中国铁建工程集团有限公司
北京工业大学
概括
钢桁架作为一种轻质高强的结构体系，具有优异的抗震性能。将钢桁架应用于住宅的转换层，可以大大提高整个住宅结构的抗震能力，提供更安全的居住环境；与传统混凝土结构相比，重量轻、重量轻、施工速度快，可实现大跨度无缝施工。立柱设计提供了更加灵活的空间布局，提高了空间利用率。因此，钢桁架在现代住宅结构中得到广泛应用。但由于钢桁架尺寸巨大，吊装精度要求高，其吊装作业面临巨大挑战。目前，关于高层钢桁架吊装的系统性、规范性研究还比较少。因此，有必要研究钢桁架关键部位在吊装过程中的受力和变形情况，为吊装过程提供科学依据和指导，以利于吊装作业。高效、安全。
依托秦皇岛金梦湾二期住宅钢桁架转换层工程，通过有限元软件ABAQUS建立了精确的三维有限元模型。在钢桁架两端设置吊装点，采用铰接约束方式，模拟工程吊装方案。分析。通过有限元模拟，可以模拟钢桁架在吊装过程中的受力和变形，为施工过程中关键部位测点的选择提供依据。实时监测吊装过程中关键部件的应力应变，并将仿真结果与实际监测数据进行对比分析。研究结果表明：模拟应力最大值位于第二桁架左挂点附近，整个桁架杆件的应力水平远低于构件屈服应力，钢桁架有足够的强度抵抗负载；最大竖向变形值位于桁架跨中，满足工程规范要求，钢桁架变形控制在合理范围内；起升过程中，由于不同的起升点受到的起升反力不同，起升反力较大的起升点会导致液压系统在桁架内的液压缸受压时反应不同，产生起升应力不同步，造成应力集中在吊点处，但应力仍在安全范围内；实时监控桁架吊装过程，可准确获取关键部位的受力及受力情况。变形，便于吊装过程中微调，保证吊装的安全性和准确性；监测值略小于模拟值，工程实际吊装比模拟分析更安全，验证了有限元分析和吊装方案的准确性，为吊装工程的安全稳定提供了有益的依据经验。
0 简介
随着我国综合国力的提高和经济的发展，建筑形式日趋多样化，现代建筑的综合性能和功能类型不断增强和拓展。由于2008年奥运会、2010年世博会、2022年冬奥会的举办，大量体育场馆、展览馆和标志性建筑采用了钢结构，推动了大跨度钢结构在建筑中的应用。目前，许多大型钢结构由于重量巨大、安装精度要求高，施工面临结构或构件吊装、吊装、滑移、卸载等挑战。如何保证钢结构与主体层的安全稳定连接是大跨度空间结构施工控制的关键。因此，有必要对关键部位的施工过程进行监控，包括关键构件的应力应变监测，获取结构施工过程中关键构件的应力应变情况，为工程施工提供可靠的数据，确保安全。项目进展情况。
秦杰等.利用有限元软件对奥运场馆施工过程进行模拟，对施工过程中可能产生较大应力和变形的部位进行监测，验证模拟分析的准确性，确保施工安全有序；周学军等.对济南奥体中心体育场雨棚钢结构施工过程中的关键部位进行监测，为测点的选择和布置提供依据。通过对监测数据的分析，结果表明光纤布拉格光栅传感器在钢结构监测中具有较高的精度和稳定性。此外，监测结果也验证了所提出的测点布设方案的准确性，从而保证了施工过程的安全；王秀丽等.对西宁体育场屋顶进行了数值模拟分析和健康监测，结果表明，实际测量值与模拟值吻合较好钢结构k支撑，验证了有限元分析的准确性。这些研究大多集中于索结构体系，但对含转钢结构的复杂高层住宅的研究很少。
本文结合秦皇岛某高层住宅改建钢桁架施工，利用有限元软件对吊装过程进行数值模拟分析，采集现场钢桁架吊装过程中关键构件的应力应变实时保证桁架吊装的安全。监测结果与有限元分析结果进行对比，为类似工程的模拟和监测提供参考。
1 项目概况
金梦湾海必泰住宅项目位于秦皇岛市河滨路以北、陵前街以南、文昌路以西、秦海路以东。地理位置优越，东西面朝大海，全长700多m。整体效果如图1所示。本项目由1号、4号两栋住宅组成，地下1层，地上32层，高度-5.5～5m；总建筑面积约24.4万平方米；结构类型为钢筋混凝土框架剪力墙结构，结构竖向平面为不规则矩形平面，竖向布置为不规则； 17层至19层有一个由3个钢桁架改建而成的空中走廊，如图2所示。钢桁架中间有一个设备层，支撑着上面的13层建筑。
图1 金梦湾公馆效果图
图2 结构立面图
钢桁架由三个主桁架、桁架间的连接梁和支撑组成，位于17层至19层之间。下弦高程+49.480 m，上弦高程+56.180 m，桁架高度（下弦下表面至上弦上表面）7.8 m，跨度36.0米。上下弦杆均为箱形截面，最大截面尺寸为B1800×600×100。钢桁架起重质量约为655t。
钢桁架对应的钢柱为7截面柱。 H型柱一柱两层。箱形柱和组合柱分为上柱和下柱。塔底高程为+47.270 m，塔顶高程为+57.380 m。 H型柱最大截面尺寸为H800×500×85×90，质量为13.5t。组合箱形柱截面尺寸为B1100×1100×95+1220×600×95，单体质量44t。
该项目采用超大型构件液压同步吊装技术，将钢桁架整体吊装就位。根据钢梁的结构特点，在钢桁架与两侧主体建筑结构连接的上弦杆上设置吊装点。地面钢桁架下弦处设置吊点，其位置与预制钢桁架吊点位置相对应。上下吊点之间安装专用底锚和专用钢绞线。桁架整体吊装范围及吊装点位置（D01～D06）如图3所示。
图3 钢桁架平面吊装示意图mm
钢桁架结构的施工分三期完成。第一阶段：预制钢桁架安装。首先安装箱形柱和钢柱，然后安装内腹杆和弦杆，最后安装外弦杆和腹杆。这一阶段的关键点是保证外弦杆端部在顶部空间坐标和相对轴线的位置必须准确，这会涉及到预制钢桁架和吊装钢桁架的组合。第二阶段：桁架在地面组装并吊装。举升过程中，分段举升，通过液压举升系统的调节继续举升。这一过程可能会造成异步吊装，从而对桁架关键构件的受力产生较大影响。显然，因此施工过程中重点关注现阶段的桁架挠度。第三阶段：当桁架吊装至设计安装位置时进行对接。安装完毕后钢结构k支撑，进行节段安装，拆除液压同步起升设备，桁架安装完成。桁架从地面拼装到吊装合拢的过程示意图如图4所示。
a——第一阶段组装； b——第二阶段改进； c——整合的第三阶段。
图4 钢桁架整体吊装过程示意图
2 吊装过程有限元分析
2.1 ABAQUS有限元分析模型
根据现场施工的边界条件，利用ABAQUS软件对钢桁架转换层的吊装阶段进行模拟分析。箱形梁、支撑和工字梁均使用 B31 桁架单元建模。考虑到现场施工应尽量减少整体吊装桁架的重量，模型按照地面拼装后的桁架建模，采用结构自重的1.0倍。吊点牛腿焊接在钢桁架下弦两端。吊点在模型中设置为铰接点。有限元模型的边界条件如图5所示。
图5 模型边界条件示意图
桁架吊装历时6小时27分钟，采用间歇式液压同步吊装。缓慢的提升速度可视为准静态提升。 ABAQUS软件可以自动考虑桁架升降构件的内力和变形，实现升降台的仿真。有限元分析模型的轴测图和俯视图如图6a和b所示。
a——轴测图； b——顶视图。
图6 ABAQUS有限元分析模型
2.2 有限元分析结果
桁架在吊装阶段的应力和竖向变形云图如图7所示。从吊装过程的模拟结果可以看出，桁架整体应力和变形较小，轴向应力较大数值集中在挂点两侧。主桁架竖向变形最大的是跨中区域，吊装过程中应重点关注这些位置。
a——钢桁架应力云图，MPa； b——吊装桁架变形云图，mm。
图7 桁架吊装阶段应力变形云图
钢桁架吊装过程中，结构整体应力始终保持在合理范围内，最大拉、压应力稳定在-32.91～32.35 MPa之间。桁架钢材为Q355，构件应力远小于材料屈服强度，满足桁架吊装要求。要求。此外，有限元分析还为应力应变测点的定位提供了依据，便于在实际吊装过程中对关键部位进行监测。
3 监测方法及测点布设
3.1 基于无线传感技术的监控系统
随着住宅项目的发展，层间桁架转换层的跨度和高度越来越大。如果继续采用传统的有线监控技术来监控桁架施工过程，将需要大量的采集线来传输信号，这会给监控人员的安装和施工人员的工作带来一定的困难。尤其是地面就地组装的钢桁架，高空吊装需要很长的收线，且吊装过程中收线容易因自重而断开。带来较大的监控成本，不利于后期维护。为此，本项目采用了基于无线传感技术的新型监控系统，极大地避免了这一问题。
3.1.1 传感器系统
本项目采用振弦式表面应变仪监测钢桁架关键结构的应力、应变和温度。通过应变和温度数据，自动修正温度对传感器的影响，并根据修正后的应变得到桁架表面的轴向应力。 ，该传感器的应变测量系统灵敏度为1×10-6/F，测量精度为0.1%FS（FS指满量程压力传感器，0.1%FS表示可以分辨100Pa的压力变化），测温系统灵敏度为0.25℃，传感器焊接在桁架表面及其配合变形（图8）；通过在桁架中部和两端安装静力水平仪（图9）来获得桁架的变形量。该系统适用于测量多点相对变形。多个静层容器之间用液管连接。通过相关传感器测量每个容器的液位，然后可以计算出每个测量点的液位变化。
图8 振弦式应变传感器
图9 静态电平
3.1.2 基于无线传输的通信网络
应变监测系统示意图如图10所示。除了直接交流电源外，该系统还配备了电池。电源通过太阳能进行充电和放电。现场应变片安装完毕后，采集线会将各监测点的监测数据传输至采集盒，再通过USB数据线传输至现场服务器。工作人员可以直接将监测到的实时数据下载到电脑上。静态液位监测系统将仪表安装在基准点所在的水平线上（图11）。测量点相对于基准线的相对位移值通过采集线传输至设备箱。然后设备盒通过数据线传输到现场服务器，服务器将数据经过简单处理后上传到网络。工作人员可以直接连接网络终端查看监测的挠度值并进行数据处理。
图10 应变监测系统示意图
图11 变形监测系统
3.2 测点布置
由于本工程结构的复杂性和特殊性，以及自重较大，结构在吊装过程中会因气候条件、施工措施等因素而产生一定的应力集中和变形。因此，必须对一些关键部件和节点进行监控。 。有限元分析结果表明，桁架吊装过程中，吊装点附近、弦杆跨中位置、预制钢桁架斜腹杆处应力较大。本工程钢梁截面较大，钢板较厚，因此在上下弦杆及腹杆的上下两侧均安装振弦应变片。钢桁架共有3个，按之前的顺序分别命名为HJ1、HJ2、HJ3。每个桁架在上弦杆、下弦杆和腹杆处均布置有测点，分别对应SX、XX和FG。钢桁架HJ1共有4个测点。各测点上、下段均安装应变片，测点位置分别为下弦跨中、左侧第一个斜腹杆、左右各3.6 m上弦跨中两侧（图12a）； D HJ2区块共有7个测点，测点位置分别位于下弦跨中。两端有吊装点、两端有斜腹杆、跨中左右两侧（图12b）； D块HJ3共有4个测点，测点位于下弦杆中部，左侧起吊点，右侧预装钢桁架腹杆和上弦杆边位于中跨右侧 3.6 m 处（图 12c）。
a—HJ1；b—HJ2；c—HJ3。
图12 HJ1～HJ3应变测点布置
本工程采用的改装钢桁架自重较大，因此在吊装过程中需要监测钢桁架的竖向挠度。变形测点位于HJ2下弦箱底部中部和两侧（图13）。变形测量点位于CJ标志处。
图13 HJ2变形测点布置
4 应力、位移测量结果及分析
钢廊道的三个桁架跨度均为36m，在预拼装位置垂直投影到地面进行拼装。桁架在地面组装完毕后，在每个桁架的下弦两端和两侧焊接牛腿，钢丝绳与牛腿连接，并由液压升降机提升。 D块钢桁架设计有12个吊点，共布置30个应力应变测点。根据实际情况选用12台液压举升机（75吨8台，180吨4台）。 2022年7月20日8点起吊，历时6小时55分钟完成吊装。重655t的钢桁架平稳升高49.48m。升降台效果如图14a所示，准确定位在设计标高处。龙的完成效果如图14b所示。
a——改进阶段的效果； b——桁架闭合完成后的效果。
图14 桁架升合阶段效果
4.1 实测应力值与模拟结果分析
当钢桁架被吊起时，从吊点处开始与轮胎架脱离，直至完全悬挂。桁架的重量集中在箱梁两侧焊接的牛腿上。桁架上两层的重量通过斜腹杆传递到下弦杆。吊装时，底部箱梁吊点附近的K型节点为第一支撑点，因此两侧K型连接段处的应力较大。实际测量中最大应力可达-25.36 MPa，出现在桁架HJ2的XX1-1测点处。采用通用有限元软件ABAQUS对钢桁架进行建模和吊装。桁架全部由梁单元组成。由于实际工程中桁架升力缓慢，可视为准静态升力。实际监测值与有限元软件模拟值对比如表1～表3所示，可知：
表1 HJ1提升阶段应力监测值与模拟值对比MPa
表2 提升阶段HJ2应力实际监测值与模拟值对比 MPa
表3 提升阶段HJ3应力实际监测值与模拟值对比 MPa
1）吊装阶段桁架跨中弦应力较小，在0～2 MPa范围内波动；吊点附近测点采集的应力较大，弦杆上段大部分以压应力为主。杆体下段以拉应力为主，最大压应力为-25.36 MPa，最大拉应力为18.79 MPa。位于桁架HJ2的XX1-2测点；吊装过程中桁架自重产生的构件应力远小于材料屈服强度。
2）钢桁架的实际监测值与理论值总体吻合较好。大多数测量点监测到的值都小于但接近模拟值。牛腿附近的应力较大。主要原因是桁架吊装时，两端的K形截面形成支撑点，整个桁架结构的重量通过斜杆传递到节点上，使其类似于传统的悬臂梁，导致吊点处承受更大的应力。
3）钢桁架吊装过程中，分布在下弦杆两端测点处的应力较大。仿真得到的桁架升力最大反力为1153 kN，位于中桁架下弦左侧（图15）。在吊装过程中，吊装设备配备了异步吊装响应系统，使得施工具有设定的异步幅度（本项目限制为20毫米）。实际监测数据表明，桁架吊装过程中，吊装反力最大的位置很容易出现异步吊装，产生异步应力，使吊装点附近的应力增大。
图15 起升反力最大值分布N
4.2 桁架挠度实测值与模拟结果分析
通过静态液位测点处液位的变化，可以计算出钢桁架跨中测点在吊装阶段的变形量。实际监测值与模拟值对比如图16所示。
图16 变形测点监测值与模拟值对比
可以看出，吊装阶段最大变形为-2.73 mm，监测点为CJ2，桁架跨度为36000 mm，其跨中变形远小于GB 51162-要求的1/400。 2016年《重型结构及设备整体吊装规范》；各测点的实际监测值均小于模拟值。测点CJ1和CJ3的实际变形值和模拟变形值均较小。测点CJ1的变形值略大于测点CJ3。原因是两个测量点均位于吊点和液压升降机附近，在实际运行中，装置的稳定性无法完全同步提高，会存在一定的微小偏差。而且，桁架并不是完全对称的结构。桁架中间的梁板在测点CJ1一侧较重，因此CJ1的变形值略大于CJ3。
5 结论
对秦皇岛市高层住宅钢桁架吊装阶段进行了数值模拟分析和监测。主要结论如下：
1）根据钢桁架液压同步顶升方案，采用有限元进行仿真分析。最大应力值位于第二桁架左吊点附近，为-26.96 MPa，钢桁架整体构件的应力水平远低于构件的应力水平。屈服应力；最大竖向变形为-3.16 mm，位于桁架跨中，满足相关工程规范要求。
2）有限元模拟与实际监测数据对比分析表明，在实际举升过程中，举升反力较大的举升点会导致液压系统中的液压缸受压时响应不同，产生举升应力不同步。造成吊装点应力集中。整个吊装过程中，尽量保证地面拼装后桁架重力分布均匀，各吊点压力均衡，避免应力集中。
3）实时监控桁架吊装过程，准确获取关键部位的应力和变形情况，以便及时调整。监测值略小于模拟值，验证了有限元分析的准确性。本文采用的仿真方法和桁架监测技术可为类似工程提供数据支持和案例参考。
资料来源：赵超群、董明明、高晓飞、张雷、张赞、孙国军。高空转换钢桁架结构吊装过程监测与分析[J].钢结构（中英文），2023, 38(11): 35-42.
DOI：10.13206/j.gjgs23050502
