摘要：為確保鋼桁架結構在安裝過程中的穩(wěn)定性，同時實現(xiàn)結構從施工狀態(tài)到設計狀態(tài)的平穩(wěn)過渡，在拆除支撐架后，由于鋼桁架結構會發(fā)生較大的內(nèi)力重分布現(xiàn)象，因此，結合柳州市鹿寨體育館工程項目實際情況，以保證臨時支撐的穩(wěn)定性及鋼桁架結構的正常使用。本研究采用有限元軟件Midas Gen對臨時支撐卸載過程進行施工模擬，分析卸載過程中的應力及位移情況，并據(jù)此編制大型鋼桁架結構臨時支撐卸載施工方案，以指導現(xiàn)場施工。與此同時，在結構應力及位移較大的部位，運用先進的測量技術進行監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元模擬數(shù)據(jù)展開對比分析。結果顯示：在卸載過程中，鋼桁架結構應力及位移的監(jiān)測值均小于模擬值，符合設計及規(guī)范要求，臨時支撐十分穩(wěn)定，鋼桁架結構達到了預期設計效果。本研究成果能夠為大跨度懸挑鋼桁架結構臨時支撐卸載方案的制定提供借鑒與參考。

關鍵詞：鋼桁架結構；粘接焊接；有限元分析；臨時支撐；施工模擬；施工監(jiān)測

中圖分類號：TG498；TU393.3文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）04-0159-04

Research on construction simulation technology of large-span steel truss structure

—taking Luzhai gymnasium project in Liuzhou city as an example

WANG Tangrui1，ZHANG Wanxia2，LING Jiawen1，WU Changqing2

（1.Guangxi Construction Engineering Fifth Construction Engineering Group Co.，Ltd.，Liuzhou 545001，Guangxi China；2.Liuzhou Institute of Technology，Liuzhou 545616，Guangxi China）

Abstract：In order to ensure the stability of the steel truss structure during the installation process，and to achieve a smooth transition from the construction state to the design state，after the removal of the support frame，the steel truss structure will have a large internal force redistribution phenomenon.Therefore，combined with the actual situa?tion of the Luzhai Gymnasium project in Liuzhou City，in order to ensure the stability of the temporary support and the normal use of the steel truss structure.In this study，the finite element software Midas Gen was used to simulatethe unloading process of temporary support，and the stress and displacement in the unloading process were ana?lyzed.Based on this，the construction scheme of temporary support unloading of large steel truss structure was com?piled to guide the on-site construction.At the sametime，in the parts with large structural stress and displacement，advanced measurement technology is used for monitoring，and the monitoring data are compared with the finite ele?ment simulation data.The results show that during the unloading process，the monitoring values of the stress and displacement of the steel truss structure are less than the simulated values，which meet the design and specification requirements.The temporary support is completely stable，and the steel truss structure has achieved the expected design effect.The research results can provide reference for the formulation of temporary support unloading scheme of long-span cantilever steel truss structures.

Key words：steel truss structure；adhesive welding；finite element analysis；temporary support；constructionsimula?tion；construction monitoring

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對建筑造型多樣化、個性化追求也越來越高。鋼結構具有截面尺寸小、造型優(yōu)美、施工速度快等優(yōu)點。因此，鋼結構得以廣泛應用，特別是在大型公共建筑項目中備受青睞[1-5]。

柳州市鹿寨體育館工程屋面為鋼管桁架單邊大懸挑結構。鋼桁架結構施工難度大，施工方法不當可能會造成結構產(chǎn)生較大豎向變形、拉壓應力過大等問題。鋼桁架結構施工通常采用臨時支撐施工方案，拆撐階段很有可能造成臨時支撐超載失穩(wěn)、鋼桁架結構局部變形過大等問題[6-9]。因此，必須通過施工驗算，制定切實可行的技術措施，確保臨時支撐的安全拆除及拆撐后鋼桁架結構的正常使用。

本文借助Midas Gen軟件，針對柳州市鹿寨體育館工程的鋼桁架結構，在各個施工階段開展數(shù)值模擬分析。在卸載過程中，對關鍵部位的位移及應力實施監(jiān)測，以此確保臨時支撐與鋼桁架的穩(wěn)定性及安全性。

1工程背景

1.1項目概況

柳州市鹿寨體育館工程，建筑結構為框架結構，結構層數(shù)為3層，屋面為鋼管桁架懸挑結構。運動場的東西區(qū)（一側）長141米，寬度46米。其中鋼結構管桁架總跨度為41.8米，懸挑跨度為33.6米。鋼結構部分上部分為東、西2個鋼結構獨立罩棚，罩棚采用空間鋼管桁架結構，分為3個部分，看臺鋼結構罩棚平面呈扇形，相向布置。屋面采用鋼管桁架結構體系，桁架與混凝土柱鉸接，桁架節(jié)點采用鋼管之間直接相貫的焊接節(jié)點。

1.2重點難點分析

（1）本工程含有大量管桁架，節(jié)點連接以相貫焊縫連接為主；因此對鋼結構的制作精度提出了很高的要求；

（2）本工程桁架跨度大，單榀重量大；加大了本工程鋼結構的運輸和吊裝難度；

（3）大懸臂結構的整體卸載；大懸臂結構自重作用下結構的變形大，需要分步、分級卸載，因此卸載過程的施工仿真和卸載順序控制是本工程的關鍵控制工序；

（4）本工程鋼結構外形復雜，施工測量和安裝定位困難。

1.3鋼結構臨時支撐布置

在主運動場東、西看臺屋蓋的施工過程中，采用格構柱作為臨時支撐架。支撐架的基礎設置于主體混凝土結構之上，通過轉換鋼梁座以及混凝土下部設置斜撐柱的方式，對看臺進行加固處理。

本工程主運動場東、西看臺采用雙向鋼桁架，安裝施工過程中以東看臺桁架為主桁架，主桁架需搭設臨時支撐架進行整榀吊裝，相應位置處的次桁架在每兩榀主桁架安裝施工完畢后再進行安裝。

2臨時支撐卸載過程模擬分析

2.1卸載方案

根據(jù)施工方案，卸載過程共分為3個卸載工況，包括卸載前、卸載工況1、卸載工況2和卸載工況3（完成卸載工況）。每次卸載各個節(jié)點卸載值均不相同，每次卸載過程，各個臨時支撐點的卸載位移量如表1所示的臨時支撐位置最大卸載位移為65.9 mm。為了確保施工過程的結構安全，在施工前，卸載工況采用Midas Gen有限元分析軟件進行施工前模擬施工分析。計算荷載僅考慮結構自重，并計入1.1倍節(jié)點重量系數(shù);邊界條件按原設計約束條件施加，臨時支撐支座位置僅約束Z向位移。

2.2施工模擬結果

采用Midas Gen有限元分析軟件分別對卸載前工況、卸載工況1、卸載工況2、卸載工況3（完成卸載）進行模擬，由模擬結果可知，卸載前工況：最大豎向變形為2.9 mm，最大組合應力為18.9 MPa，臨時支撐最大位置反力值為78.3 kN。卸載前工況1：最大豎向變形為21.8 mm，最大組合應力為22.1 MPa，臨時支撐最大位置反力值為55.4 kN。卸載前工況2：最大豎向變形為44 mm，最大組合應力為28.9 MPa，臨時支撐最大位置反力值為32.5 kN。卸載前工況3：最大豎向變形為65.9 mm，最大組合應力為37.8 MPa，臨時支撐最大位置反力值為32.5 kN。

根據(jù)施工模擬結果可知：結構在卸載前后最大變形量為65.9 mm，與卸載過程相協(xié)調，且在結構彈性變形范圍內(nèi)，小于允許變形值L/400；在卸載過程中，桿件最大應力為37.8MPa，小于設計值[σ]=310 MP。因此，通過MidasGen有限元分析軟件在施工前開展的模擬可知，按照所設計的臨時支撐卸載方法，鋼桁架結構各卸載點的變形和應力均滿足設計規(guī)范要求，卸載過程安全。

3臨時支撐卸載方案

為保證桁架結構在安裝期間的穩(wěn)定性，同時確保結構能夠從施工狀態(tài)平穩(wěn)過渡至設計狀態(tài)，在拆除支撐架后，需確保桁架通過內(nèi)、外支座穩(wěn)定受力，且與設計初始位置精準吻合。在此過程中，桁架結構會發(fā)生顯著的內(nèi)力重分布現(xiàn)象，并逐步向設計狀態(tài)過渡。鑒于此，支撐架拆除工作極為關鍵，必須依據(jù)不同的結構形式和支承狀況，確定合理的拆除順序。

3.1卸載原則

卸載實際就是荷載轉移過程，在荷載轉移過程中，必須遵循“變形協(xié)調，卸載均衡”的原則。不然有可能造成臨時支撐超載失穩(wěn)，或者桁架結構局部甚至整體受損[10-12]。

3.2千斤頂卸載法

（1）主桁架安裝前，在支撐架與桁架之間設置可調支撐架，并按設計要求放置千斤頂，確保將接觸面頂緊。

（2）屋蓋整體安裝完成后，根據(jù)卸載步驟及預定卸載釋放量，通過千斤頂多次循環(huán)微量下降來實現(xiàn)“荷載平衡轉移”，按照由中間到兩邊的順序依次卸載。在關鍵支架支撐點部位放置檢測裝置，檢測支架支點軸力變化，確保臨時支架和桁架的安全。

（3）拆除支撐架頂部下弦卸載工具。

3.3卸載措施

本工程支撐架卸載應在主體鋼結構施工完成，屋面板未安裝的前提下進行。為了使鋼結構逐漸進入設計受力狀態(tài)，本工程采用整體卸載，同步，分級循環(huán)釋放的卸載方法。

4卸載過程監(jiān)測方案

4.1監(jiān)測目的與監(jiān)測內(nèi)容

在本工程鋼結構施工中，采用臨時支撐體系，實施分構件吊裝的安裝工藝，待結構組裝完成后拆除臨時支撐。拆除臨時支撐時，支撐與結構的受力狀態(tài)會發(fā)生根本性改變，受力模式從臨時支撐受力轉變?yōu)榻Y構自身受力。為確保結構受力體系能從臨時支撐受力平緩、安全地過渡到結構自身受力，在臨時支撐搭設前，需進行嚴謹?shù)娜^程施工工況模擬計算分析。依據(jù)計算結果，科學合理地設置支撐點、選定支撐體系搭設方案并確定支撐體系卸載工藝方法，同時在施工過程中進行周密細致的組織管理，這些都是至關重要的環(huán)節(jié)[13-15]。

4.2監(jiān)測設備與方法

卸載監(jiān)測是對構件的安全性進行評定，采用光纖光柵應變傳感器實時跟蹤測試現(xiàn)場卸載時的數(shù)據(jù)，將其與材料設計強度進行比較，確定其安全水準。項目采用全站儀監(jiān)測位移較大處的豎向變形。

4.3監(jiān)測點的確定

在卸載前，對所有卸載點的標高進行測量，從中挑選出10個點作為卸載過程中的監(jiān)測點。在卸載前、卸載過程中以及卸載后，隨時對這些監(jiān)測點的絕對標高值進行監(jiān)測，將監(jiān)測數(shù)據(jù)作為屋面下?lián)峡刂频囊罁?jù)。

對于受力較大的桿件，需開展應力、應變實時監(jiān)測工作。分別選取拉應力和壓應力設計值較高的桿件，對其應力、應變情況進行監(jiān)測。

5模擬值與實測值對比分析

通過有限元軟件對工程進行施工模擬，對各監(jiān)測點進行位移及應力監(jiān)測。同時，將監(jiān)測的8個點位的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)及10個點位的應力監(jiān)測數(shù)據(jù)與施工模擬計算結果進行對比[16-18]。位移監(jiān)測對比結果如圖1所示。應力監(jiān)測結果對比如圖2所示。

由圖1、圖2可知，應力及位移監(jiān)測值與模擬值變化趨勢基本一致，2者的監(jiān)測值均低于模擬值，主要原因在于（1）模擬施工分析計算時，有限元軟件對恒載及活載均采用了荷載組合系數(shù)，軟件計算時的荷載遠比實際受力時荷載要大；（2）模擬分析計算時考慮所有荷載同時施加；（3）模擬施工分析計算時未考慮溫度應力；（4）監(jiān)測時基本風壓與實際不同。

6結語

本文依托柳州市鹿寨體育館工程實例，利用Mi?das Gen軟件進行有限元分析，對大跨度鋼桁架臨時支撐卸載技術進行了研究，結論如下：

（1）臨時支撐的卸載順序遵循“變形協(xié)調、均衡卸載”的原則，通過MidasGen軟件模擬結果確定各卸載工況下臨時支撐點的卸載位移量及各個節(jié)點卸載值，通過千斤頂多次循環(huán)微量下降來實現(xiàn)“荷載平衡轉移”。

（2）應根據(jù)設計要求或計算結果，在關鍵支架支撐點部位，放置檢測裝置，檢測支架應力變化，與計算結果對照，根據(jù)結果及時進行調整，確保臨時支架和鋼桁架的安全。

（3）按照該模擬施工方案對鋼桁架結構進行卸載，該鋼桁架結構的位移監(jiān)測值及應力監(jiān)測值均小于模擬值，滿足規(guī)范及設計要求。實踐表明，該施工方案解決了臨時支撐卸載中存在的一些問題，具有一定的應用價值。

【參考文獻】

[1]黃星海，王靜峰，宣明，等.巨型鋼框架上部懸掛下部支承結構施工新技術仿真分析[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2022，45（4）：505-511.

[2]李繼為.大跨度鋼結構連續(xù)剛構橋施工和成橋階段抖振分析[J].金屬功能材料：2023，30（4）：94-99.

[3]陳良，徐宏亮.鹽城體育中心游泳館鋼屋蓋施工及仿真模擬分析[J].特種結構，2022，39（2）：120-124.

[4]王秀麗，馮竹君，任根立，等.大型復雜體育館鋼結構施工過程模擬分析[J].北京交通大學學報，2020，44（6）：17-24.

[5]李文娟，張丹麗，謝強.大跨度空間鋼結構施工拆撐過程仿真模擬分析[J].工業(yè)建筑，2019，49（4）：142-146.

[6]張斌.沿海強風環(huán)境下鋼結構超高層建筑風侵評估與施工技術研究[J].粘接，2023，50（3）：172-177.

[7]劉哲.復雜鋼結構施工及運營過程溫度效應研究[D].天津：天津大學，2018.

[8]王金榮，王秀麗，茍寶龍，等.大型復雜體育館鋼結構吊裝過程溫度影響分析與現(xiàn)場監(jiān)測研究[J].工業(yè)建筑，2023，53（8）：96-101.

[9]郭清燕.南昌綜合廣場大跨度空間異形曲面鋼結構拆撐過程仿真研究[J].工業(yè)建筑，2019，49（1）：144-148.

[10]丁藝杰.某大跨度鋼結構施工過程模擬與監(jiān)測研究[D].西安：西安建筑科技大學，2018.

[11]石開榮，呂俊鋒，姜正榮，等.復雜高層懸掛結構施工過程模擬分析及監(jiān)測研究[J].工業(yè)建筑，2017，47（4）：134-139.

[12]王澤曦，羅杰，肖建春，等．安順市體育中心體育場大跨度懸挑結構卸載方案研究[J]．施工技術，2017，46（18）：26-29.

[13]黃中營，王猛，曹偉，等.北京工人體育場大跨度開口單層拱殼鋼屋蓋卸載技術研究[J].建筑結構，2023，53（6）.

[14]朱建群，曹前.某醫(yī)院高層懸挑鋼連廊設計及施工模擬[J].建筑科學，2016，32（7）：138-142.

[15]李爭，李偉.土木工程結構安全性在線評估及監(jiān)測技術研究[J].粘接，2022，49（6）：138-142.

[16]周金良，李紅現(xiàn)，梁建軍，等.大型機場航站樓北連接體鋼結構屋蓋提升施工模擬分析[J].施工技術（中英文），2023，52（8）：16-22.

[17]沈海英，張瀟南.嘉興萬科鄰里中心懸掛鋼結構施工模擬分析[J].施工技術（中英文），2022，51（21）：119-122.

[18]張忠良.大跨度預應力混凝土剛構連續(xù)梁橋施工技術[J].粘接，2022，49（3）：92-95.

（責任編輯：李睿）