1. 引言

随着我国经济水平及土木工程建造水平迅速提升，建筑结构的形式趋于多元化[1]。其中大跨度空间钢结构具有结构轻柔、外形美观、优良的抗震性能等特点相较于传统结构有独特的优势，具备更良好的实用性[2]-[4]。目前大跨度钢结构施工技术已经在建筑领域得到了广泛应用，随着钢结构建筑的跨度不断增加、结构形式愈加复杂以及施工工艺的持续进步，施工过程中面临的问题也日益增多，特别是在结构受力和变形方面的关注显著提高[5]。随着大跨度空间结构的监测技术日益完善，既保障了复杂施工过程的顺利实施，又可将监测得到的数据与数值模拟相结合具有重要意义[6] [7]。

针对大跨钢结构项目的施工监测与数值模拟分析相关的研究已有众多学者开展了一系列研究，宋玉普等[8]，通过大跨度钢结构网架的模态应变分析，利用模态应变参数与构件损伤变形之间的映射关系建立神经网络，通过这种形式确定受损结构杆件的具体位置。雷素素[9]等以某钢结构屋盖施工过程为项目背景，选取关键杆件进行应力应变监测，依据施工方法的不同提出不同的监测指标及监测工具，对结构施工过程的受力特征、变形与部分施工质量问题进行详细监测和检查。吴帅[10]等考虑到大跨空间钢结构施工过程中的加载、卸载及拆除杆件后补杆件的操作会引起空间结构的应力重分布，若盲目施工会造成结构发生塑性破坏，因此依托于有限元工具模拟结构的施工过程针对性地制定了安全可靠的施工方案。王秀丽等[11]等利用abaqus有限元软件模拟空间桁架结构施工阶段的吊装及卸载过程，依据有限元分析结果对空间结构中的危险杆件进行加固处理，避免施工过程中的安全事故，并将有限元分析结果与实测数据相结合保障了施工过程的顺利进行。

本文依托于长沙海归小镇天空之厅钢结构项目，采用Abaqus进行施工阶段的数值模拟，分析了结构在施工过程中结构应力及位移的变化情况，依据有限元分析结果作为施工过程中的实时监测方案依据，有力地保障了施工过程的顺利进行，为后续同类工程提供参考经验。

2. 三维有限元建模

采用Abaqus有限元软件进行提升段提升过程的弹塑性分析，建立了工程实际相同尺寸的三维有限元模型，其中TS1、TS2、TS3为三个提升段，3A、3B、3C为原位区结构上的钢结构体系，如图1所示，通过对结构吊点位置施加竖直向上的强制位移，分析提升段在提升过程中的应力、位移情况。

有限元建模过程

根据实际施工情况，采用ABAQUS软件建立提升钢结构的有限元分析模型。结构整体内径24 m，外径36 m，垂直于平面方向(沿Z方向)深度为3.9 m，整体采用两种不同型号钢材分别为Q234及Q345，钢材的材料属性参数详见表1。三种不同截面形式钢材分别为：L形、工字形、箱型，结构的构件采用B31单元模拟，网格尺寸为500 mm。在提升过程中，仅结构的自重产生作用，Z方向取−1为结构自重方向后，自重由有限元软件自动计算。考虑到节点板和加劲肋等结构的存在，自重系数乘以1.35，采取Z方向位移提升1 m距离进行结构的有限元计算。

Figure 1. Three-dimensional finite element model of the structure

图1. 结构三维有限元模型

Table 1. Parameters of steel

表1. 钢材参数

3. 有限元分析结果

3.1. 应力分析结果

有限元应力计算结果如图2所示。

通过分析结果我们可以发现各吊装段提升过程中的钢结构杆件应力真实值最大为TS1段49.3 MPa、TS2段19.5 Mpa、TS3段30 Mpa。各吊装段位移变化最大集中区域各不相同，TS1段4吊点提升下位移变化最大区域集中在外环跨中位置附近。TS2、TS3段5吊点提升下位移变化最大区域集中在结构内环中心侧附近(表2)。

Table 2. Parameters of finite element analysis results

表2. 有限元分析结果参数

Figure 2. Finite element stress and displacement contour maps of the hoisting segment

图2. 吊装段有限元应力、位移云图

3.2. 极限承载力分析结果

3.2.1. 结构承载极限验算

根据《钢结构设计标准》(GB50017-2017) [12]可知，吊装段所用钢材材质均为Q355b级钢且钢材厚度在16 mm < 厚度 < 40 mm范围，此类范围Q355b级钢材抗拉、抗压、抗弯强度设计值为295 Mpa。根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012) [13]可知承载能力极限状态表达式，吊装段最大应力49.3 MPa < 钢材屈服强度设计值295 MPa，符合规范要求。

3.2.2. 结构挠度极限验算

根据《钢结构设计标准》(GB50017-2017)，对于以受弯为主的大跨度钢桁架跨中区域(屋盖)准许挠度值为L/400，其中L表示钢结构跨度。同时对于大跨度钢结构桁架可以预先起拱，钢结构施工设计单位提供的各提升段预起拱值分别为TS1 = 3 cm、TS2 = 8 cm、TS3 = 12 cm (表3)。根据下式计算：

监测跨中挠度数值 ≤ 跨中挠度准许值 + 预拱度

Table 3. Validation of deflection monitoring values

表3. 挠度监测数值验证

通过计算得到：TS1为9 < 5.6 + 3；TS2为4 < 9.5 + 8；TS3为8 < 17.125 + 12；三段吊装段均满足规范变形允许值要求。

4. 监测方案

大跨度钢结构在施工过程中发生危险事故的概率显著高于其他类型结构的施工。如果在施工过程中出现安全隐患或事故，后果不堪设想。因此，在施工阶段，实施有效的安全保障措施并进行实时监测，以确保施工的全面安全，显得尤为重要[14]。

综合有限元分析工作及设计、施工单位建议重点关注部位等因素，整体监测方案共分为两部分：应变监测及挠度监测。

4.1. 应变监测

通过在应力较大的构件表面设置应变片，并涂抹环氧树脂来保护应变片，将应变片与应变采集仪连接，实时获取吊装及卸载过程中构件的应变变化数据。依据监测得到的数据进行现场施工指导，正确控制提升段提升速率；及时发现危险的先兆，分析原因，判断工程的安全性，采取必要的工程措施，防止发生工程事故和环境事故，确保结构施工中的安全和稳定，控制和保证工程质量；评价工程的技术状况，预测沉降量，验证设计参数和设计理论的正确性，使工后构件的应力值控制在设计的允许范围之内。

4.1.1. 应变监测方案

应变监测点主要集中于吊装段结构跨中及原位区连接处，主要将应变片布置在关键部位，如图3所示，从上到下依次为TS1、TS2、TS3三个提升段的应变监测点位布置示意。

Figure 3. Schematic diagram of strain monitoring point layout

图3. 应变监测点位布设示意图

4.1.2. 应变监测结果

依据现场实际情况，在提升过程中通过应变采集仪实时采集，监测点位的应力值是通过实际测量的应变值以及相应的计算公式计算而来的。本次监测数据分析是依据不同的提升工况下进行的，部分测点应力在不同提升工况下的情况如表4所示。

Table 4. Partial point monitoring results

表4. 部分点位监测结果

从部分监测点位的应力实测及有限元应力值对比可以看出，虽然部分测点有限元数值模拟结果与实测数据存在细微偏差，但总体吻合较好。

4.2. 挠度监测

根据《空间网格结构技术规程》[15]的要求，空间结构安装完成后应对挠度进行测量空间结构的挠度测量也能综合反映设计和施工的质量。由于天空之厅自重较大，且提升段跨度较大，因此必须对施工过程进行挠度监测。通过在观测点位点焊反光片，用全站仪测量各点位的高度，计算出结构的挠度，保证施工质量。挠度监测点位布设位置见图4。

Figure 4. Schematic diagram of deflection monitoring point layout

图4. 挠度监测点位布设示意图

5. 结论

本文基于长沙市海归小镇项目天空之厅大跨钢结构吊装，对大跨度空间弧形钢结构的施工技术进行研究，应用Abaqus建模等信息化、智慧化手段，对钢结构吊装段提升进行模拟计算，为结构吊装的精细化施工提供了可靠的技术手段。依据有限元模拟分析结果作为施工实时监测方案依据，精细化有限元分析与实时监测有力保障了吊装段提升全过程的精准控制。该工程的顺利实施可为后续类似项目提供示范。

NOTES

^*通讯作者。

参考文献