大跨度钢网壳结构整体顶升施工力学性能研究与现场监测

摘要

随着综合国力的提高和科技的进步，近几十年，国内涌现了大量的大跨度空间结构，由于结构跨度越来越大，造型越来越复杂，给结构的施工带来了不小的难度，施工中发生的事故也屡见不鲜。因此，必须研究新理论、新方法以完善现有的施工力学理论体系，为结构的安全施工作指导。同时，对结构在施工阶段进行跟踪模拟分析是十分有必要的。 本文以天水市体育中心体育馆项目的整体顶升施工工法为依托，做了以下工作： （1）建立网壳结构有限元模型，用ANSYS的生死单元法对9个施工阶段的杆件最大应力、结构竖向位移和支撑处的支反力进行分析。同时研究了温度敏感性结构在经历施工工期内的可能温度差时的力学性能变化。 （2）施工过程中顶升点处的网壳节点受下部支撑结构的支反力作用，为了研究支反力对节点造成的影响，根据顶升过程的模拟结果选取结构的关键节点，并对所选节点建立三维实体模型进行有限元分析，研究其基于非线性分析的极限承载力和受力过程。最后建议施工时支撑点位置选在下弦球节点。 （3）对施工阶段的下部临时支撑结构进行弹塑性稳定性分析，通过建立有限元模型，对4种不同设置方式的缆风绳分别进行特征值屈曲分析和非线性屈曲分析，得到相应的屈曲临界荷载和屈曲模态以及荷载-位移曲线，结果表明：施工时应该至少设置3道缆风绳，而且设置间距从下往上由密变疏，位置尽量靠下。设置数量不宜过多，否则要占用更多的空间给施工带来不便。 （4）为了说明不同步程度对结构力学性能造成的影响，选取杆件和顶点数量最多的施工SG5阶段的网壳结构作为不同步分析的计算模型。按照模型的对称性确定仅考虑刚度影响的基本工况，再由基本工况计算得到顶点支撑反力，将部分顶点线性组合后得到与基本工况相对应的不利工况组合。考虑自重作用，对结构在不同顶升位移差下进行分析。计算发现，顶升时位移差不超过10mm可以保证结构施工过程的安全。 （5）选取结构的关键杆件和位移控制点实施现场监测，将应力实测值和模拟值进行对比，结果表明实测值和模拟值所反映的规律基本吻合，杆件应力水平均处于弹性范围，结构在施工阶段的位移值变化平稳没有突变。

目录

声明

第一章 绪论

1.1. 大跨度网架结构的发展

1.2. 网架结构施工事故案例

1.3. 大跨度钢结构常用安装技术

（1）高空散装法

（2）分条（分块）安装法

（3）高空滑移法

（4）整体吊装法

（5）整体提升法

（6）整体顶升法

（7）折叠展开安装法（攀达穹顶法）

1.4. 施工力学国内外研究现状

1.5. 本文研究的主要内容

第二章 大跨度钢结构施工分析理论

2.1. 施工力学

2.2. 施工过程分析理论

2.2.1.状态变量叠加法

2.2.2.子结构矩阵位移法

2.2.3.几何非线性有限单元法

2.3. 施工过程模拟分析方法

2.3.1.单元生死技术

2.3.2.分步建模技术

2.4. 本章小结

第三章 网壳结构整体顶升模拟及力学性能分析

3.1. 体育馆钢结构工程概况及施工方案

3.1.1.工程概况

3.1.2.网壳安装区域划分

3.2. 建立有限元模型

3.2.1.网壳整体顶升总体施工流程

3.3. 网壳结构整体顶升过程模拟分析

3.3.1.计算假定及施工荷载

3.3.2.确定分析施工步

3.3.3.施工过程杆件应力分析

3.3.4.施工过程顶点支反力分析

3.3.5.施工过程结构位移分析

3.3.6.考虑温度对施工阶段网壳结构力学性能的影响

3.4. 支撑处网壳节点极限承载力分析

3.4.1.建立有限元模型

3.4.2.节点受力过程及破坏模式

3.5. 临时支撑结构屈曲分析

3.5.1. ANSYS屈曲分析方法

3.5.2.支撑结构及有限元建模

3.5.3.设置屈曲分析约束方式

3.5.4.临时支撑特征值屈曲分析

3.5.5.临时支撑非线性屈曲分析

3.6. 本章小结

第四章 结构顶升过程不同步分析

4.1. 计算分析的模型选择及基本工况确定

4.2. 约束方程法

4.3. 确定基本工况下的不同步顶升不利工况组合

4.4. 不利工况组合下不同步顶升结构分析

4.4.1.不同步顶升杆件应力对比分析

4.4.2.不同步顶升支撑反力对比分析

4.5. 本章小结

第五章 网壳结构顶升过程现场监测

5.1. 监测项目和结构测点选择原则

5.2. 监测仪器设备

5.3. 现场监测实施方案

5.3.1.顶升阶段（SG1-SG8）应变监测点布置

5.3.2.卸载阶段（SG9）应变监测点布置

5.3.3.位移监测点布置

5.4. 模拟值与监测值对比

5.4.1.施工阶段应力值对比

5.4.2.位移实测值分析

5.5. 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录