【正文】 的施工監(jiān)測方案；定量分析結構構件受力變化。通過計算機仿真分析及實時監(jiān)測，更能夠及時了解施工過程中結構的薄弱環(huán)節(jié)，提高工程施工階段操作的安全性；保障施工方法的經濟合理；節(jié)約我國的人力資源、物力資源，做到了資源的合理配置；保障了我國重點、難點項目施工項目的建設；保障了人民的生命財產安全。更將我國復雜鋼結構施工階段的研究引入了良性發(fā)展的快車道[7]。 復雜鋼結構施工仿真研究現(xiàn)狀復雜大型鋼結構建筑越來越多，這推動著結構施工方法的不斷進步。伴隨著計算機的廣泛應用、有限元分析理論的不斷完善，施工模擬仿真分析應運而生。它是復雜鋼結構施工領域最為前沿的研究熱點，也是鋼結構施工體系將來要著重發(fā)展的方向。在過去，國內外一些院校和研究部門也做出了一些有效的探索工作：國外的研究開展于1982年，劉西拉、WaiFa [8~11]，利用有限元方法分析了施工荷載在彈性支撐桿件條件下的傳遞情況，并重點考慮了支撐和混凝土樓板因為混凝土的硬化作用而造成的剛度變化。他們建立了一套較為完整的施工模擬方法，在當時產生了較大的影響，并為施工人員帶來了極大便利。國內的研究開展于1996年，李耀良基于虛擬施工平臺，以鋼結構施工為對象構建了虛擬建造理論體系[12]，并在上海正大商業(yè)廣場項目及廣州體育館等項目的鋼結構施工中得到運用，順利解決了諸如構件節(jié)點多、安裝空間狹窄等問題，為該研究領域作了非常有成效的探索。2004年，張宏勝則是對具體的鋼結構工程進行有限元仿真分析[13]，通過分析施工階段中構件及結構體系的力學性能，達到控制結構的安裝誤差、優(yōu)化施工過程的目的。之后國內的一些學者分別針對不同的結構類型展開了研究，2007年，張慎偉、張其林等人針對北京奧運會主場館的雙向張弦網格結構，分別進行了施工過程的仿真分析計算和施工過程監(jiān)測[14]，結果顯示該分析軟件和技術方法可以有效的對大型復雜鋼結構進行仿真分析。杜楊等人針對大跨斜拉結構[15]、蔣順武等人針對巨型網格結構[16]、謝國昂[17]等人針對“水立方”的多面體空間剛架結構分別進行仿真分析的研究，均取得了良好的結果與效應。他們的這些有益的探索，表明了有限元仿真分析在不同結構類型的復雜鋼結構工程施工中的普遍應用性。國內的學者結合大型工程項目，對選取合理的技術方法對結構的施工階段進行仿真分析進行研究。范重等人[18]基于生死單元技術，對 “鳥巢”施工階段的臨時支撐體系的反力進行了計算，并估算了臨時支撐卸載階段鋼結構的變形量。通過研究不同施工順序對結構的影響，指出施工順序的不同將對竣工后的內力與變形有顯著的影響。趙長軍、范重等人以蘇州火車站鋼結構施工過程為實例[19，20]，基于SAP2000對屋蓋結構分期施工和桁架分片滑移施工進行了仿真分析，而且進一步分析了結構的分步卸載施工。劉為俊、任志剛[21]等人以黃石體育館工程為背景，詳細介紹了有限元模型的建立要點，并基于MIDAS/Gen軟件，采用狀態(tài)變量疊加法對其鋼屋蓋的施工全過程進行了仿真分析。田黎敏、郝際平[22]等人以深圳世界大學生運動會主體育場工程為例，采用MIDAS根據(jù)實際施工情況對結構進行全過程模擬分析，確定了實際施工順并驗證了施工方法的正確性。通過分析不同的施工階段，針對各個施工階段有限元模擬分析的理論值與施工監(jiān)測的實測值進行比對，找到其變化規(guī)律，可以對施工全過程仿真分析的實用性、可行性進行了驗證，為制定復雜鋼結構的施工方案提供了可靠的參考依據(jù)。國內外眾多學者的研究范圍中，針對懸挑區(qū)的結構仿真分析及施工監(jiān)測的研究尚不多見。本文將以此開展研究，分析此類工程的應力及變形特點，可以為工程實踐提供良好的借鑒。 復雜鋼結構施工監(jiān)測研究現(xiàn)狀由于復雜鋼結構體系龐大復雜，多樣化的結構施工方式、復雜的結構施工工藝都會對施工過程中結構的受力產生影響。與此同時，這些因素它們又是相互聯(lián)系的，也會增大結構施工階段應力分析的難度。除此之外，在施工過程中更存在著許多未知的因素，都會造成結構在施工期間的安全性能降低，嚴重的情況會導致復雜鋼結構在施工中發(fā)生塌陷、失穩(wěn)破壞等事件。為了了解施工過程中結構實際受力狀態(tài)及變化情況、為了施工全過程結構的安全性得到保證，施工監(jiān)測的研究和應用進入了一個高速發(fā)展期。上世紀80年代初，日本在建造Yokohama橋和Chichby橋時，以先進的計算機聯(lián)網數(shù)據(jù)傳輸技術為平臺，研發(fā)了一套自動監(jiān)測系統(tǒng)。在此套系統(tǒng)中，可以快速比對分析施工過程中設計預期值與實測參數(shù)。采用此項技術，可以大幅度提升工程施工進度，并提高工程施工過程的安全性和構件安裝精度，為施工監(jiān)測技術提供了良好的借鑒[23]。上世紀80年代末，美國在數(shù)座橋梁上布置監(jiān)測設備，通過環(huán)境荷載、局部應力狀態(tài)的監(jiān)測結果，并與設計結果進行比對分析，可以實時監(jiān)視工程的施工質量和評定橋梁使用年限內安全狀態(tài)。在1995年，美國政府更是在90座大壩上安置了監(jiān)測設備，取得了良好的經濟及社會效益。通過借鑒國外的先進技術，自上世紀90年代初開始，國內的一些重要的橋梁上也布置了監(jiān)測系統(tǒng)以監(jiān)測施工及施工階段的安全性能。香港首先在新建成的汲水門等橋上安裝了 “結構健康監(jiān)測系統(tǒng)”，通過監(jiān)測外來荷載(如車輛荷載、風荷載等)對橋梁受力的影響以確保橋梁在運營階段的安全性能。我國內地，主要在長江沿線的幾座重要大橋，如南京長江大橋、江陰長江大橋上面安裝了不同的傳感器，通過監(jiān)測大橋運行過程中的各種情況的反應，以保證其使用過程中的安全性[24，25]。歐進萍院士等人針對渤海的海洋平臺研究開發(fā)了安全監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測整個海洋平臺的運行情況，取得了良好的經濟效益及社會效益[26]。李愛群和丁幼亮[27]采用小波分析等實現(xiàn)了潤揚大橋的損傷預警，并且以此技術為基礎編著了《工程結構損傷預警理論以及應用》。在大型復雜鋼結構的健康監(jiān)測系統(tǒng)中，業(yè)界都還缺少系統(tǒng)的理論體系研究和較大規(guī)模的應用實例，目前已應用的技術絕大多數(shù)都是直接監(jiān)測工程中特定構件的靜態(tài)工作狀態(tài)。高世峰等[28]在浙江美術館的施工過程中，采用振弦式應變計對施工過程進行了應力監(jiān)測，并通過傳感設備獲取施工階段的應力應變特性；浙江大學的羅堯治教授等[29]采用了先進的光纖光柵技術實施應用于施工過程的監(jiān)測；夏峰林、高博青等[30]采用振弦式傳感器進行應力監(jiān)測，在杭州大劇院鋼網殼結構施工過程中得到了運用；同濟大學的張慎偉、張其林等人[14]采用EM型傳感器對中國航海博物館施工階段中鋼索應力進行了監(jiān)測；東南大學[31]在南京國際展覽中心鋼屋蓋的鋼拱架（單重達120T）吊裝過程，采用DH5932動態(tài)應變儀進行了實時監(jiān)測；彭明祥和張棍等人[32~34]對CCTV主樓的合攏施工階段進行了應力和應變等多項監(jiān)測，確保了其施工的安全性；在廣州國際會議展覽中心 [35]施工中通過利用各類先進測量儀器對張弦桁架的施工進行了變形監(jiān)測；在北京奧運會主體育場館“鳥巢”的施工過程中，曾志斌和張玉玲等人 [36，37]采用應力應變和溫度監(jiān)測系統(tǒng)對結構的卸載階段進行了全過程監(jiān)測，既體現(xiàn)“科技奧運”的主旨，也保證了整個奧運會階段的監(jiān)測任務的圓滿完成，在業(yè)界產生了深遠的影響。總體來說，施工人員針對施工現(xiàn)場的具體情況，選定出最合適的監(jiān)測技術及方法。繼而通過技術方法對施工階段是重要環(huán)節(jié)或重要構件進行實時監(jiān)測，掌握其動態(tài)變化規(guī)律，進而掌握影響施工安全、控制工程質量的關鍵要素在施工過程中的變化規(guī)律，并以此規(guī)律為依據(jù)對下一階段的施工方案進行相應調整，以保證工程施工順利完成、竣工形態(tài)滿足設計要求。 復雜鋼結構施工方法復雜鋼結構的結構形式復雜多變也決定了其施工方法的多樣。在工程實踐中，勞動者及工程師們依靠他們的智慧，因地制宜地創(chuàng)造出眾多的施工方法，不同的施工技術方法都其對應的工程適用領域和技術特點。因此，對于每個不同的建筑，都會存在著一個不同的結構體系，合理制定施工方法將直接關系到工程的施工安全性、進度、竣工質量及經濟成本。以下將對復雜鋼結構的部分施工方法的進行簡單的說明和介紹。 高空散裝法高空散裝法[38，39] 指的是將建筑結構的散拼構件運送至設計位置，并總拼成一個整體的施工方法。該方法又可以分為全支架法和懸挑法。其中全支架法最為常用，適用于一般的散件拼裝過程；而懸挑法則將部分結構懸挑并將小構件運送至高空進行總拼的情況，從而起到了節(jié)省支架的目的。相比全支架法，懸挑法可以節(jié)約施工成本，但也要求懸挑部分結構的剛度須滿足一定要求。高空散裝法的優(yōu)點是可以用簡單的起重運輸設備對構件進行垂直運輸，如果單個構件的質量輕，不使用起重設備亦可完成拼裝，該施工方法適用范圍廣泛、受場地限制少。缺點是施工現(xiàn)場的高空作業(yè)多，工程質量不易保障，施工階段更要預先搭設拼裝支架，會耗用大量的建筑材料。，在北京奧運會主場館“鳥巢”即采用散裝法施工。 國家體育場結構施工高空散裝法在施工階段，影響結構體系的受力性能包括以下環(huán)節(jié)：①結構安裝順序的確定；②各個結構標高的核定；③臨時支架結構的強度卸載及拆除方法。因此，在結構施工之前，需要依據(jù)施工現(xiàn)場的實地條件制定多種施工安裝方案，并對臨時支架結構進行強度、穩(wěn)定及變形驗算，使其均能滿足規(guī)范要求。再對各種施工方案進行數(shù)值模擬分析，以確定安全可行、快速便捷、經濟環(huán)保且使結構最終的內力與變形狀態(tài)最為合理的方案。 分條安裝法分條安裝法[40]是指按照結構的組成特點將其整體劃分成直線型條狀或平面型塊狀單元，使用起重設備按照順序依次吊裝至設計位置進行總體拼裝，從而完成結構整體的安裝方法。其主要特點: ①大部分拼裝、焊接工作都需要地面進行，高空作業(yè)量很少，更加利于控制工程的質量；②僅需要少量的拼裝支架，節(jié)約工程成本；③根據(jù)場地已有起重設備的起重能力決定分條或分塊單元重量，做到了靈活多變，并可有效降低成本。在分條安裝法施工過程中，影響結構體系及施工系統(tǒng)受力性能的關鍵環(huán)節(jié)包括:①劃分桁架或網架單元；②需要對網架或桁架的撓度進行調整，這要求施工人員在施工中采取預起拱措施，用來保證施工完成后結構標高滿足預期要求；③嚴格控制網架尺寸。首先需驗算吊裝單元及起重設備的起吊能力；根據(jù)施工現(xiàn)場條件建立有限元模型，并依據(jù)施工方案進行數(shù)值仿真分析，確定經濟合理、安全性高且使結構最終狀態(tài)下內力與變形最為合理的拼裝順序。，福建省漳州市后石電廠圓形煤場網殼工程的施工中就采用該方法。 高空滑移法高空滑移法[41~43]指的是根據(jù)施工方案將滑軌在特定的位置安好，并利用滑軌將結構滑移至預先設定的位置，再將結構單元在設計位置拼裝成整體的方法。高空滑移法的操作大部分是在高空中移動安裝構件，且諸多設備布置于建筑結構的四周，施工階段受建筑物結構內部作業(yè)的影響非常小。滑移下部的施工平臺可同時進行其它結構的施工，從而實現(xiàn)空間范圍內的平行施工，可以大幅度節(jié)約工期。由于構件通過滑軌緩慢地運送至安裝位置，不需要大型起重機或牽引設備就可以實現(xiàn)，有利于控制施工成本。，在北京奧林匹克籃球館的施工中就采用該方法，設置了特定的滑移軌道對結構進行安裝。在滑移法施工過程中，影響施工過程中結構受力的關鍵環(huán)節(jié)包括：①頂錐點數(shù)量和布置位置的確定；②滑移軌道數(shù)量及位置的確定；③滑移過程中會存在著軌道卡住構件的情況，這就要求在施工中要緩慢平穩(wěn)地滑移，且每隔一段時間監(jiān)測待裝構件與滑軌的相對位置，以保障滑移過程的同步協(xié)調性；④結構梯形邊界條件的變化。 整體安裝法整體安裝法[44]是指依照結構的最終成型狀態(tài)，將結構在胎架或地面上整體拼裝完成后，再用起重設備運送至目標位置進行安裝的施工方法。常采用的方法包括：整體吊裝法、整體提升法、整體頂升法。比起其它安裝方法，整體安裝法具有以下優(yōu)點：①在地面或胎架上整體拼裝完成，減少了高空作業(yè)量，提高安全性能；②可以依照施工現(xiàn)場的實際情況，選取提升設備，既可以采用拔桿或者起重設備進行吊裝，也可以采用千斤頂進行頂升，非常靈活方便；③整體安裝法對臨時支撐需求較少，有利于節(jié)約成本。，深圳信息職業(yè)技術學院游泳館的屋蓋鋼結構施工就是先在地面上將桿件焊接成屋蓋梁，再采用整體吊裝法將其吊裝到設計位置處進行連接安裝。 深圳信息學院游泳館屋蓋梁實際施工圖 折疊展開安裝法折疊展開安裝法[45]廣泛應用于網殼等大跨度鋼結構的施工，其基本方法是將網殼體系中的某些特定桿件拆掉，使結構由原先的靜定體系變成一個可變體系。將網殼在地面上折疊起來，可以盡可能的降低結構安裝的高度。，現(xiàn)場施工人員可以在靠近地面的高度對構件進行安裝，然后通過起重設備提升等方法將處于折疊狀態(tài)的網殼沿其豎向自由度提升到設計標高，最后補齊尚未安裝的那部分桿件，使結構形成一個靜定體系并最終成型。 （a）地面安裝，準備提升（b）提升過程（c）提升就位 折疊展開施工法施工示意圖 本文的主要研究內容復雜空間鋼結構的施工的過程中通常會伴隨著受力特性和結構形態(tài)的變化，各個施工階段的邊界及荷載條件也會發(fā)生轉變。施工過程中結構的受力狀態(tài)與設計狀態(tài)存在著明顯的差異，造成各施工階段的應力、位移變化。采用施工過程仿真分析與施工監(jiān)控就具有重要的理論意義和工程實用價值。位于湖南省長沙市的北辰三角洲的西北區(qū)（命名A1地塊）大型商業(yè)綜合體是一個復雜空間鋼結構。本文針對這部分A1地塊項目懸挑區(qū)域，進行施工全過程仿真分析與施工監(jiān)測，有如下的研究內容:（1）復雜鋼結構的安裝方法分析復雜鋼結構的施工方法很多，對于不同形式、類別的結構，所選用的安裝方法也是不同的。通過查閱有關復雜鋼結構施工技術的書籍，結合實際工程，對常用的和不常用安裝方法進行概括和總結，并對各個方案的特點和適用范圍進行歸納。在施工現(xiàn)場實習期間，依據(jù)施工現(xiàn)場的人、料、機配置情況，對商業(yè)區(qū)斜鋼柱安裝選擇制定合理的施工方法。（2）施工過程監(jiān)測對結構的商業(yè)區(qū)懸挑區(qū)的施工過程采取監(jiān)測：懸挑區(qū)域總計布置32支BGK4000振弦式應變儀，其中商業(yè)區(qū)L00層結構柱腳設置6個監(jiān)測點，每個監(jiān)測點對稱布置4支應變儀；L01 層商業(yè)區(qū)結構斜柱頂端設置2個監(jiān)測點，每個監(jiān)測點對稱布置4支應變儀，對結構進行應力監(jiān)測。此外，在A1地塊懸挑區(qū)域施工階段對構件撓度進行監(jiān)測，工程共擬定4個監(jiān)測基準點，共計布置21個撓度監(jiān)測點。監(jiān)測點設置在構件變形量大的位置，如在懸挑梁、大跨梁的正面或側面。在結構施工階段獲取可靠的監(jiān)測結果，方便判別結構不同施工階段的受力狀態(tài)和性能，為下一階段施工方案的制定提供依據(jù)。（