大型钢网架结构支撑卸载施工技术研究

邱秋华　罗浩文　孔德辅　李福昆

摘 要：为了使网架结构在卸载过程中能平稳地进行应力重分布，保证结构的安全性及施工的便利性，结合佛冈体育馆钢网架屋面项目，采用有限元分析对临时支撑卸载过程进行施工模拟，分析卸载方案各个阶段结构的内力分布情況；建立屋面大型钢网架临时支撑的卸载方案，用于指导现场施工；在实际结构的关键支撑点位处，使用先进测量技术自动化监测采集支撑杆件卸载全过程的应力应变、位移变形等数据，与施工模拟结果进行对比分析。结果表明：卸载过程各关键杆件的最大变形和应力不存在超限情况，整体结构受力稳定。所提卸载工艺能够有效控制网架构件变形和内力，实现体育馆屋面的信息化施工管理，保证网架临时支撑体系平稳、安全卸载。研究成果可为优化网架结构支撑卸载方案提供借鉴，并为大跨度网架结构施工管理提供科学依据。

关键词：土木建筑工程；网架结构；临时支撑；卸载技术；力学模拟；施工监测

中图分类号：TU745.2文献标识码：ADOI： 10.7535/hbgykj.2023yx03007

Research on supporting and unloading construction technology of

large steel grid structure：Taking the Fogang Gymnasium

Project in Guangdong Province as an example

QIU Qiuhua LUO Haowen KONG Defu LI Fukun

（1.The First Construction Engineering Group Company Limited of Guangxi Construction， Nanning， Guangxi 530004， China；

2.Guangxi Construction Engineering Group Company Limited， Nanning， Guangxi 530004， China）

Abstract：In order to ensure the stable stress redistribution of the grid structure in the unloading procss， the safety of the structure and the convenience of construction， combined with the steel grid roof project of Fogang Gymnasium， finite element analysis was used to simulate the unloading process of temporary support， and the internal force distribution of the structure in each stage of unloading scheme was analyzed. A set of unloading scheme for the temporary support of large steel roof grid was established to guide the site construction. At the same time， the advanced measurement technology was used to automatically monitor and collect data on stress-strain， displacement and deformation of the supporting rods during the whole unloading process at the key supporting points of the actual structure， and the comparison and analysis were made with the construction simulation results. The results show that the maximum deformation and stress of each key member do not exceed the limit in the unloading process， and the overall structure is under stable stress. The unloading process can effectively control the deformation and internal force of the grid structure components， realize the information construction management of the gymnasium roof， and ensure the stable and safe unloading of the temporary support system of the grid structure. The research results can provide reference for optimizing the support unloading scheme of the grid structure， and provide scientific basis for the construction management of large-span grid structure.

Keywords：civil construction engineering; grid structure; temporary support; unloading technology; mechanical simulation; construction monitoring

钢网架结构作为大型体育馆屋面常用的空间钢结构形式，近年来受到越来越广泛的关注[1-2]。随着大型钢网架结构施工方法的多元化和复杂化，其受力性能和边界条件逐渐复杂[3-4]。对于大跨度空间钢结構施工，为防止杆件变形，通常在结构下弦球处搭设临时支撑，主体结构施工完成后，需对临时支撑体系进行卸载。

已有学者对网架支撑体系的卸载进行了研究。冯国军等[5]通过合理设计高空散装平台以及滑移轨道支撑结构，顺利完成南京南站屋面网架结构的滑移施工；崔金利[6]结合钢结构构件高度、自重以及加载工况，对钢支撑体系进行合理设计和验算，并简述了网架基础的处理方法；侯照保等[7]运用Midas/Gen 2018有限元软件对采用不同临时支撑体系的网架结构进行模拟分析，对比验证得出网架结构临时支撑体系的设计思路以及分析方法；邱斌等[8]通过考虑支撑结构卸载对杆件受力的影响，研究不同荷载工况下网架结构的应力响应，模拟得到了重物卸载过程网架杆件的应力变化曲线。现有的研究成果为揭示网架支撑的施工受力状态提供了有价值的研究方法。然而，大多数研究未重点关注支撑卸载过程对大型网架结构的不利影响，导致拆除过程中结构存在安全隐患问题。支撑结构的拆除使网架结构逐渐从部分受力转换为完全受力，从而导致网架构件持续经历内力重分布，卸载过程中杆件的内力、变形将直接影响网架结构施工的安全性、稳定性和耐久性。因此，大型钢网架结构临时支撑卸载对网架结构的整体安全至关重要。

为消除临时支撑卸载过程中的潜在危险，笔者采用有限元软件Midas/Gen 2018对佛冈体育馆屋面网架结构进行施工模拟，依据计算结果提出了“分段拆除、变形协调、均衡卸载”的卸载方法，并制定了一套全面的监测方案对支撑卸载期间关键构件的变形和应力进行监测，及时掌握结构的施工过程状态。通过对比数值模拟计算结果与现场监测数据，对体育馆网架屋面临时支撑卸载过程进行合理、全面的应力和变形监测，从而实现体育馆屋面的信息化施工管理，确保屋面结构的力学状态有序、平稳地从被动支承状态过渡为自身承重状态。

1 佛冈体育馆屋面网架结构工程概况

佛冈体育馆工程为大跨度钢网架结构，长64.0 m，宽62.6 m，网架起拱高度为0.2 m，总建筑面积10 400 m²，属广东省运动会重点基础设施建设项目。屋面结构上部为钢网架，主要由圆钢管、焊接球节点、螺栓球节点组成。网架结构采用较为复杂的双向受力结构形式，采用高空散装法[9-10]进行网架施工。屋面下部为混凝土支柱支撑结构，与抗震球形支座连接，结构布置如图1。

2 临时支撑卸载过程模拟分析

2.1 计算模型

佛冈体育馆网架屋面所采用的临时支撑包括2 m×2 m标准格构式胎架和满堂扣件式钢管脚手架支撑平台，网架下部整体由满堂脚手架通过千斤顶进行支撑。

由于格构式胎架和满堂脚手架在千斤顶卸载后才开始拆除，因此本模型主要分析千斤顶卸载过程中结构的内力分布情况。

首先依据设计图纸建立体育馆的整体计算模型，采用Midas/Gen 2018软件对屋面钢网架临时支撑卸载过程进行模拟计算，其中网架钢材的弹性模量取值2.05×10⁵MPa，网架模型工况恒荷载取值0.3 kN/m²，活荷载取值0.5 kN/m²，基本风压取值0.6 kN/m²，网架自重由有限元软件自动计算生成。

依据拟定的卸载步骤，在软件计算模型中定义了若干个施工阶段，将结构构件、支座约束、荷载工况划分为组。Midas/Gen 2018软件采用生死单元法[11]以考虑时间依从效果。在分析每个施工阶段时，将对应的上一个施工阶段网架杆件的位移和内力作为本阶段杆件的初始状态，对该施工步骤后期的所有构件以及需要加载的荷载工况采用杀死功能进行冻结，从而保证网架结构临时支撑卸载过程的施工模拟符合施工的实际状态。网架临时支撑卸载点位于千斤顶支撑处，点位数量为108个，临时支撑点采用弹性连接模拟，考虑临时支撑的体育馆屋面网架结构模型如图2所示，其中支撑点位的分布情况如图3所示。

2.2 临时支撑卸载顺序

本模型基于以下条件模拟网架临时支撑的卸载过程。

1）临时支撑底部具有足够的竖向刚度，现场临时支撑的竖向刚度需满足分析模型的竖向刚度符合固定假设的要求。

2）支撑点在每一步卸载过程中均应顶紧，禁止在脱开工况下进行施工。由于临时支撑的卸载顺序对结构内力和变形的影响较大[12]，因此，本模拟基于“分段拆除、变形协调、均衡卸载”的原则，将108个支撑点划分为7个分区，其中卸载分区1，4，6和7的卸载支撑点数量分别为9个、18个、12个和20个，其他分区均为16个，各分区的支撑点卸载同步进行。卸载顺序为卸载分区1→卸载分区2→…→卸载分区7，如图4所示。

2.3 施工模拟结果

为确保网架施工阶段的结构安全，同时便于与后期监控数据进行对比分析，对屋面网架结构施工模拟后，输出关键节点部位的计算结果，各变形输出点位分布情况如图5所示。

根据图4定义的卸载顺序，对考虑临时支撑的屋面钢网架模型进行数值分析及计算，其中卸载过程中结构杆件最大应力比计算结果如图6所示，所有支撑点的轴力标准值如图7所示。

由图6可知，在支撑点卸载过程中，杆件的最大应力比为0.89，不存在超限（＞0.9）的情况，表明构件的承载力满足要求。由图7可知，拆除过程所有的千斤顶均处于受压状态，最大压力标准值为71.8 kN。综上，本文提出的卸载施工顺序对千斤顶轴力的控制效果良好，临时支撑卸载方案的模拟结果符合设计要求。

为进一步验证支撑卸载方案对网架结构挠度变形的控制效果，对网架屋面模型进行深入分析，得到监测点1—14的竖向位移量如图8所示。

由图8可知，监测点最大竖向变形为-2.1 mm，此值小于允许变形值ΔL=B/250=250.4 mm。从模拟结果可以看出，按照所设计的临时支撑卸载方法，网架结构各卸载点的位移以及杆件内力均符合设计要求。为此，依据该施工模拟计算结果，编制网架临时支撑卸载方案，并依据所定方案指导现场施工。

3 支撑卸载施工方案

3.1 临时支撑卸载的流程

在临时支撑卸载施工前，首先通过磁致式静力水准仪HT-SZY200测量记录各支撑点的标高。卸载时，首先要检查每一支撑点的工况，确保满足千斤顶卸载要求。其次移除两侧支撑钢垫片，每次移除量比对应的卸载量多出20 mm，最后按照预定计划逐级进行卸载。每一阶段卸载施工结束后及时监测结构的位移和内力，确保支撑点处结构与千斤顶安全分离，测量记录各卸载点的标高，以此作为下一阶段卸载量的调整值。

卸载步骤如下：检查卸载点位置的工况确保千斤顶处于顶紧状态→复核各结构面和杆件的空间位置并记录千斤顶的定位高度→对两侧支撑措施钢垫片进行移除，每次移除量比对应卸载量多20 mm→按照预定的卸载分级表确定各支撑千斤顶的逐级卸载量→下调螺旋千斤顶达到规定卸载量→稳定2 h并将结构的位移和变形监测结果与模拟结果进行对比→满足要求后继续卸载，逐级循环。通过以上方法，按3 d为1个观察周期下调千斤顶，直至网架下弦球与千斤顶间完全脱离，完成卸载。

3.2 卸载过程关键技术

在临时支撑的卸载过程中，为防止个别支撑点位由于卸载量过大产生受力集中，实现临时支撑的均匀、稳步卸载，应把握好以下关键环节。

1）统一确定每一阶段各临时支撑的卸载量大小，对卸载进行精确把控，通过在规定时间内调整千斤顶标高来控制卸载量，允许偏差为±2 mm。

2）在卸载前采用磁致式静力水准仪对结构进行测量，根据各临时支撑结构的自重挠度值，采用分阶段微量下降和多次循环的方法来实现荷载的平衡转移，各支撑点下调位移步长取值3～5 mm，同时每次调整后测量卸载点的标高，以确定下一次卸载的调整值。

3）由于空间结构各部位的强度和刚度均不相同，卸载过程中的各部位变形也各不相同，卸载应遵循“分段拆除、变形协调、均衡卸载”的原则，以变形控制为核心，确保卸载过程中临时支撑的受力以及网架的变形控制在允许范围内。

4）卸载过程中要经常检查网架安装的坐标及高程，当出现部分支撑点位置脱开或者偏离过大时，应采用2个千斤顶在原支撑两侧把节点底板由原来位置顶起2～3 mm至设计高度，随后置换千斤顶，顶到节点底板支顶位置，最后缓缓回落使新设千斤顶受力。

4 监测与施工模拟结果对比

4.1 监测目的与监测内容

临时支撑卸载过程是一个循序渐进的过程，为确保卸载按照预定的目标进行，对卸载过程屋面网架的关键构件进行监测及分析具有非常重要的意义。通常情况下，对网架支撑卸载过程的监测内容包括选定点位的位移、挠度监测以及关键杆件的截面应变[13-14]，本项目进行施工监测的目的主要包括以下3个方面：

1）掌握钢结构屋面网架卸载过程的安全状态，避免操作失误或其他因素导致杆件变形过大；

2）掌握结构的实际受力情况，与临时支撑卸载的施工模拟结果进行比较，及时优化卸载方案；

3）通过监测卸载过程网架杆件的变形及应力，验证网架支撑卸载模拟过程中结构受力和变形的正确性和差异性，及时复核分析找出问题来源。

4.2 过程监测设备与方法

为研究卸载网架临时支撑过程中杆件的内力变化规律，施工现场采用自动化的监测方式，对临时支撑卸载全过程的网架构件进行静力监测，从而提供结构关键构件的实时受力状态，采用的监测设备包括：1）静力水准仪；2）振弦式表面应变计；3）电子全站仪。根据网架现场环境，采用静力水准仪对下弦杆构件节点处进行沉降自动化监测，以及对下弦中央一点及下弦跨度四分点处进行挠度自动化实时监测；采用振弦式表面应变计对网架上弦杆、下弦杆及腹杆进行应力应变自动化监测；最后采用电子全站仪对水平位移进行监测。

4.3 卸载过程监测值与模拟结果的对比分析

依据GB 50205—2020《钢结构工程施工质量验收标准》[15]，网架结构变形测点应设在可以反映结构状态变化的构件上，其中，跨度24 m以上的钢网架结构测量下弦中央一点及各向下弦跨度的四等分点。因此本项目的变形测点主要包括网架屋面下弦杆构件节点处、下弦中央一点及下弦跨度四分点处（共14个监测点），监测点位置与图5中的网架模型变形量输出点位一一对应，具体位置见图9 a）。应力应变监测点应设在钢结构中部沿轴向对称四点处、反映结构状态变化的构件处、应力最大构件处、重要节点区域的构件处、温度变化较大的构件处以及风荷载效应敏感处的构件。应力应变监测点分别布置在网架上弦杆的5个点（S-1—S-5）、下弦杆的7个点（X-1—X-7）以及腹杆的6个点（F-1—F-6），具体位置如图9 b）所示，位移监测点与应力监测点的布置过程如图10所示。

为确保所提的施工方案满足设计要求，在进行千斤顶卸载时，按照规范JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》[16]的要求，卸载过程各阶段应检查网架挠度变形以及内部应力，屋面网架结构的实际挠度值不可超过网架短向跨度长度的1/250，即本项目屋面网架允许变形的挠度值为ΔL=B/250=250.4 mm，依据监测结果，现场屋面网架卸载过程的最大挠度值為-50.6 mm＜250.4 mm，满足规范要求。同时，将钢网架临时支撑卸载过程中所监测到的14个点位的变形监测数据与数值分析结果进行对比，结果如图11所示，应力监测结果见图12。

由图11可知，通过数值模拟对现场施工进行指导，卸载施工完成后各监测点的竖向位移量与施工模拟结果吻合良好。监测值与模拟结果的平均误差仅为7.5 mm，最大误差为22 mm。监测点3的变形误差最大，这可能与以下2个方面因素有关：1）监测点3位于整体结构的中心，其受力、变形状态容易受周围杆件卸载传力的影响，本身具有数据敏感性高、离散性大的特点；2）该监测点附近杆件交错复杂，现场布置点位仪器时有一定难度，操作误差相对难以控制，这可能是导致其变形误差最大的重要因素。

另外，大部分监测点的模拟计算值均稍小于现场监测值，这可能是因为软件模型的理想化假定施工活载、风压等被简单地取为恒定值，从而导致无法反映卸载过程的实际情况，如临时的集中堆载和强风天气。因此杆件实际承受的荷载比软件计算时更大，则实测变形更大。监测点（3， 7， 9）实测变形小于模拟变形，这可能与合理的数据离散性和难以避免的操作误差有关。

从图12可知，在临时支撑卸载过程中，网架杆件的应力变化较大，其中杆件受拉时受力最大，最大拉应力值为205.03 MPa，远小于Q345钢的屈服强度，满足规范要求。结构体系转换后，在网架自重荷载的作用下，现场监测值最大值为-50.6 mm，模拟计算值为-46.5 mm，整个结构受力稳定，证明所采用的临时支撑卸载方案对屋面钢网架的内力和变形起到了较为理想的控制作用。

4 结 语

笔者依托广东佛冈体育馆钢网架屋面工程实例，结合有限元分析方法，对屋面钢网架临时支撑的卸载技术进行了研究，提出了大跨度钢网架结构临时支撑卸载施工工艺，并通过对支撑卸载过程进行内力和变形的全方位监测，保证了结构的安全和稳定，结论如下。

1）所提临时支撑的卸载顺序遵循“分段拆除、变形协调、均衡卸载”的原则，其关键技术在于千斤顶和水准仪密切配合，采用分阶段微量下降和多次循环的方法来实现荷载的平衡转移。

2）在Midas/Gen 2018软件模拟的支撑点卸载过程中，杆件最大应力比为0.89，不存在超限（＞0.9）的情况。杆件最大竖向变形为-46.5 mm，也小于允许变形值250.4 mm，表明卸载过程中构件的强度、刚度满足规范要求。

3）将设计方案应用于佛冈体育馆屋面网架结构卸载，各监测点的位移实测最大值仅为-50.6 mm，满足规范要求。实践表明，该施工方案解决了临时支撑卸载中存在的位移量不易控制、施工可操作性差等问题，具有一定的应用价值。

但其研究模型未考虑现场临时堆载、强风天气以及建筑材料时变属性等随机因素。此外，本文提出的支撑卸载方案仅在佛冈体育馆钢网架屋面项目中得到应用和验证，在后续研究中需要考察其在其他网架结构工程中的普适性。

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