近年来，随着我国钢材产量的增长以及人们对建筑经济、美观的要求，大跨度钢结构进入快速发展时代。大跨度空间管桁架作为钢结构的一个主要分支，性能优越，在工业厂房、大型体育场馆、展览中心、大型商场、火车站等建筑中得到广泛应用，甚至成为一些地方标志性建筑、人文景观建筑的首选结构形式。但与此同时，结构施工和运维过程也面临着更为复杂、难度更大的工程技术难题。
目前，我国对于大跨度空间管桁架结构尚无成文的标准规范，因此桁架管壁一般设计得较薄，对施工阶段结构变形和稳定性的控制要求较高，同时施工过程中存在大量的贯穿接头焊接，对结构材料的影响较大，在拼装、吊装和卸载过程中的振动、冲击和受力平衡等可能造成结构局部或整体失稳，结构施工安全风险较高。当应用于人员密集的公共建筑屋面时，一旦出现安全问题，将引发造成大量人员伤亡的重大事故。通过对国内外工程事故的调查分析，桁架结构的安全隐患大多主要发生在施工阶段，因此在确保大跨度空间管桁架结构施工过程安全的同时，实现高效施工是该领域亟待解决的核心技术问题。
钢结构施工卸载一般来说就是钢结构临时支撑的卸载，卸载过程中结构受力体系必然会发生变化，因此为保证施工阶段的安全，需要对卸载各个阶段结构的安全性进行模拟分析，因此形成了通过结构仿真分析确定卸载安全性，通过施工监测技术验证模拟计算可靠性的基本原则。
中国牙谷学术交流展示馆建设项目入口雨棚大跨度斜腿钢管桁架结构设置了施工过程视频位移监测系统，重点监测整个卸载过程中入口雨棚桁架关键位置的挠度。同时建立有限元模型模拟卸载过程，验证结构卸载过程的安全性问题，确保监测系统在结构后续监测中的可靠、有效。
1 项目概况
中国牙谷学术交流展示馆建设项目入口雨棚屋面钢管桁架结构（图1）为单层钢结构，双坡屋面结构，标高16.168~21.983 m，由4个格构式主桁架和9个平面桁架组成，桁架本身高1.8 m，跨度87.313 m，材料为Q345B，总重731 t。雨棚结构如图2所示。
图1 入口雨棚施工现场
图2 入口雨棚钢桁架整体轴测图
大跨度桁架采用分段补接安装技术，在节段处需设置临时支撑结构体系，如图3所示。临时支撑结构体系主要由临时支撑架基础、架体、转换支架、防倾覆支撑等组成。临时支撑基础根据所处位置采用不同的设计，位于地面时设计为钢筋混凝土基础，位于结构上时设计为由H型钢焊接而成的“田”字形支架，以分散对结构产生的集中荷载。框架采用标准截面施工，规格为1.6m×1.6m×2.5m，材质为Q345B。转换支架采用H型钢焊接而成，置于结构与支撑架之间，支撑结构，再通过荷载分散传递，将荷载传递到支撑架主承重弦杆上。
（一）（二）
图3 东侧临时支撑、西侧临时支撑
（a）东侧临时支撑；（b）西侧临时支撑
2 仿真计算
2.1 有限元模型
采用有限元计算分析软件Midas Gen建立入口雨棚有限元模型，并确定其支撑约束及临时支撑约束（图4）。此时视角由南向北，拟建监控桁架为第三格构结构。主桁架，此桁架有限元模型如图5所示。
图4 顶篷整体有限元模型及其约束
图5 第三格主桁架有限元模型及约束
2.2 卸料过程计算
重点分析卸载前后两侧临时支撑的竖向位移和桁架跨中组合应力的变化情况（图6～图9，表1、表2）。
图6 卸载前桁架竖向位移
图7 卸载后桁架竖向位移
图8 卸载前桁架组合应力
图9 卸载后桁架组合应力
表1 卸荷前后关键位置垂直位移变化量(mm)
表2 卸载前后桁架构件组合应力变化情况（MPa）
从以上计算结果可以看出，卸载前后桁架构件的应力处于弹性阶段，材料强度仍然较大钢结构钢管规格表，因此结构卸载过程应是安全可靠的。从位移变化可以看出，东侧临时支撑的挠度最大，其次是跨中位置，西侧临时支撑的挠度最小。此理论计算结果仍需通过监测数据进行验证。
3 卸荷过程位移监测
3.1 监测设备
本次监测采用SMT-M分体式视频位移计，采用一台视频位移计同步监测4个测点位置（其中一个测点作为参考点），测点分布在雨棚桁架钢结构上，与侧楼结构刚性连接（位置固定）。
该装置通过千兆网线将采集设备与监控室的图像处理系统连接，系统可实时对采集的图像进行处理分析钢结构钢管规格表，计算出变化的位移值，数据通过DTU上传到云服务器，操作人员可在现场显示数据，在屏幕或云服务器上均可对数据进行查看和管理。监控设备如图10所示，监控设备参数如表3所示。
（一）（二）
图10 红外目标灯和视频位移计相机
（a）红外目标灯；（b）视频位移计摄像机
表3 监测设备参数
3.2 测点布置
根据仿真计算结果，选定3个节点作为位移监测靶的安装位置，3个靶均安装在桁架的南侧节点上，其中靶1、2位于临时支撑处的桁架节点上，靶3位于卸载前后的竖轴上。同时在1号厅未与雨棚桁架连接的支撑柱上安装一个参考点靶，即4号靶。由于摄像机视场大小，4号靶高约4 m。4个靶的排布如图11所示，摄像机监控视角如图12所示。
图11 靶面布局示意图
图 12 摄像机视角和监控的桁架
3.3 监测数据分析
桁架临时支撑卸载于2021年5月26日14:00至18:00完成，约4小时，卸载方式为将桁架与临时支撑连接处熔合，待8个临时支撑全部未与桁架连接时卸载完成。
由于施工队伍及设备不足，临时支撑卸载顺序不规范，卸载完毕后，从远处观察临时支撑无明显变化，需要进一步拆除临时支撑，该位置桁架节点竖向位移如图13所示。
图13 卸载过程中桁架监测点位移变化
卸载过程中，3个靶基本都产生了较大的竖向位移，卸载完成后，1号靶位移约-3.57mm，2号靶位移约-14.58mm，3号靶位移约-11.12mm。卸载后桁架西侧临时支撑竖向位移最小，其次是跨中竖向位移变化，卸载后东侧临时支撑竖向位移最大，如图14所示。
图14 结果比较
仿真计算与实时监测系统的位移数据存在较大差异，但整体的变化趋势一致，可能是临时支撑在搭设时略高于图中标高，导致施工卸荷后3个关键位置的竖向位移发生了较大的变化。
4 结论
将仿真计算与实时监测系统相结合，首先通过仿真计算确保结构施工卸荷过程的安全性和可靠性，然后再与实时监测系统进行相互验证，得到以下结论。
(1)通过仿真计算及实时监测系统验证，雨棚桁架在施工卸载过程中安全可靠。
(2)分析结果表明:卸载后桁架西侧临时支撑竖向位移最小,跨中处竖向位移变化较大,卸载后东侧临时支撑竖向位移最大。
(3)仿真计算与实时监测系统的位移数据相差较大，但整体的变化趋势一致，这可能是由于临时支撑在搭设时，略高于图中标高，导致施工卸载后，三个关键位置的竖向位移变化量较大。
摘自《建筑技术》2023年2月冯志新、郭振志、王金涛、周兆飞、刘宇飞
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