以及深圳世界大学生运动会等诸多重要国际赛事活动的相继举办，我国进入了一个崭新的大型钢结构建设时期。大量结构形式新颖、规模庞大的钢结构建筑不断涌现在我们眼前，例如“鸟巢”国家体育馆、“水立方”国家游泳馆、“CCTV”主楼、首都机场T3航站楼、上海世博会场馆以及深圳世界大学生运动会的“大运中心体育场”，如图1.1所示。 （a）鸟巢 （b）水立方 （c）cctv主楼 （d）首都机场新航站楼 （e）上海世博会场馆 （f） 大运中心体育场图1.1 大型复杂钢结构建筑 在领略到现代文明带给我们的惊艳的建筑外观和诸多的结构形式后，我们也应认识到，大型复杂钢结构造型优美、设计新颖背后隐藏着的施工复杂性。而土木工程施工作为事故频繁发生的项目，尤其是钢结构施工作业，每年都会出现有不少人员遇险的情况。据资料记载，全球近120起具有代表性的钢结构事故，共有59起事故发生在制作或安装阶段，此阶段事故发生概率高达49.2%2。图1.2为建筑结构生命周期图，从中可知结构在施工阶段到使用阶段直到老化阶段的全过程中，工程施工阶段因结构具有不完整性、施工荷载的复杂性、物理特性的时变性、偶然突发事件多等一系列特点，使得结构在这个阶段的具有很高的风险率。图1.2 建筑结构生命周期图钢结构能够依照设计要求顺利地建造完成，并正常投入使用就具有十分重要的意义。我国的大型复杂钢结构正兴起一波新的发展热潮。在这种情况下，通过采用科学的手段保障复杂钢结构的施工建造36：建立有限元模型对结构进行仿真分析；制定合理的施工监测方案；定量分析结构构件受力变化。通过计算机仿真分析及实时监测，更能够及时了解施工过程中结构的薄弱环节，提高工程施工阶段操作的安全性；保障施工方法的经济合理；节约我国的人力资源、物力资源，做到了资源的合理配置；保障了我国重点、难点项目施工项目的建设；保障了人民的生命财产安全。更将我国复杂钢结构施工阶段的研究引入了良性发展的快车道7。1.2 复杂钢结构施工仿真研究现状复杂大型钢结构建筑越来越多，这推动着结构施工方法的不断进步。伴随着计算机的广泛应用、有限元分析理论的不断完善，施工模拟仿真分析应运而生。它是复杂钢结构施工领域最为前沿的研究热点，也是钢结构施工体系将来要着重发展的方向。在过去，国内外一些院校和研究部门也做出了一些有效的探索工作：国外的研究开展于1982年，刘西拉、Wai-Fa Chen和Mark.D.Bowman对施工阶段中结构的力学性能进行了研究811，利用有限元方法分析了施工荷载在弹性支撑杆件条件下的传递情况，并重点考虑了支撑和混凝土楼板因为混凝土的硬化作用而造成的刚度变化。他们建立了一套较为完整的施工模拟方法，在当时产生了较大的影响，并为施工人员带来了极大便利。国内的研究开展于1996年，李耀良基于虚拟施工平台，以钢结构施工为对象构建了虚拟建造理论体系12，并在上海正大商业广场项目及广州体育馆等项目的钢结构施工中得到运用，顺利解决了诸如构件节点多、安装空间狭窄等问题，为该研究领域作了非常有成效的探索。2004年，张宏胜则是对具体的钢结构工程进行有限元仿真分析13，通过分析施工阶段中构件及结构体系的力学性能，达到控制结构的安装误差、优化施工过程的目的。之后国内的一些学者分别针对不同的结构类型展开了研究，2007年，张慎伟、张其林等人针对北京奥运会主场馆的双向张弦网格结构，分别进行了施工过程的仿真分析计算和施工过程监测14，结果显示该分析软件和技术方法可以有效的对大型复杂钢结构进行仿真分析。杜杨等人针对大跨斜拉结构15、蒋顺武等人针对巨型网格结构16、谢国昂17等人针对“水立方”的多面体空间刚架结构分别进行仿真分析的研究，均取得了良好的结果与效应。他们的这些有益的探索，表明了有限元仿真分析在不同结构类型的复杂钢结构工程施工中的普遍应用性。国内的学者结合大型工程项目，对选取合理的技术方法对结构的施工阶段进行仿真分析进行研究。范重等人18基于生死单元技术，对 “鸟巢”施工阶段的临时支撑体系的反力进行了计算，并估算了临时支撑卸载阶段钢结构的变形量。通过研究不同施工顺序对结构的影响，指出施工顺序的不同将对竣工后的内力与变形有显著的影响。赵长军、范重等人以苏州火车站钢结构施工过程为实例19，20，基于SAP2000对屋盖结构分期施工和桁架分片滑移施工进行了仿真分析，而且进一步分析了结构的分步卸载施工。刘为俊、任志刚21等人以黄石体育馆工程为背景，详细介绍了有限元模型的建立要点，并基于MIDAS/Gen软件，采用状态变量叠加法对其钢屋盖的施工全过程进行了仿真分析。田黎敏、郝际平22等人以深圳世界大学生运动会主体育场工程为例，采用MIDAS根据实际施工情况对结构进行全过程模拟分析，确定了实际施工顺并验证了施工方法的正确性。通过分析不同的施工阶段，针对各个施工阶段有限元模拟分析的理论值与施工监测的实测值进行比对，找到其变化规律，可以对施工全过程仿真分析的实用性、可行性进行了验证，为制定复杂钢结构的施工方案提供了可靠的参考依据。国内外众多学者的研究范围中，针对悬挑区的结构仿真分析及施工监测的研究尚不多见。本文将以此开展研究，分析此类工程的应力及变形特点，可以为工程实践提供良好的借鉴。1.3 复杂钢结构施工监测研究现状由于复杂钢结构体系庞大复杂，多样化的结构施工方式、复杂的结构施工工艺都会对施工过程中结构的受力产生影响。与此同时，这些因素它们又是相互联系的，也会增大结构施工阶段应力分析的难度。除此之外，在施工过程中更存在着许多未知的因素，都会造成结构在施工期间的安全性能降低，严重的情况会导致复杂钢结构在施工中发生塌陷、失稳破坏等事件。为了了解施工过程中结构实际受力状态及变化情况、为了施工全过程结构的安全性得到保证，施工监测的研究和应用进入了一个高速发展期。上世纪80年代初，日本在建造Yokohama桥和Chichby桥时，以先进的计算机联网数据传输技术为平台，研发了一套自动监测系统。在此套系统中，可以快速比对分析施工过程中设计预期值与实测参数。采用此项技术，可以大幅度提升工程施工进度，并提高工程施工过程的安全性和构件安装精度，为施工监测技术提供了良好的借鉴23。上世纪80年代末，美国在数座桥梁上布置监测设备，通过环境荷载、局部应力状态的监测结果，并与设计结果进行比对分析，可以实时监视工程的施工质量和评定桥梁使用年限内安全状态。在1995年，美国政府更是在90座大坝上安置了监测设备，投资总额高达1.4亿美金，取得了良好的经济及社会效益。通过借鉴国外的先进技术，自上世纪90年代初开始，国内的一些重要的桥梁上也布置了监测系统以监测施工及施工阶段的安全性能。香港首先在新建成的汲水门等桥上安装了 “结构健康监测系统”，通过监测外来荷载(如车辆荷载、风荷载等)对桥梁受力的影响以确保桥梁在运营阶段的安全性能。我国内地，主要在长江沿线的几座重要大桥，如南京长江大桥、江阴长江大桥上面安装了不同的传感器，通过监测大桥运行过程中的各种情况的反应，以保证其使用过程中的安全性24，25。欧进萍院士等人针对渤海的海洋平台研究开发了安全监测系统，可以实时监测整个海洋平台的运行情况，取得了良好的经济效益及社会效益26。李爱群和丁幼亮27采用小波分析等实现了润扬大桥的损伤预警，并且以此技术为基础编著了工程结构损伤预警理论以及应用。在大型复杂钢结构的健康监测系统中，业界都还缺少系统的理论体系研究和较大规模的应用实例，目前已应用的技术绝大多数都是直接监测工程中特定构件的静态工作状态。高世峰等28在浙江美术馆的施工过程中，采用振弦式应变计对施工过程进行了应力监测，并通过传感设备获取施工阶段的应力应变特性；浙江大学的罗尧治教授等29采用了先进的光纤光栅技术实施应用于施工过程的监测；夏峰林、高博青等30采用振弦式传感器进行应力监测，在杭州大剧院钢网壳结构施工过程中得到了运用；同济大学的张慎伟、张其林等人14采用EM型传感器对中国航海博物馆施工阶段中钢索应力进行了监测；东南大学31在南京国际展览中心钢屋盖的钢拱架（单重达120T）吊装过程，采用DH-5932动态应变仪进行了实时监测；彭明祥和张棍等人3234对CCTV主楼的合拢施工阶段进行了应力和应变等多项监测，确保了其施工的安全性；在广州国际会议展览中心 35施工中通过利用各类先进测量仪器对张弦桁架的施工进行了变形监测；在北京奥运会主体育场馆“鸟巢”的施工过程中，曾志斌和张玉玲等人 36，37采用应力应变和温度监测系统对结构的卸载阶段进行了全过程监测，既体现“科技奥运”的主旨，也保证了整个奥运会阶段的监测任务的圆满完成，在业界产生了深远的影响。总体来说，施工人员针对施工现场的具体情况，选定出最合适的监测技术及方法。继而通过技术方法对施工阶段是重要环节或重要构件进行实时监测，掌握其动态变化规律，进而掌握影响施工安全、控制工程质量的关键要素在施工过程中的变化规律，并以此规律为依据对下一阶段的施工方案进行相应调整，以保证工程施工顺利完成、竣工形态满足设计要求。1.4 复杂钢结构施工方法复杂钢结构的结构形式复杂多变也决定了其施工方法的多样。在工程实践中，劳动者及工程师们依靠他们的智慧，因地制宜地创造出众多的施工方法，不同的施工技术方法都其对应的工程适用领域和技术特点。因此，对于每个不同的建筑，都会存在着一个不同的结构体系，合理制定施工方法将直接关系到工程的施工安全性、进度、竣工质量及经济成本。以下将对复杂钢结构的部分施工方法的进行简单的说明和介绍。1.4.1 高空散装法高空散装法38，39 指的是将建筑结构的散拼构件运送至设计位置，并总拼成一个整体的施工方法。该方法又可以分为全支架法和悬挑法。其中全支架法最为常用，适用于一般的散件拼装过程；而悬挑法则将部分结构悬挑并将小构件运送至高空进行总拼的情况，从而起到了节省支架的目的。相比全支架法，悬挑法可以节约施工成本，但也要求悬挑部分结构的刚度须满足一定要求。高空散装法的优点是可以用简单的起重运输设备对构件进行垂直运输，如果单个构件的质量轻，不使用起重设备亦可完成拼装，该施工方法适用范围广泛、受场地限制少。缺点是施工现场的高空作业多，工程质量不易保障，施工阶段更要预先搭设拼装支架，会耗用大量的建筑材料。如下图1.3所示，在北京奥运会主场馆“鸟巢”即采用散装法施工。图1.3 国家体育场结构施工高空散装法在施工阶段，影响结构体系的受力性能包括以下环节：结构安装顺序的确定；各个结构标高的核定；临时支架结构的强度卸载及拆除方法。因此，在结构施工之前，需要依据施工现场的实地条件制定多种施工安装方案，并对临时支架结构进行强度、稳定及变形验算，使其均能满足规范要求。再对各种施工方案进行数值模拟分析，以确定安全可行、快速便捷、经济环保且使结构最终的内力与变形状态最为合理的方案。1.4.2 分条安装法分条安装法40是指按照结构的组成特点将其整体划分成直线型条状或平面型块状单元，使用起重设备按照顺序依次吊装至设计位置进行总体拼装，从而完成结构整体的安装方法。其主要特点: 大部分拼装、焊接工作都需要地面进行，高空作业量很少，更加利于控制工程的质量；仅需要少量的拼装支架，节约工程成本；根据场地已有起重设备的起重能力决定分条或分块单元重量，做到了灵活多变，并可有效降低成本。在分条安装法施工过程中，影响结构体系及施工系统受力性能的关键环节包括:划分桁架或网架单元；需要对网架或桁架的挠度进行调整，这要求施工人员在施工中采取预起拱措施，用来保证施工完成后结构标高满足预期要求；严格控制网架尺寸。首先需验算吊装单元及起重设备的起吊能力；根据施工现场条件建立有限元模型，并依据施工方案进行数值仿真分析，确定经济合理、安全性高且使结构最终状态下内力与变形最为合理的拼装顺序。如图1.4所示，福建省漳州市后石电厂圆形煤场网壳工程的施工中就采用该方法。图1.4福建省漳州市后石电厂圆形煤场网壳工程1.4.3 高空滑移法高空滑移法4143指的是根据施工方案将滑轨在特定的位置安好，并利用滑轨将结构滑移至预先设定的位置，再将结构单元在设计位置拼装成整体的方法。高空滑移法的操作大部分是在高空中移动安装构件，且诸多设备布置于建筑结构的四周，施工阶段受建筑物结构内部作业的影响非常小。滑移下部的施工平台可同时进行其它结构的施工，从而实现空间范围内的平行施工，可以大幅度节约工期。由于构件通过滑轨缓慢地运送至安装位置，不需要大型起重机或牵引设备就可以实现，有利于控制施工成本。如图1.5所示，在北京奥林匹克篮球馆的施工中就采用该方法，设置了特定的滑移轨道对结构进行安装。图1.5北京奥林匹克篮球馆结构施工在滑移法施工过程中，影响施工过程中结构受力的关键环节包括：顶锥点数量和布置位置的确定；滑移轨道数量及位置的确定；滑移过程中会存在着轨道卡住构件的情况，这就要求在施工中要缓慢平稳地滑移，且每隔一段时间监测待装构件与滑轨的相对位置，以保障滑移过程的同步协调性；结构梯形边界条件的变化。1.4.4 整体安装法整体安装法44是指依照结构的最终成型状态，将结构在胎架或地面上整体拼装完成后，再用起重设备运送至目标位置进行安装的施工方法。常采用的方法包括：整体吊装法、整体提升法、整体顶升法。比起其它安装方法，整体安装法具有以下优点：在地面或胎架上整体拼装完成，减少了高空作业量，提高安全性能；可以依照施工现场的实际情况，选取提升设备，既可以采用拔杆或者起重设备进行吊装，也可以采用千斤顶进行顶升，非常灵活方便；整体安装法对临时支撑需求较少，有利于节约成本。如图1.6所示，深圳信息职业技术学院游泳馆的屋盖钢结构施工就是先在地面上将杆件焊接成屋盖梁，再采用整体吊装法将其吊装到设计位置处进行连接安装。图1.6 深圳信息学院游泳馆屋盖梁实际施工图1.4.5 折叠展开安装法折叠展开安装法45广泛应用于网壳等大跨度钢结构的施工，其基本方法是将网壳体系中的某些特定杆件拆掉，使结构由原先的静定体系变成一个可变体系。将网壳在地面上折叠起来，可以尽可能的降低结构安装的高度。如图1.7所示，现场施工人员可以在靠近地面的高度对构件进行安装，然后通过起重设备提升等方法将处于折叠状态的网壳沿其竖向自由度提升到设计标高，最后补齐尚未安装的那部分杆件，使结构形成一个静定体系并最终成型。 （a）地面安装，准备提升（b）提升过程（c）提升就位图1.7 折叠展开施工法施工示意图1.5 本文的主要研究内容复杂空间钢结构的施工的过程中通常会伴随着受力特性和结构形态的变化，各个施工阶段的边界及荷载条件也会发生转变。施工过程中结构的受力状态与设计状态存在着明显的差异，造成各施工阶段的应力、位移变化。采用施工过程仿真分析与施工监控就具有重要的理论意义和工程实用价值。位于湖南省长沙市的北辰三角洲的西北区（命名A1地块）大型商业综合体是一个复杂空间钢结构。本文针对这部分A1地块项目悬挑区域，进行施工全过程仿真分析与施工监测，有如下的研究内容:（1）复杂钢结构的安装方法分析复杂钢结构的施工方法很多，对于不同形式、类别的结构，所选用的安装方法也是不同的。通过查阅有关复杂钢结构施工技术的书籍，结合实际工程，对常用的和不常用安装方法进行概括和总结，并对各个方案的特点和适用范围进行归纳。在施工现场实习期间，依据施工现场的人、料、机配置情况，对商业区斜钢柱安装选择制定合理的施工方法。（2）施工过程监测对结构的商业区悬挑区的施工过程采取监测：悬挑区域总计布置32支BGK-4000振弦式应变仪，其中商业区L00层结构柱脚设置6个监测点，每个监测点对称布置4支应变仪；L01 层商业区结构斜柱顶端设置2个监测点，每个监测点对称布置4支应变仪，对结构进行应力监测。此外，在A1地块悬挑区域施工阶段对构件挠度进行监测，工程共拟定4个监测基准点，共计布置21个挠度监测点。监测点设置在构件变形量大的位置，如在悬挑梁、大跨梁的正面或侧面。在结构施工阶段获取可靠的监测结果，方便判别结构不同施工阶段的受力状态和性能，为下一阶段施工方案的制定提供依据。（3）施工过程仿真分析基于有限元软件MIDAS/Gen，对悬挑区钢结构施工过程进行仿真分析。仿真分析阶段要仔细考虑结构自重及施工荷载的影响。每一个施工步骤结束后，用有限元软件分析计算结构的位移、支撑点应力比。期间对悬挑区域临时支撑卸除进行模拟仿真。商业悬挑区域共采用18个临时支撑，其中3个支撑位于L04层，2个支撑位于L05层，剩余13个支撑均位于L03层顶以下。大跨梁下支撑点在L04安装完后即可拆除。其余支撑在主体结构全部完工并形成稳定体系后，开始卸除。（4）理论模拟值与实测值对比分析工程采用振弦式应变仪对指定监测点的应力进行实时监测，并根据监测结果与有限元分析结果进行分析比对。找到实测值与仿真分析理论值之间的偏差，分析产生偏差的原因。2 北辰三角洲A1地块悬挑结构施工仿真本章节是以长沙北辰三角洲A1地块项目悬挑区钢结构施工为例，采用MIDAS/Gen软件对其钢结构施工全过程进行仿真分析，为工程施工方案的制定以及实时监测提供可靠依据。2.1 工程概况北辰三角洲位于湖南省长沙市开福区，西临湘江，北依浏阳河，东靠芙蓉北路，南抵319国道城区段。北辰三角洲的西北区（命名A1地块）包括酒店、商业、写字楼等综合公共建筑共计32万m2。其中商业部分区段为6层，局部9层。采用多跨钢结构，柱网尺寸为8.6m8.6m，平面呈小鸟形状，轮廓尺寸约为240m170m。图2.1 北辰三角洲A1地块悬挑区域图如图2.1所示，北辰三角洲A1地块的商业区一层到四层设有“V”造型钢柱，上部钢结构靠“V”造型柱进行支撑，形成部分悬挑结构。悬挑区域结构形式复杂、施工面积大、工程整体工作量大、单体构件较重、空间定位困难，施工难度很大。需要设定合理的技术方法以保证工程的安全、合格。现将北辰三角洲A1地块悬挑区域施工控制技术路线叙述如下：首先，依据设计图纸和相关规范确定施工控制的总体控制目标。总体控制目标是保证建筑功能正常发挥。其次，根据结构特点和施工方案确定结构施工过程的不同阶段，不同施工阶段的划分必须保证结构施工过程的分析进度，然后适当控制阶段数量，减少结构施工工程分析的工作量。第三，运用现代结构分析手段，对结构体系的施工全过程进行分析，全面了解结构施工过程中几何（线形）、应力、稳定性和安全性的演化规律。第四，在施工过程分析成果的基础上，初步确定施工控制的阶段控制目标，作为施工控制可操作性的依据。第五，施工过程中对结构状态（几何形态、内力等）进行实时监测，并按照不同阶段的控制目标进行对比。第六，根据阶段控制目标，通过预变形，预起拱等技术对施工过程中结构几何形态、内力与稳定等进行控制。第七，根据结构状态监测结果了解实际状态与阶段控制目标的差异，进而修正施工流程、施工方法和计算模型。第八，从结构已完成的状态开始，重新推演结构变形过程，确定下一阶段的控制目标，采取合适的技术进行施工控制，如此循环直至施工结束。2.2 工程施工方案中的关键技术悬挑区域的钢柱最重达44t，超重钢柱运输吊装困难。悬挑区域同时存在部分超重钢梁截面尺寸大，安装困难。此部分区域的钢柱、钢梁挠度控制要求高。施工阶段对较重钢柱、钢梁采取分段运输至施工现场，再在施工现场进行拼接后整体吊装。既可以减低高空拼接的难度，又可以保证安装精度。在进行大跨梁安装时，应合理布置临时支撑点，以保证整个施工过程的安全。较重钢柱同样采用分段运输至现场拼接后整体吊装，斜柱接口处设置圆管标准节支撑。在施工中使用支撑，可以有效地提高结构体系在成型之前的受力性能；降低大跨梁、大悬挑结构的挠度，便于施工阶段的安装。但临时支撑的拆除是一个结构内力重分布的过程，施工中应采取必要的方法、手段以保证临时支撑卸除阶段结构整体的安全性。采用计算机仿真分析整个悬挑区的安装过程，包括位移分析、支撑及卸除过程分析。通过设置监测点对整个安装过程进行跟踪测量（包括位移及内力）；针对临时支撑卸除过程，根据计算机模拟结果，按照“先卸受力最大的支撑点”的原则进行，合理选择卸除时机，并对整个卸除过程进行监测；采用变形预调的方法控制钢梁挠度。2.2.1 临时支撑的布置及构造措施临时支撑在大跨度、大桁架结构施工中有诸多优点，但临时支撑会改变结构体系的受力状态，会增加支承体系及其临近区域的应力。临时支撑的拆除是一个结构内力重分布，由施工阶段向设计状态转化的过程。现对北辰三角洲A1地块临时支撑的布置进行介绍：（1）临时支撑布置位置图2.2 斜柱支撑位置示意图如上图2.2所示，斜柱支撑布置于斜钢柱接口处，共布置7处支撑，方便斜钢柱的对接安装，增加施工过程中的安全性。图2.3 大跨梁下支撑位置A1地块悬挑区上部按电影院设计，为满足其建筑功能及造型的需要，需要在大跨梁上起柱。为确保施工安全，梁上起柱处大跨梁下方需设置临时支撑，具体位置如图2.3所示，图中圆圈位置即表示梁下支撑位置。其中3个支撑点位于L04层（14、15、16号点），2个支撑点位于L05层（17、18号点），剩余13个支撑点均位于L03层顶以下。大跨梁下支撑点9、10、11、12、13号点在L04安装完后即可拆除，剩余支撑待悬挑区域钢结构全部完工，并形成稳定的结构体系后开始卸除。（2）斜柱支撑加固方法为了提高施工过程中的安全性，对临时支撑采用三重加固措施。如图2.4所示，第一道措施采用揽风绳加固，从顶部向下拉在钢支撑约1/3处，且调整揽风绳角度不大于60。第二道措施采用脚手架加固，连接点由四根1m脚手管搭制，再用八根6m脚手管与地面连接，形成一个稳固的支撑系统。第三道措施用10的槽钢将支撑与钢柱进行连接，拉条高度设置在支撑高度的2/3以上。 （a）揽风绳加固 （b）脚手架加固 （c）槽钢加固图2.4斜柱支撑加固方法2.2.2 悬挑区域斜钢柱的安装（1）斜钢柱的安装施工阶段，悬挑区域7根斜柱子的安装较为复杂。综合考虑机械、人员配置以及各方面因素，决定将斜柱分段运送，并在现场拼装完毕后，再利用起重机进行吊装。钢柱的拼装由于现场场地限制，现场使用马凳作为临时拼装平台。所用马凳现场用槽钢直接制作。长度大于6米的钢柱下垫3处马凳，长度小于6米的钢柱下垫2处马凳。 （a）马凳 （b）马凳沿直线摆放 （c）焊接三角形铁板 （d）马凳拼接钢柱图2.5 马凳拼接钢柱流程图如图2.5所示，现场制作马凳，马凳由槽钢制作，为方便钢柱拼装及焊接等操作，马凳高度大约为900mm。钢柱的对接：将马凳沿一条直线摆放，马凳位置固定后先进行一次标高的测量，确保所有马凳顶部的标高保持一致。标高固定后，将两节对接的钢柱分别放置在马凳上。两节钢柱放置好后，在每个钢柱两侧的马凳上各焊接一个三角形铁板，固定钢柱的位置，防止钢柱滚落。钢柱的吊装钢柱拼接完成后，先仔细统计各钢柱质量以确定选用何种类型的机械，使用履带吊进行跨外吊装。如图2.6所示，由于钢柱的成型状态有一定的倾斜角度，因此钢柱的吊点也区别于普通钢柱。需要对吊点进行合理的设计，在吊装之前应根据斜柱子的角度，计算出最合适的吊点，以方便现场的安装。每安装完一根钢柱，立即校正焊接，以避免产生变形。图2.6 斜柱安装图2.2.3 悬挑区剩余构件安装整个悬挑区域的安装，应根据现场场地情况、构件重量、安装位置等各方面因素综合考虑，总体为由内往外逐步安装。在大跨梁、斜钢柱及其它散件安装过程中，合理调度起重设备进行施工作业。可以采用履带吊跨外吊装，履带吊双机抬吊等措施，如表2.1所示。表2.1 主要构件的安装方法序号构件种类吊装方法优点1大跨梁设置临时支撑，分段吊装 充分利用起重机的 性能，安全可靠2斜柱地面拼装，整体吊装 地面拼装，精确度较 高，保障斜柱质量3其它散件 直接吊装到位；跨 外吊装，双机抬吊 充分利用各种起重机，吊装效率高2.3 有限元模型建立2.3.1 施工过程仿真分析方法伴随其施工过程的不断推进，结构形态从无到有、从局部到整体。在每个不同的施工阶段，都会伴随着结构形式的变化。在结构体系竣工之前，结构会暂时处于该施工阶段下的短暂平衡。当结构进入下一个施工阶段时，新加入的构件或荷载会使结构处于一个不同的平衡状态。直至施工彻底完成之前，结构在每个施工阶段都是作为一个临时体系而存在。因此，结构施工阶段的受力特点与设计状态是存在着很大的区别。而对于结构施工阶段结构应力的研究，要采取新的技术方法。目前常用是有限元仿真分析法，主要包括生死单元法和逐步建模分析法。（1）生死单元法结构的施工可以看作是一个将未装的结构构件不断加入到已装结构体系中的过程，每个新加入的构件会打破原有的结构受力平衡状态，导致已有结构的受力状态发生变化，这个过程可以用生死单元法来模拟。生死单元法46，47通过控制结构单元的“生”和“死”来模拟实际施工阶段构件的状态变化，通常用“活单元”和“死单元”来表示。其中，“死单元”是指在当前阶段尚未安装或对主体结构受力无影响的构件，“活单元”是指已经在当前阶段安装完毕的构件。生死单元法可以理解为通过修改单元的刚度矩阵来模拟施工过程中构件的安拆。生死单元法基本的流程如图2.7所示，首先依照结构的竣工形态构建有限元分析模型，接着 “杀死”全部单元使结构回归到施工的最初状态。当施工到了阶段1，率先“激活”施工阶段1的单元，并计算该施工阶段1对应的结构荷载。随着施工的不断进行，再“激活”施工阶段2的单元并计算对应的结构荷载。如此反复操作直至结构达到竣工状态，可实现分析施工全过程变目的。（a）设计状态 （b）施工阶段1 （c）施工阶段2 （d）竣工状态图2.7生死单元法模拟施工过程一个单元被“杀死”并非指简单地从模型中将该单元删除，而是将其刚度矩阵乘以一个数值K（一般取值为1.010-6），可称该数值K为单元“生死”系数。此时“死单元”的质量、荷载及其他相关特性都将接近于零，虽然它仍出现在单元列表上，但它在力学性质上是处于一种“死”状态，这种“死单元”对结构整体刚度的影响非常的小。一个单元被“激活”的含义，也并非是在模型中直接增添新的单元，而是重新激活单元列表上存在的但在前面阶段被“杀死”的单元，即解除其单元“生死”系数K以达到恢复其刚度、质量特性的目的。整个施工过程中，虽然“死”单元的物理、力学特性为零，但它仍会跟随“活”单元发生应变。这种应变称之为“漂移”作用，它会对结构下一阶段的有限元模型产生影响。根据生死单元法的基本原理和基本流程可以知道，采用生死单元法对不同施工方法进行过程模拟分析是十分便利的。首先依据设计状态建立结构的整体模型，然后根据施工顺序控制单元的“生”或“死”来对施工过程进行模拟，同时该方法可以非常方便地体现细微变化对结构的影响。但对于大型复杂的结构类型，采用生死单元技术进行仿真模拟结构的施工全过程会存在一定的问题。需附加约束条件才可完全保证构件“激活”时处于预定的位形上。“死”单元的“漂移”作用不易控制，处理不好会导致单元“激活”时的刚度矩阵发生错误，使结构处于一种“畸变”的形态，这将与现实情况存在较大的差距，最终往往求解失败。（2）逐步建模分析法逐步建模分析法48基本思想为，先制定施工方法及顺序，接着依照不同的施工阶段计算结构单元的刚度矩阵并施加相应阶段的荷载。这样依照施工顺序一边建立模型一边求解结构的应力应变，可以有效地模拟仿真施工全过程。逐步建模技术中未装构件的单元将不计入结构模型中，就不会对结构的整体刚度矩阵产生影响，已安装与未安装结构相互之间的影响可以彻底消除了，更可以精确控制施工过程中构件的安装位形。逐阶段建模法是最为常规的施工过程分析方法，应用也最为广泛。它的基本原理：按照拟定施工顺序，确立结构的施工阶段，把结构分成n个单元块，按1、2n个阶段完成。每个施工阶段的有限元方程为：施工第一阶段 （式2.1） （式2.2）施工第二阶段 （式2.3） （式2.4） 施工第n阶段 （式2.5） （式2.6）式中: 为到施工阶段时，结构的总刚度矩阵； 为到施工阶段时，结构的总位移向量；为到施工阶段时，结构的总节点荷载向量；为到施工阶段时，结构杆单元的刚度矩阵；为到施工阶段时，结构的几何矩阵；为到施工阶段时，结构的内力向量。（a）设计状态 （b）施工阶段1 （c）施工阶段2 （d）竣工状态图2.8