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【摘 要】 云南省科技馆新馆为大型复杂钢桁架结构，结构受力关系复杂，悬挑、大跨等都可能存在较大变形，为了分析结构施工卸载与再加载过程变形、受力特点，控制悬挑、大跨及复杂部位结构的变形，对外罩棚钢结构进行施工卸载与再加载的仿真分析，并与设计的一次性加载进行比较，近而验证钢结构卸载方案的合理。通过比较分析，卸载与再加载的分析结果与设计一次性加载的结果相差不大，证实卸载方案的合理，结构安全。
【关键词】 钢结构；施工过程；卸载；有限元分析
1 工程概况
云南省科技馆新馆总建筑面积58995平方米，其中地上45000平方米，地下（六级人防及汽车库）13995平方米，建筑物总高度为50.0m。主体结构地下一层，层高4.5m；地上三层，一层层高10.5m，二层层高13.5m，三层层高10.0m，四层层高为变化值，一至四层局部均有夹层，外罩棚钢结构为空间曲线钢管桁架结构体系，结构受力复杂，中厅最大跨度为30m，穹幕影院上方大悬挑28m。建筑效果图如图1-1所示。
2 卸载方案
2.1安装方法
由于云南省科技馆新馆为复杂大跨度空间结构，构件自重产生的内力所占比例较大，钢结构安装方法和顺序对结构构件在重力荷载下的内力将产生明显影响；同时钢结构安装方法和施工顺序对协调钢结构施工与混凝土结构施工的关系，对保证混凝土结构连续施工、钢结构的顺利安装、室内装修工程及机电设备工程及时插入以及外围基座尽早施工都具有重大的意义。通常，大跨度钢结构的安装方案有整体提升、滑移、分段吊装高空组拼方法（简称散装法）和局部整体提升等方式。云南省科技馆新馆钢结构安装方案的选择过程中对比考虑了上述四种方式，最终确定钢结构总体安裝方案采用高空散装法。
2.2支撑点设置
在确定采用高空散装法的总体安装方案后，随后的重要工作即是确定支撑点的布置、钢结构安装单元的分段以及根据安装单元的吊装工况选择吊机，这三方面的工作既相互联系又相互制约。在支撑点布置的选择过程中，同时还要考虑其位置与混凝土结构的交叉关系，尽量减少支撑塔架设置对下部混凝土结构施工的干扰影响。
最终支撑架布置方案如图2-1所示。
图2-1 支撑架布置图
2.3卸载原则
在钢结构屋面卸载过程中，必须遵循“以结构计算分析为依据、以结构安全为宗旨、以变形谐调为核心、以实时监控为手段”的原则。
本工程整体卸载根据力学原理，以小变形先卸载，大变形分部卸载这一方法，先进行外侧支撑架的卸载，后进行内部支撑架的卸载，内部支撑架根据受力不同，分成多批卸载。卸载过程，必须使结构内力平缓分配，结构变形及内力不能突变。
本工程采用分步卸载与分级卸载相结合的卸载方式。
3 仿真分析
3.1计算假定
（1）假定材料的力学特性不随时间的改变而发生变化，即本次计算所选用的材料均为非时间依存性材料。
（2）计算单元的产生和解除应与相应的施工阶段一致。
（3）荷载的施加和解除应与相应的施工阶段一致。
（4）边界条件的变化应与相应的施工阶段一致。
（5）边界条件根据结构实际并进行一定的简化取值。
（6）边界条件一旦产生，其位置不再发生变化，但可根据不同的施工阶段而退出计算。
采用Midas GEN8.0对本工程钢结构进行施工仿真分析，分析模型如图3-1所示。
图3-1 施工仿真分析模型
3.2卸载分析
根据分部分级卸载原则，支撑架的卸载步骤如下：
第一步：拆除外围主要落地桁架支撑架；
第二步：再分批卸载周边环桁架、悬挑桁架下部部分支撑架；
第三步：逐步卸载屋面中部两侧桁架支撑架；
第四步：剩余中心及主要关键点支撑架位置同时卸载；
第五步：完全卸载。
结合以上卸载步骤，在结构自重作用下（不包括屋面板及檩条自重），分步卸载计算结果如图3-2。
由上述分析结果可知，分步卸载完成以后，结构最大位移在结构最大悬挑部位，其值为36.2mm，悬挑长度28m，为跨度的1/773，最大应力为118.6MPa位置为悬挑端附近。
3.3再加载过程计算结果
主体结构安装完成卸载之后，再安装屋面板及幕墙次结构，在结构自重作用下，此时施工仿真过程计算结果如下图3-3所示。从图中可以看出，再加载的最大变形出现在悬挑部位，最大值为84.6mm；最大应力为205.7Mpa。
（a）再加载最终结构变形云图（mm）
（b）再加载最终结构构件应力云图（MPa）
图3-3 再加载最终计算结果
4 与设计一次加载结果比较分析
4.1设计一次加载结果
设计一次加载计算结果如图4-1所示。从图中可以看出，一次加载的最大变形出现在悬挑部位，最大值为86mm；最大应力为209Mpa。
将一次加载最终结果与卸载再加载进行比较可以看出：
（1）主结构安装、卸载，屋面及次结构安装完成后，结构最终变形悬挑端最大位移为84.6mm，一次加载结构设计悬挑端位移为86.0mm，相差1.6%，符合结构设计要求。
（2）主结构安装、卸载，屋面及次结构安装完成后，结构最大应力为205.7MPa，一次加载结构设计最大应力为209.0MPa，相差1.58%，符合结构设计要求。
4.2内力比较分析
在自重作用下，选取钢结构根部弦杆施工仿真加载过程与设计一次加载过程进行内力比较，选取钢结构悬挑端根部弦杆、两侧落地桁架根部弦杆及北幕墙根部弦杆进行施工过程分析，提取计算结果。
由施工仿真分析桁架根部弦杆轴力与设计分析桁架根部弦杆轴力进行比较可以看出，轴力相差在10%以内。悬挑根部弦杆与两侧落地桁架根部在最终施工完成后轴力略有增加，为设计轴力的5%以内；北幕墙根部施工完成后轴力与一次加载轴力很接近，相差不超过1%。
5 结论
通过对云南科技馆新馆罩棚钢结构进行施工卸载与再加载仿真分析并同设计一次加载仿真分析作对比，可以得出以下几点结论：
（1）主结构安装、卸载，屋面及次结构安装完成后，结构最终变形相较结构设计一次加载结果相差1.6%，结构最大应力相差1.58%，符合结构设计要求。
（2）通过构件根部轴力的比较可以看出两种情况下相差不大，构件仍有很高的继续承载能力，能够确保钢结构施工安全。
（3）结合以上两点，说明施工安装和卸载对结构的附加应力和附加变形影响不大，且均处于弹性范围内，没有对结构造成二次破坏，证实安装和卸载方案的合理性。
参考文献：
[1]北京迈达斯技术有限公司.midas Gen工程应用指南[M].北京：中国建筑工业出版社.
[2]邱德隆等.国家体育场钢结构支撑卸载分析[J].施工技术，2006，11：32～35.
[3]刘树屯，李久林，高树栋等.“鸟巢”钢结构关键施工技术介绍[C]//第六届全国现代结构工程学术研讨会，河北保定，：2006.
[4]杜秀丽.大跨钢结构合拢与卸载研究.太原理工大学硕士学位论文.2007，05.
[5]顾国荣.广州体育馆屋盖钢结构的安装施工.施工技术.2001（6），VOL30，NO.6.
【关键词】 钢结构；施工过程；卸载；有限元分析
1 工程概况
云南省科技馆新馆总建筑面积58995平方米，其中地上45000平方米，地下（六级人防及汽车库）13995平方米，建筑物总高度为50.0m。主体结构地下一层，层高4.5m；地上三层，一层层高10.5m，二层层高13.5m，三层层高10.0m，四层层高为变化值，一至四层局部均有夹层，外罩棚钢结构为空间曲线钢管桁架结构体系，结构受力复杂，中厅最大跨度为30m，穹幕影院上方大悬挑28m。建筑效果图如图1-1所示。
2 卸载方案
2.1安装方法
由于云南省科技馆新馆为复杂大跨度空间结构，构件自重产生的内力所占比例较大，钢结构安装方法和顺序对结构构件在重力荷载下的内力将产生明显影响；同时钢结构安装方法和施工顺序对协调钢结构施工与混凝土结构施工的关系，对保证混凝土结构连续施工、钢结构的顺利安装、室内装修工程及机电设备工程及时插入以及外围基座尽早施工都具有重大的意义。通常，大跨度钢结构的安装方案有整体提升、滑移、分段吊装高空组拼方法（简称散装法）和局部整体提升等方式。云南省科技馆新馆钢结构安装方案的选择过程中对比考虑了上述四种方式，最终确定钢结构总体安裝方案采用高空散装法。
2.2支撑点设置
在确定采用高空散装法的总体安装方案后，随后的重要工作即是确定支撑点的布置、钢结构安装单元的分段以及根据安装单元的吊装工况选择吊机，这三方面的工作既相互联系又相互制约。在支撑点布置的选择过程中，同时还要考虑其位置与混凝土结构的交叉关系，尽量减少支撑塔架设置对下部混凝土结构施工的干扰影响。
最终支撑架布置方案如图2-1所示。
图2-1 支撑架布置图
2.3卸载原则
在钢结构屋面卸载过程中，必须遵循“以结构计算分析为依据、以结构安全为宗旨、以变形谐调为核心、以实时监控为手段”的原则。
本工程整体卸载根据力学原理，以小变形先卸载，大变形分部卸载这一方法，先进行外侧支撑架的卸载，后进行内部支撑架的卸载，内部支撑架根据受力不同，分成多批卸载。卸载过程，必须使结构内力平缓分配，结构变形及内力不能突变。
本工程采用分步卸载与分级卸载相结合的卸载方式。
3 仿真分析
3.1计算假定
（1）假定材料的力学特性不随时间的改变而发生变化，即本次计算所选用的材料均为非时间依存性材料。
（2）计算单元的产生和解除应与相应的施工阶段一致。
（3）荷载的施加和解除应与相应的施工阶段一致。
（4）边界条件的变化应与相应的施工阶段一致。
（5）边界条件根据结构实际并进行一定的简化取值。
（6）边界条件一旦产生，其位置不再发生变化，但可根据不同的施工阶段而退出计算。
采用Midas GEN8.0对本工程钢结构进行施工仿真分析，分析模型如图3-1所示。
图3-1 施工仿真分析模型
3.2卸载分析
根据分部分级卸载原则，支撑架的卸载步骤如下：
第一步：拆除外围主要落地桁架支撑架；
第二步：再分批卸载周边环桁架、悬挑桁架下部部分支撑架；
第三步：逐步卸载屋面中部两侧桁架支撑架；
第四步：剩余中心及主要关键点支撑架位置同时卸载；
第五步：完全卸载。
结合以上卸载步骤，在结构自重作用下（不包括屋面板及檩条自重），分步卸载计算结果如图3-2。
由上述分析结果可知，分步卸载完成以后，结构最大位移在结构最大悬挑部位，其值为36.2mm，悬挑长度28m，为跨度的1/773，最大应力为118.6MPa位置为悬挑端附近。
3.3再加载过程计算结果
主体结构安装完成卸载之后，再安装屋面板及幕墙次结构，在结构自重作用下，此时施工仿真过程计算结果如下图3-3所示。从图中可以看出，再加载的最大变形出现在悬挑部位，最大值为84.6mm；最大应力为205.7Mpa。
（a）再加载最终结构变形云图（mm）
（b）再加载最终结构构件应力云图（MPa）
图3-3 再加载最终计算结果
4 与设计一次加载结果比较分析
4.1设计一次加载结果
设计一次加载计算结果如图4-1所示。从图中可以看出，一次加载的最大变形出现在悬挑部位，最大值为86mm；最大应力为209Mpa。
将一次加载最终结果与卸载再加载进行比较可以看出：
（1）主结构安装、卸载，屋面及次结构安装完成后，结构最终变形悬挑端最大位移为84.6mm，一次加载结构设计悬挑端位移为86.0mm，相差1.6%，符合结构设计要求。
（2）主结构安装、卸载，屋面及次结构安装完成后，结构最大应力为205.7MPa，一次加载结构设计最大应力为209.0MPa，相差1.58%，符合结构设计要求。
4.2内力比较分析
在自重作用下，选取钢结构根部弦杆施工仿真加载过程与设计一次加载过程进行内力比较，选取钢结构悬挑端根部弦杆、两侧落地桁架根部弦杆及北幕墙根部弦杆进行施工过程分析，提取计算结果。
由施工仿真分析桁架根部弦杆轴力与设计分析桁架根部弦杆轴力进行比较可以看出，轴力相差在10%以内。悬挑根部弦杆与两侧落地桁架根部在最终施工完成后轴力略有增加，为设计轴力的5%以内；北幕墙根部施工完成后轴力与一次加载轴力很接近，相差不超过1%。
5 结论
通过对云南科技馆新馆罩棚钢结构进行施工卸载与再加载仿真分析并同设计一次加载仿真分析作对比，可以得出以下几点结论：
（1）主结构安装、卸载，屋面及次结构安装完成后，结构最终变形相较结构设计一次加载结果相差1.6%，结构最大应力相差1.58%，符合结构设计要求。
（2）通过构件根部轴力的比较可以看出两种情况下相差不大，构件仍有很高的继续承载能力，能够确保钢结构施工安全。
（3）结合以上两点，说明施工安装和卸载对结构的附加应力和附加变形影响不大，且均处于弹性范围内，没有对结构造成二次破坏，证实安装和卸载方案的合理性。
参考文献：
[1]北京迈达斯技术有限公司.midas Gen工程应用指南[M].北京：中国建筑工业出版社.
[2]邱德隆等.国家体育场钢结构支撑卸载分析[J].施工技术，2006，11：32～35.
[3]刘树屯，李久林，高树栋等.“鸟巢”钢结构关键施工技术介绍[C]//第六届全国现代结构工程学术研讨会，河北保定，：2006.
[4]杜秀丽.大跨钢结构合拢与卸载研究.太原理工大学硕士学位论文.2007，05.
[5]顾国荣.广州体育馆屋盖钢结构的安装施工.施工技术.2001（6），VOL30，NO.6.