新型大跨度空间结构施工拼装温度方案合理性数值研究

周 峰 崔理纲 刘 凯

(南昌工程学院土木与建筑工程学院，南昌330099)

1 引言

众所周知，与常规建筑结构相比，大跨度空间结构往往施工难度较大，且施工过程受力较复杂，因此，多年来国内外学者针对此方面的研究较多。如西安建筑科技大学郝际平等［1］对26届世界大学生运动会主体育场的施工过程进行了实测与模拟分析，贠广民［2］与彭玉丰等［3］分别对张弦梁和大跨度桁架结构进行了施工过程分析，但焦点大都集中在施工过程中拼装受力分析，对空间结构施工过程中合理温度模型的研究较少。本文以国家游泳中心结构为例，在对其施工拼装过程进行数值分析的同时，探讨了不同温度模型对结构拼装所产生的影响(温度应力方面)，最后给出了较优的施工拼装温度计算模型，为日后的工程实践提供依据。

2 大跨度空间结构施工过程受力分析方法

2．1 施工过程模拟方法

经典力学(如材料力学、结构力学和弹塑性力学等)所研究的对象都属于外部条件(如环境荷载)随时间发生变化，但内部条件(如结构物理特性)为稳定不变的情况，而施工力学的主要特点是研究对象的特征参数、边界条件、材料性能等是随时间发生变化的，因此其控制方程应为变系数(常、偏)微分方程组。

施工阶段结构分析方法主要包括正装分析法、倒拆分析法和分段综合分析法三种。

数值分析方法又主要包括有限单元法、拓扑变化法和时变单元法。

本文以实际工程为例进行施工过程及卸载过程的数值模拟分析工作。根据结构的自身特点、结构的施工及卸载方案，本文采用正装分析法，利用ANSYS有限元分析软件，运用单元的“生死”特性，来实现结构施工及卸载过程的模拟分析。

2．2 大跨度空间结构施工过程有限元建模

施工阶段结构有限元模型的建立需要利用单元的“生死”特性模拟结构杆件的安装、焊接情况:当杆件未焊接时意味着杆件对结构不提供刚度，模拟时需要将其杀死;而当结构杆件安装并焊接完成时，就需要将其激活，以考虑结构杆件对结构整体的刚度贡献，其有限元计算模拟原理如下所示。

对于杆系结构或空间网格结构，假设结构在施工过程中分为 n个施工步骤，即分为1，2，3，…，n个施工段进行施工，则结构在每个施工段的有限元基本方程为［3］:

第1个施工阶段:

第2个施工阶段:

第n个施工阶段:

式中 ［Ki］——第i施工阶段中i单元块相对应的结构总刚度矩阵;

［ki］——第i施工阶段中非完整结构的杆单元刚度矩阵;

{Ui}——第i施工阶段中非完整结构的位移向量;

{Pi}——第i施工阶段中i单元块安装时的结构节点力向量;

［Ai］——第i施工阶段中非完整结构的几何矩阵;

［Ni］——第i施工阶段中非完整结构的内力向量。

结构最终的内力及位移为

该施工拼装模拟方法可以将前一施工阶段构件内力和变形的终态保留，并带入下一施工阶段，作为下阶段的初始状态，从而可实现结构新构件与荷载的持续添加及改变。该施工过程的模拟分析为非线性分析过程。

3 钢结构施工全过程数值研究

3．1 结构有限元模型建立

本文采用大型有限元分析软件ANSYS建立了结构整体有限元模型及施工安装模型，钢结构单元总数为91 855个(其中包含有Mass21质量单元 10 075个、Beam189梁单元 36 626个、Pipe20管单元45 154个)，节点总数为14 4981个，节点之间的连接全部为刚性连接，钢结构整体有限元模型如图1所示。Mass21单元用于模拟节点球的质量，Beam189单元用于模拟结构的上下弦杆，而Pipe20单元用于模拟结构的腹杆。

图1 国家游泳中心结构有限元模型Fig．1 Finite element model of National Aquatics Center

为了减小结构的下弦挠度值以满足设计规范的要求，结构在实际施工过程中对结构跨度最大的屋盖(R3区，即场馆区)采取了预起拱措施，起拱形式为环状起拱，起拱高度约为 11．7 cm［4，5］。

3．2 施工拼装方案

为了使计算模型能够反映结构真实的受力状态，本计算模型按照实际情况对模型的各节点进行了更新，以模拟起拱高度对结构各节点水平及竖向位移的影响，起拱形式如图2所示。

图2 结构预起拱示意图Fig．2 Pre-arching mode of structure

钢结构总体施工顺序是先进行墙体施工，形成受力支撑后，再进行屋盖钢结构的施工。

根据本工程钢结构形式特殊、施工难度大、空间定位难的特点，墙体外表面和屋盖下表面采用小刚度单元地面拼装+高空散装连接法进行安装;墙体中间层、墙体内表面和屋盖中间层、屋盖上表面采用高空散装法进行安装。

施工拼装顺序为:首先进行墙体拼装，墙体形成整体后，进行屋盖下弦平面的安装，屋盖下弦拼装完成后，以屋盖下弦平面为基准，最后，进行屋盖腹杆及上弦的拼装。在施工过程中，需考虑屋盖预起拱导致的节点球坐标改变。

结构整体的施工拼装分8个阶段完成，其示意图如图3所示。

结构整体拼装完成后，即进行结构的施工卸载作业，施工卸载分为3次，分别为墙体的一次性卸载和屋盖的2次性卸载。

图3 施工拼装各阶段示意图Fig．3 Stages for construction assembly

3．3 钢结构施工全过程温度模型

大量的实践表明，大跨度空间结构施工过程对温度十分敏感。本文对结构施工拼装过程的温度效应进行了研究，揭示不同温度对结构拼装应力的影响。本文按照温度统计值、温度实测值、月温度均值、月温差最大值、月温差最小值5种原则分别确定了6种温度施加方案，如表1所示。

表1 温度施加方案确定原则Table 1 Principles for confirming temperature plans

结构设计时所采用的施工温度施加方案为方案Ⅴ:按照统计月最小温差取值，即夏季合龙基准温度取低值，冬季合龙基准温度取高值，春、秋季合龙基准温度取均值。本文分别对确定的6种温度方案进行分析，最后给出较为合理的温度施加方案，为日后的工程实践提供参考。

温度具体取值时，本文参考了北京市气象台按月统计的气象数据，表2、表3分别给出了北京市气象台历史气象信息的统计值及2005年6月至2006年6月结构施工期间北京市大气温度的实测值。

表2 北京市气象台历史气象信息统计值Table 2 Historical weather information of Beijing

表3 2005～2006年北京市气温实测值Table 3Measured temperatures in Beijing 2005－2006

由于处于空气中物体的温度分别来源于大气和太阳辐射，尤其当物体表面的颜色较深时，会加剧太阳辐射热量的吸收。本工程结构构件出厂时出于防锈的需要，喷涂过防锈漆，该漆颜色为灰黑色。显然，太阳辐射对钢构件温度的影响不可忽略。经2006年6月的现场实地测量，上午时分，当大气温度约25℃时，钢结构表面温度可达约42℃，可见太阳辐射会大幅度提升结构的表面温度。

基于实测数据，本文对太阳辐射导致升温的处理如下:由太阳辐射导致的夏季温升取+20℃，春、秋季温升取+15℃，冬季温升取+10℃。

基于以上的太阳辐射导致升温的原则，并结合表1的温度施加方案确定原则、表2和表3的北京市历史温度信息，确定结构的施工期合龙温度最终选取方案如表4所示。

考虑到温度应力是由材料的热膨胀和弹性模量发生变化所导致的，根据材料力学理论，数值模拟时，其温度对钢材应变遵循下式规律［6，7］:

ε=α·△t·E0(1－γ·△t) (9)式中，ε为温度导致的应变变化量;α为我国钢结构规范规定的常温下钢材的热膨胀系数，其值为1．2×10－5·(m·℃)－1;△t为温度变化量;E0为常温下钢材的弹性模量，其值为2．06×1011Pa;γ为温度对弹性模量的影响系数，其值为0．036%。

表4 施工期合拢温度选取方案Table 4 Temperature plans for closure construction

3．4 钢结构施工全过程温度效应分析

按照上述确定的施工期温度选取方案，本文对结构的8个施工阶段及最后的卸载阶段(共9个阶段)进行了数值模拟，研究了不同温度方案(共6个温度施加方案)影响下的结构施工应力特点。数值模拟时，参考基准温度取值为20℃，其部分分析结果如图4和图5所示。

图4中给出了不同温度施加方案影响下，第1施工阶段墙体中某一位置外墙、内墙及腹杆的应力在结构整体施工过程中(9个阶段)的应力变化全过程。从图中可知，不同的温度合龙方案，其结构内力的变化幅度相差数倍，且当温度施加方案按照统计月最小温差取值时，对应的结构施工应力最小。如按照此温度方案进行设计，并指导实施，将会是不合理的，不能够充分考虑施工期温度效应给结构造成的不利影响，易导致施工事故的发生。

图4 不同温度施加方案的施工过程中墙体杆件应力变化全过程Fig．4 Variations of stress of wall bars for different construction stages

图5 不同温度施加方案的部分结构杆件应力变化统计Fig．5 Statistics of structural construction stresses with different temperature plans

从图4中还可看到，随施工进度，墙体外弦杆的应力水平呈单调增大趋势;墙体内弦杆应力水平呈增大趋势，但不具有单调性;墙体腹杆的应力水平逐步降低，也不是单调的。

从图4中还可得知，按统计月最小温差计算得到的结构应力最小，按统计月最大温差计算得到的结构应力最大。如按照前者计算，过于不安全;如按照后者计算，又过于保守，且两者结果相差数倍，可见温度对其影响较大。

按实测温度计算时，实测平均气温及实测月最大温差计算的结果较为接近。考虑到这两种温度的取值也较为符合实际情况，且计算结果数值介于统计月最小温差与统计月最大温差之间，与统计月平均气温接近，因此，实际进行工程设计时可按照统计月平均气温取值，这样才会较为合理。

图5中给出了不同温度施加方案的结构部分杆件(250根结构杆件)应力变化值(与不考虑施工过程的结构设计应力比较)。从图中可以看出，按照统计月最大温差计算，结构内力变化最大，且部分杆件会进入塑性，由温度变化导致的应变变化幅度超过了200 MPa，显然过于保守;按照统计月最小温差及实测月最小温差计算时，由施工导致的结构应力变化值最小，显然过于不安全;按实测月最大温差和实测月平均气温计算的结果较为接近，温度的取值也较为合理，且与统计月平均气温的计算结果接近，应力变化最大幅度不超过120 MPa，均值约25 MPa。因此，可将统计月平均温度作为设计时的参考温度值，该结论和上述所得结论一致。

4 结论

本文统计并建立了北京地区的全年温度模型，在此基础上对钢结构施工过程中的温度效应进行了数值研究，最后提出了较合理的温度模型选取方案，主要结论有:

(1)不同的温度合龙方案，其结构内力的变化幅度可相差数倍;

(2)实际工程中所采用的按统计月最小温差进行合龙温度的取值过于理想化，不符合实际情况;

(3)按统计月平均气温进行温度取值较为符合实际情况，且其分析结果与实测温度分析结果较为接近。

［1］ 田黎敏，郝际平．大跨度空间钢结构的施工过程模拟分析及研究［D］．西安:西安建筑科技大学，2010．Tian Limin，Hao Jiping．The analysis of constructional simulation of the large-span spatial steel structure［D］．Xi’an:Xi’an University of Architecture and Technology，2010．(in Chinese)

［2］ 贠广民．张弦梁结构的设计与施工［J］．结构工程师，2004，20(4):1-4．Yun Guangmin．Design and construction of beam string structures［J］．Structural Engineers，2004，20(4):1-4．(in Chinese)

［3］ 彭玉丰，罗永峰．大跨度钢桁架吊装过程分析［J］．结构工程师，2011，27(4):1-5．Peng Yufeng，Luo Yongfeng．Hoisting analysis of a large-span spatial truss［J］．Structural Engineers，2011，27(4):1-5．(in Chinese)

［4］ 傅学怡，顾磊．国家游泳中心水立方结构设计［J］．建筑结构，2006，36(增刊):1-5．Fu Xueyi，Gu Lei．Design of National Aquatis Center［J］．Building Structure，2006，36(Supplement):1-5．(in Chinese)

［5］ 李时，汪大绥．弦支骨架结构体系在上海某艺术中心的应用［J］．结构工程师，2010，26(5):1-6．Li Shi，Wang Dasui．Application of the cable-stayed skeleton structures on the scheme design of an arts center in Shanghai［J］．Structural Engineers，2010，26(5):1-6．(in Chinese)

［6］ 刘泽祺，李铁英．大跨度空间网架结构的温度及火灾分析［D］．太原:太原理工大学，2012．Liu zeqi，Li tieying．The analysis of temperature and fire of large-span truss structure［D］．Taiyuan:Taiyuan University of Technology，2012．

［7］ 刘佳坤，肖建春，马克俭．太阳辐射对大跨度空间结构影响的研究现状［J］．贵州工业大学学报，2008，37(4):1-4．Liu Jiakun，Xiao Jianchun，Ma Kejian．Current research situation of the influence of solar radiation on long-span spatial structures［J］．Journal of Guizhou University of Technology，2008，37(4):1-4．(in Chinese)