［摘要］采用MIDAS/GEN对某大厦钢结构连廊施工过程进行了仿真模拟，分析了钢结构连廊在施工过程中各杆件的应力和变形分布。根据分析结果和施工方案，在钢结构连廊各关键杆件表面安装了应变和变形测点，以监控其施工过程中结构杆件位置的应力和变形的变化量。监测结果表明，本工程施工过程各杆件应力和变形实测值与理论值较为一致，施工过程钢结构连廊处于安全状态。
［关键词］施工监控;数值模拟;钢结构连廊;大跨度
随着社会经济的快速发展，越来越多的大跨度钢结构不断应用在新建建筑中。大跨度钢结构通常需要经过吊装和多阶段拼装施工。在结构逐步成型的过程中，临时荷载、边界条件和结构几何参数等因素都在不断变化，结构不断产生累计附加应力和变形［1－3］。如果在设计阶段没有验算施工过程结构的承载力或没有充分考虑其对结构的附加影响，无疑会给钢结构施工和运营造成一定的风险。因此对大跨度钢结构进行施工分析和过程监控，确保施工过程中钢结构体系平稳有序地转换就显得尤为重要［2－6］。本文结合某大厦大跨度钢结构连廊的施工过程，利用MIDAS/GEN软件对其施工全过程进行了数值模拟分析，并对整个施工过程应力和变形进行了现场监控测试，分析了钢结构连廊从吊装到构件安装全施工过程中结构的应力和竖向变形的变化，为大楼钢结构连廊施工安全和后期运营维护提供技术参考和依据。
1工程概况
本工程地上11层，地下1层，上部结构由钢筋混凝土框架－剪力墙结构及钢结构连廊组成。钢结构连廊位于结构11层、12层，连廊总跨度为26.5m，由两榀(1)、(2)轴平面单层钢桁架、连系钢梁和上部二层构架层共同组成，钢连廊所用材料为Q345钢。本工程大厦如图1所示，钢结构连廊立面示意图如图2所示。钢结构连廊施工过程分为钢桁架吊装过程和其余构件拼装过程。吊装过程主要分为以下四个步骤:起吊前、起吊、就位和临时固定。起吊前平面钢桁架垂直立放于地面上，放置枕木于结构底部跨中及(F－1/F)轴中点及(C－1/C)轴中点。准备工作就绪后进行起吊，吊起高度为100～200mm时悬停，检查索具牢固性和吊车稳定性。经确认无误后吊车缓慢上升。桁架吊至柱面以上，再用稳定缆绳旋转桁架使其对准牛腿处，以使桁架就位。将支座孔穿入两侧主体结构过渡板的螺栓内进行初拧，作为临时固定，上、下弦杆采用安装螺栓临时固定连接。构件安装过程分为以下4个步骤:桁架与主体结构连接、连系钢梁安装、构架层安装和楼板浇筑幕墙安装。临时固定步骤结束后，两榀桁架壁板与主体结构外伸弦杆刚性连接，腹杆与主体结构外伸斜杆焊接，之后将两榀桁架间的连系钢梁安装，再安装桁架上部及两侧的构架层钢构件，最后浇筑楼板及安装幕墙。
2施工过程仿真分析
2.1MIDAS/GEN分析模型
采用MIDAS/GEN进行施工过程模拟，施工步骤根据吊装及构件拼装过程共分为7个阶段CS1～CS7，将每个阶段新增单元定义为一个结构组并通过激活或钝化来完成结构单元的增减，边界、结构组和荷载的变化在各个施工阶段内激活和钝化来模拟。本次模拟仅考虑结构自重。梁、柱采用梁单元模拟，楼板采用板单元模拟。起吊前枕木放置位置、起吊过程中的起吊点和临时固定阶段桁架上下弦杆边界条件均定义为铰接，钢桁架与主体结构连接后各柱底部定义为刚接。各施工模拟阶段CS1～CS7施工模拟工况见表1所示，施工模拟过程见图3所示。可以看出，吊装过程中钢桁架弦杆应力增量最大值出现在跨中上、下弦杆，为11.9MPa、－10.1MPa，腹杆应力增量最大值出现在两侧斜腹杆中部，均为9.3MPa。钢结构连廊安装过程中钢桁架弦杆应力增量最大值出现在跨中上、下弦杆，为38.5MPa、－35.5MPa，腹杆应力增量最大值出现在两侧斜腹杆中部，为41.7MPa、41.8MPa。钢结构连廊各杆件应力在吊装和安装施工阶段远低于钢材的屈服应力，杆件应力较大位置位于钢桁架跨中上下弦杆及两侧斜腹杆中部。
2.2仿真结果
限于篇幅，本文仅给出封顶时CS2、CS3和CS7阶段钢结构连廊的杆件上下表面的应力云图如图4所示。考虑到钢结构连廊主要受力构件为与框架主体结构相连接的钢桁架，为方便显示仅截取钢桁架部分杆件的应力。由于钢桁架起吊前放置于地面上CS1阶段的各杆件应力很小，取CS1阶段作为初始状态用于后续各施工阶段应力增量分析。钢桁架变形仿真模拟分析仅针对吊装完成后的钢结构连廊构件安装阶段。CS3临时固定阶段和CS7安装完成阶段钢桁架变形云图见图5所示。可以看出钢桁架竖向变形最大位置位于钢桁架跨中，(1)、(2)轴钢桁架竖向变形增量约为6.92mm、7.32mm。
3施工过程监测
3.1测点布置
施工过程监测应选取在应力模拟值较大位置的杆件来安装应变传感器。本工程在两榀钢桁架放置于地面上CS1阶段时安装应变传感器。根据前述的仿真模拟结果，测点主要布置在钢桁架跨中上、下弦杆及两侧斜腹杆中部，测点具体布置如图6所示。变形监测采用人工全站仪定期观测的方式进行，测点布置在钢桁架下弦杆跨中位置。应变传感器安装时先打磨掉钢结构表面的防腐漆，然后将传感器导杆两侧的固定块焊接在钢结构表面固定牢固。传感器的安装和现场走线如图7所示。
3.2监测数据分析
将不同施工阶段CS1～CS7各杆件测点的应变实测值乘以钢材弹性模量得到各测点的应力实测值如图8所示，可以看出，本阶段性监测期内(1)轴钢桁架弦杆、腹杆实测应力最大值分别为33.5MPa、36.4MPa，应力增量最大值分别为16.3MPa、27.2MPa;(2)轴钢桁架弦杆、腹杆实测应力最大值分别为31.5MPa、33.7MPa，应力增量最大值分别为19.0MPa、32.1MPa。连廊变形监测测点的竖向变形实测值通过跨中竖向变形扣除两端支座变形得到。取钢结构连廊吊装完成后临时固定状态下的变形作为本阶段性监测钢结构连廊的初始变形(按零变形考虑)。施工阶段钢结构连廊竖向变形实测增量和理论增量的对比情况如图9所示。数据表明，钢结构连廊跨中的竖向位移实测值与理论值的整体变化趋势基本一致，各施工阶段的变形实测值与理论值较为接近。
4结论
本文采用MIDAS/GEN软件建立了该工程的结构有限元模型，并对其钢结构施工过程进行了仿真分析及监测，得到结论如下:(1)通过施工过程的模拟结果可以看出，钢桁架在吊装及安装过程中上、下弦杆跨中和两侧斜腹杆中部的杆件应力变化较大，应在施工过程中重点监控。(2)安装过程中钢结构连廊各杆件的应力实测值与理论值的整体变化趋势基本一致，多数杆件应力实测值小于理论值;个别杆件应力实测值超出理论值，但差值较小。(3)对比模拟与监测数据可以看出，钢结构连廊在吊装、安装过程中各关键杆件的应力变化较为一致，整体应力水平较低且可控，结构目前处于安全状态。
参考文献
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作者：吴铭昊 单位：福建省建筑科学研究院有限责任公司 福建省绿色建筑技术重点实验室