【正文】 tion 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。當(dāng)今社會(huì)，鋼結(jié)構(gòu)建筑的多少，往往可以標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家或者地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。 建筑結(jié)構(gòu)生命周期圖鋼結(jié)構(gòu)能夠依照設(shè)計(jì)要求順利地建造完成，并正常投入使用就具有十分重要的意義。在過(guò)去，國(guó)內(nèi)外一些院校和研究部門(mén)也做出了一些有效的探索工作：國(guó)外的研究開(kāi)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(diǎn)考慮了支撐和混凝土樓板因?yàn)榛炷恋挠不饔枚斐傻膭偠茸兓?。范重等人[18]基于生死單元技術(shù)，對(duì) “鳥(niǎo)巢”施工階段的臨時(shí)支撐體系的反力進(jìn)行了計(jì)算，并估算了臨時(shí)支撐卸載階段鋼結(jié)構(gòu)的變形量。 復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀由于復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)體系龐大復(fù)雜，多樣化的結(jié)構(gòu)施工方式、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)施工工藝都會(huì)對(duì)施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生影響。在1995年，美國(guó)政府更是在90座大壩上安置了監(jiān)測(cè)設(shè)備，取得了良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益?？傮w來(lái)說(shuō)，施工人員針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，選定出最合適的監(jiān)測(cè)技術(shù)及方法。其中全支架法最為常用，適用于一般的散件拼裝過(guò)程；而懸挑法則將部分結(jié)構(gòu)懸挑并將小構(gòu)件運(yùn)送至高空進(jìn)行總拼的情況，從而起到了節(jié)省支架的目的。 分條安裝法分條安裝法[40]是指按照結(jié)構(gòu)的組成特點(diǎn)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(shè)備按照順序依次吊裝至設(shè)計(jì)位置進(jìn)行總體拼裝，從而完成結(jié)構(gòu)整體的安裝方法。由于構(gòu)件通過(guò)滑軌緩慢地運(yùn)送至安裝位置，不需要大型起重機(jī)或牽引設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)，有利于控制施工成本。將網(wǎng)殼在地面上折疊起來(lái)，可以盡可能的降低結(jié)構(gòu)安裝的高度。在施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)期間，依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的人、料、機(jī)配置情況，對(duì)商業(yè)區(qū)斜鋼柱安裝選擇制定合理的施工方法。期間對(duì)懸挑區(qū)域臨時(shí)支撐卸除進(jìn)行模擬仿真。北辰三角洲的西北區(qū)（命名A1地塊）包括酒店、商業(yè)、寫(xiě)字樓等綜合公共建筑共計(jì)32萬(wàn)m2。其次，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工方案確定結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的不同階段，不同施工階段的劃分必須保證結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的分析進(jìn)度，然后適當(dāng)控制階段數(shù)量，減少結(jié)構(gòu)施工工程分析的工作量。懸挑區(qū)域同時(shí)存在部分超重鋼梁截面尺寸大，安裝困難。采用計(jì)算機(jī)仿真分析整個(gè)懸挑區(qū)的安裝過(guò)程，包括位移分析、支撐及卸除過(guò)程分析。大跨梁下支撐點(diǎn)1113號(hào)點(diǎn)在L04安裝完后即可拆除，剩余支撐待懸挑區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)全部完工，并形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系后開(kāi)始卸除。所用馬凳現(xiàn)場(chǎng)用槽鋼直接制作。需要對(duì)吊點(diǎn)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，在吊裝之前應(yīng)根據(jù)斜柱子的角度，計(jì)算出最合適的吊點(diǎn)，以方便現(xiàn)場(chǎng)的安裝。當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入下一個(gè)施工階段時(shí)，新加入的構(gòu)件或荷載會(huì)使結(jié)構(gòu)處于一個(gè)不同的平衡狀態(tài)。生死單元法可以理解為通過(guò)修改單元的剛度矩陣來(lái)模擬施工過(guò)程中構(gòu)件的安拆。整個(gè)施工過(guò)程中，雖然“死”單元的物理、力學(xué)特性為零，但它仍會(huì)跟隨“活”單元發(fā)生應(yīng)變。這樣依照施工順序一邊建立模型一邊求解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變，可以有效地模擬仿真施工全過(guò)程。 有限元模型建立要點(diǎn)北辰三角洲A1地塊懸挑區(qū)結(jié)構(gòu)的不同的施工階段受力明確，需要對(duì)每個(gè)施工階段完成后的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進(jìn)行分析。③根據(jù)工程的施工順序，定義出結(jié)構(gòu)體系的施工階段。A1地塊有限元分析中，對(duì)臨時(shí)支撐、應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)、位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了劃分，最終達(dá)到方便MIDAS/Gen分析操作的目的。 不同施工階段的有限元模型采用MIDAS/Gen對(duì)安裝過(guò)程進(jìn)行模擬，并建立每個(gè)階段的結(jié)構(gòu)模型。鋼結(jié)構(gòu)在施工階段，主要承受豎向荷載，豎向變形最大。懸挑區(qū)域21個(gè)仿真監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)不同施工階段具體的位移值。通過(guò)有限元模擬分析，及時(shí)了解各構(gòu)件的內(nèi)力和位移變化情況，保證構(gòu)件安裝完成后應(yīng)力和位移符合施工規(guī)范、滿足設(shè)計(jì)要求。為最不利支撐，將最先卸除。繼續(xù)卸除4號(hào)支撐，4號(hào)支撐卸除完畢后，在施工階段荷載組合作用下，剩余支撐的應(yīng)力比。繼續(xù)卸除2號(hào)支撐，2號(hào)支撐卸除完畢后，在施工階段荷載組合作用下，剩余支撐的應(yīng)力比。剩余支撐的應(yīng)力比均較小。為使結(jié)構(gòu)位形在施工完成后能夠滿足預(yù)期要求，施工階段必須對(duì)各構(gòu)件的加工和安裝位形進(jìn)行控制。 （a）設(shè)計(jì)位形 （b）安裝位形1 （c）安裝位形2 （d）成型位形 豎向規(guī)則結(jié)構(gòu)安裝變形預(yù)調(diào)示意圖對(duì)于傾斜結(jié)構(gòu)，則與豎向規(guī)則結(jié)構(gòu)不盡相同。鋼柱：L03Z1，L03Z2，鋼梁：L03L1，L03L2，L03L3，L03L4，L03L5。同時(shí)竣工時(shí)，結(jié)構(gòu)的位形滿足預(yù)期目標(biāo)；良好控制竣工時(shí)懸臂底部的撓度，即懸臂底部在結(jié)構(gòu)自重及其它相關(guān)荷載的作用下呈水平或稍微上翹的形態(tài)；施工階段建筑的各類輔助設(shè)備可以安裝就位并投入使用；施工完成后，各結(jié)構(gòu)樓面能夠保持水平狀態(tài)。將采用MIDAS/Gen對(duì)結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐的卸除環(huán)節(jié)進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，再按照“優(yōu)先卸除最不利支撐”的原則依次進(jìn)行卸除。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工安全性的需要，在懸挑區(qū)和大跨梁下設(shè)置臨時(shí)支撐，并且支撐卸除時(shí)必須對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力、位移監(jiān)測(cè)，確保結(jié)構(gòu)安全施工。 振弦式應(yīng)變儀結(jié)構(gòu)示意圖BGK－4000振弦式應(yīng)變計(jì)常用于監(jiān)測(cè)構(gòu)件表面的應(yīng)變。即可以通過(guò)測(cè)量?jī)x器中鋼弦的頻率變化，進(jìn)而了解待測(cè)構(gòu)件的應(yīng)力變化。監(jiān)測(cè)點(diǎn)手架 （a）平面布置圖 （b）仿真模型布置 L00層應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)（共計(jì)6個(gè)點(diǎn)）②根據(jù)結(jié)構(gòu)的特性，在L02層商業(yè)結(jié)構(gòu)斜柱頂端布置振弦式應(yīng)變傳感器。在測(cè)量中，應(yīng)重點(diǎn)考慮溫差、日照對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響。每次監(jiān)測(cè)結(jié)束后，分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)結(jié)果和已有成果，得出的變形規(guī)律及發(fā)展變化趨勢(shì)等信息。 （a） L00層斜鋼柱柱腳編號(hào) （b）L01層斜鋼柱柱頂編號(hào)按照不同的施工階段，采用振弦式應(yīng)變儀對(duì)8處應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)，所得實(shí)測(cè)值與有限元理論模擬值如下表所示。隨施工進(jìn)度確定頻次，擬一周監(jiān)測(cè)一次，當(dāng)變形趨勢(shì)明顯異?；蚪咏畲笤试S變量時(shí)增加變形監(jiān)測(cè)的頻次，每三天監(jiān)測(cè)一次。所以，盡量安排在早晨8:00以前或下午6:00以后進(jìn)行測(cè)量，以更準(zhǔn)確的獲取結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工時(shí)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大的施工階段，即從其結(jié)構(gòu)的L03層頂鋼結(jié)構(gòu)安裝完成時(shí)開(kāi)始，直到L08層鋼結(jié)構(gòu)安裝就位并焊接完成，臨時(shí)支撐全部卸除。（3）應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案 應(yīng)力監(jiān)測(cè)的主要選取位置是柱頂、柱端、大跨梁、懸挑梁[58,59]，這些位置應(yīng)力最為集中，有一定的代表性，通過(guò)對(duì)這些位置的應(yīng)力監(jiān)測(cè)可以了解到結(jié)構(gòu)體系整體的變化，從而保證結(jié)構(gòu)體系在施工階段的安全性。 （2）應(yīng)力監(jiān)測(cè)原理儀器的鋼弦在出廠時(shí)存在著初始應(yīng)力，對(duì)應(yīng)著初始頻率。振弦式應(yīng)變計(jì)與待測(cè)鋼構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)相同，所以很少需要溫度校正。而施工監(jiān)測(cè)是復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)施工控制的重要保障措施，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)參數(shù)，保證結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。其次，詳細(xì)介紹了單元生死法及逐步建模分析法的基本原理及特點(diǎn)。 L03層頂部分構(gòu)件安裝坐標(biāo)計(jì)算名稱設(shè)計(jì)坐標(biāo)(mm)預(yù)調(diào)值(mm)安裝坐標(biāo)(mm)編號(hào)XYZΔXΔYΔZX1Y1Z1L03Z1216 890147 18635 500216 147 35 L03Z2234 090147 18635 500234 147 35 L03L1216 890153 56235 500216 153 35 L03L2225 490155 78635 500225 155 35 L03L3234 090155 78635 500234 155 35 L03L4242 290147 18635 500242 147 35 L03L5225 490147 18635 500225 147 35 預(yù)調(diào)值計(jì)算建立在有限元分析的基礎(chǔ)上，從空間X、Y、Z三個(gè)方向進(jìn)行預(yù)調(diào)?，F(xiàn)依據(jù)MIDAS/Gen有限元分析結(jié)果，得到結(jié)構(gòu)在自重下作用的位移值。也就是說(shuō)，為了使結(jié)構(gòu)竣工狀態(tài)的位形能夠與目標(biāo)位形保持一致，需要在施工階段采取特定的措施來(lái)控制，而最常用的控制方法就是對(duì)結(jié)構(gòu)的施工設(shè)置變形預(yù)調(diào)值。懸挑區(qū)域共布置18處臨時(shí)支撐，其卸除順序?yàn)椋涸贚O4層安裝完畢后，依次卸除1119號(hào)支撐。 8號(hào)支撐卸除完成后支撐應(yīng)力圖8號(hào)支撐卸除完畢后。繼續(xù)卸除6號(hào)支撐，6號(hào)支撐卸除完畢后，在施工階段荷載組合作用下，剩余支撐的應(yīng)力比。 L04層安裝完成后支撐應(yīng)力比支撐號(hào)910111213LO4層安裝完畢13號(hào)點(diǎn)卸除完畢/12號(hào)點(diǎn)卸除完畢//10號(hào)點(diǎn)卸除完畢///11號(hào)點(diǎn)卸除完畢////9號(hào)點(diǎn)卸除完畢/////在完成913號(hào)支撐點(diǎn)的卸除工作后，繼續(xù)安裝結(jié)構(gòu)的上部構(gòu)件，到L08層安裝完成之后，在施工階段荷載組合作用下，繼續(xù)卸除余下所有支撐。北辰三角洲A1地塊懸挑區(qū)域，臨時(shí)支撐點(diǎn)數(shù)量較多且分布廣泛，單點(diǎn)支撐應(yīng)力比較大。 L00層斜鋼柱柱腳布置圖依照不同的施工階段， 選取AAA5三處斜鋼柱柱腳，采用有限元軟件計(jì)算其節(jié)點(diǎn)應(yīng)力比。結(jié)構(gòu)單元在施工階段的變形大小會(huì)關(guān)系到施工安裝及竣工質(zhì)量，基于有限元軟件MIDAS/Gen，對(duì)結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真監(jiān)測(cè)就有著重要的意義。 施工過(guò)程仿真結(jié)果及分析北辰三角洲A1地塊施工過(guò)程計(jì)算中，通過(guò)獨(dú)立建模并分析10個(gè)施工階段，可以了解結(jié)構(gòu)體系的受力及變形情況。綜上，考慮到施工階段的特殊性，施工仿真模擬分析中對(duì)結(jié)構(gòu)的荷載取值與設(shè)計(jì)規(guī)范是有很大的差距的。⑥在結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)算完成后，合理激活預(yù)先設(shè)定的結(jié)構(gòu)組，可以方便查看結(jié)構(gòu)構(gòu)件結(jié)果文件，諸如“應(yīng)力值”、“撓度值”等結(jié)果。軟件基于有限元理論對(duì)結(jié)構(gòu)的整體或局部構(gòu)件進(jìn)行理論分析及設(shè)計(jì)，可以定性定量分析結(jié)構(gòu)體系的受力及變形狀態(tài)。每個(gè)施工階段的有限元方程為：施工第一階段 （） （）施工第二階段 （） （）…… ……施工第n階段 （） （）式中: 為到施工階段時(shí)，結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣； 為到施工階段時(shí)，結(jié)構(gòu)的總位移向量；為到施工階段時(shí)，結(jié)構(gòu)的總節(jié)點(diǎn)荷載向量；為到施工階段時(shí)，結(jié)構(gòu)桿單元的剛度矩陣；為到施工階段時(shí)，結(jié)構(gòu)的幾何矩陣；為到施工階段時(shí)，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力向量。但對(duì)于大型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)類型，采用生死單元技術(shù)進(jìn)行仿真模擬結(jié)構(gòu)的施工全過(guò)程會(huì)存在一定的問(wèn)題。如此反復(fù)操作直至結(jié)構(gòu)達(dá)到竣工狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)分析施工全過(guò)程變目的。目前常用是有限元仿真分析法，主要包括生死單元法和逐步建模分析法?？梢圆捎寐膸У蹩缤獾跹b，履帶吊雙機(jī)抬吊等措施。標(biāo)高固定后，將兩節(jié)對(duì)接的鋼柱分別放置在馬凳上。第三道措施用[10的槽鋼將支撐與鋼柱進(jìn)行連接，拉條高度設(shè)置在支撐高度的2/3以上?，F(xiàn)對(duì)北辰三角洲A1地塊臨時(shí)支撐的布置進(jìn)行介紹：（1）臨時(shí)支撐布置位置 斜柱支撐位置示意圖，斜柱支撐布置于斜鋼柱接口處，共布置7處支撐，方便斜鋼柱的對(duì)接安裝，增加施工過(guò)程中的安全性。在進(jìn)行大跨梁安裝時(shí)，應(yīng)合理布置臨時(shí)支撐點(diǎn)，以保證整個(gè)施工過(guò)程的安全。第六，根據(jù)階段控制目標(biāo)，通過(guò)預(yù)變形，預(yù)起拱等技術(shù)對(duì)施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)、內(nèi)力與穩(wěn)定等進(jìn)行控制。懸挑區(qū)域結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、施工面積大、工程整體工作量大、單體構(gòu)件較重、空間定位困難，施工難度很大。（4）理論模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析工程采用振弦式應(yīng)變儀對(duì)指定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行分析比對(duì)。在結(jié)構(gòu)施工階段獲取可靠的監(jiān)測(cè)結(jié)果，方便判別結(jié)構(gòu)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)。采用施工過(guò)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(shí)用價(jià)值。常采用的方法包括：整體吊裝法、整體提升法、整體頂升法。福建省漳州市后石電廠圓形煤場(chǎng)網(wǎng)殼工程的施工中就采用該方法。在北京奧運(yùn)會(huì)主場(chǎng)館“鳥(niǎo)巢”即采用散裝法施工。因此，對(duì)于每個(gè)不同的建筑，都會(huì)存在著一個(gè)不同的結(jié)構(gòu)體系，合理制定施工方法將直接關(guān)系到工程的施工安全性、進(jìn)度、竣工質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)成本。歐進(jìn)萍院士等人針對(duì)渤海的海洋平臺(tái)研究開(kāi)發(fā)了安