第 1章 绪论
1.1 研究背景与意义
建筑行业一直是我国经济发展的主要推动力之一，是国民经济快速增长的重要助力。而经济的发展同时也推动了建筑行业的进步。改革开发以来，我国的建筑行业一直处于快速发展阶段，且建设规模的扩大化，建筑体型的多样化，结构体系的复杂性等，都对建筑施工工艺提出了更高的要求。
近些年各种大型航站楼、剧场、车站、体育场、会议展览中心等建设项目日趋增多，在满足其使用功能的同时，也在朝着更高更大的跨度方向发展，同时在其建造方面也在朝着经济、美观、绿色环保的方向发展。而且很多大型建筑已经不再是一个单独的建筑，历史与人类赋予了这些建筑不同的色彩，比如我国著名建筑“鸟巢”、“水立方”[1],它不仅仅代表着我国超高的建筑水平，也是我国在人类奥运会史书上留下的自豪一页；国外著名的悉尼歌剧院它不仅仅是一座矗立在海湾的美丽的贝壳屋，也是澳大利亚国家的骄傲，同时也是世界建筑史上辉煌的一页；尼日利亚建造的阿布贾航站楼，它不仅仅是改变尼日利亚首都地区交通出行的新方式[2]，也是中国与尼日利亚之间的友好关系的代表。
钢材，作为建筑材料之一，因材质均匀、轻质高强、塑性韧性好、加工方便、施工速度快、绿色环保等优点被广泛应用于建筑结构中；又钢结构具有强度高、刚性好、自重轻、工厂化程度高、抗震性能好、结构寿命长、回收利用率高等特点，与钢筋混凝土结构相比，钢结构在建造大跨和超高、超重结构方面有着得天独厚的优势[3][4]。
但钢结构自身稳定问题较为突出，针对大跨空间钢桁架结构，其自身又存在自重较大、形式多样、结构复杂、安装精度高、柔性大等特性，因此控制安装过程中结构变形十分重要[5]。除此之外，钢桁架的安装，是结构体系从无到有、从简单到复杂、从局部到整体、从施工零态到竣工后的初始态，其受力形式将呈现出过大的变化[6]。施工过程中结构的受力形式与使用阶段结构的受力形式存在显著差异[7]。据不完全统计，约 2/3 的工程事故都发生在施工安装阶段[8][9]。
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1.2 研究现状
大跨度的建筑不仅可以拥有复杂美观的造型，而且作为一种可以充分展示本国建筑科学技术水平与体现国家综合国力的的标志性建筑[11-13]，深受世界各个国家的重视与喜爱。例如国际性的博览会、奥运会以及重要的交通枢纽等都采用了大跨钢结构的形式[13]。大跨钢结构的发展，推动了安装工艺的前进。
1.2.1 国外研究现状
大跨钢结构在国外起源较早，发展比较迅速。并且在美国、日本、欧洲等发达国家大跨钢结构的发展尤为迅速[11][14]。
根据记载，历史上最早的金属结构房屋出现在 18 世纪末的英国；当时大跨钢结构的使用目的较为单一，主要被用来建造厂房。而进入到 19 世纪大跨钢结构的发展比较迅速，此时大跨钢结构被大量应用于体育馆、展览馆、会议中心等各种大型公共建筑，例如：建于 19 世纪 70 年代的卡尔加里市的大型体育馆、19世纪 80 年代法国的世界博览会机械展览馆、19 世纪 90 年代新加坡的 MEGA 会议会展中心等[14][15]。进入到 20 世纪后，建筑技术的快速发展，各种轻型钢材、化学合成材料的出现与应用、世界会议以及奥林匹克运动会的举办，促使大跨钢结构的发展更为迅速，人类开始建造各种各样的大跨度钢屋盖体育馆、航站楼、会展中心、剧场等[16][17]，例如 1957 年的罗马小体育馆[18]、1976 年美国新奥尔良市体育馆、1989年美国西雅图金郡圆球顶、1994年建成的日本关西机场航站楼、1999年英国千年穹顶等。
由于进入 20 世纪后，各种新型、复杂、大跨建筑的出现，使得传统的施工方法已经无法满足建筑的建造，人类开始探索其它有效的施工方法来满足大跨钢结构的顺利建造，例如日本川口卫教授提出的攀达穹顶施工法[19][20]，在日本神户纪念馆网壳结构的施工中得到成功应用；James 等学者针对大跨空间结构施工提出一些建议，并强调在施工中可以对整体安装方法进行推广[21][22]。许多学者在研究施工技术的过程中，将计算机技术融入到施工工艺中。其中最早开始使用计算机是在 1972 年的慕尼黑奥运会场馆建设中，从此开启了计算机技术求解结构体系的大门。
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第 2 章 钢桁架安装工艺理论
2.1 概述
大跨空间钢桁架结构的安装作业是指将一系列构件或提前拼装好的准结构单元通过施工技术逐渐安装到设计位置并形成最终的结构形态[4]。在结构的安装过程中，如何在保证结构安全与构件或单元准确就位的前提下，实现施工的绿色与经济，是当代绿色环保施工的最终目的。但大跨空间钢桁架结构在未成型前，其受力状态与设计阶段不同，稳定性较差，在施工中可能由于安装构件或单元的强度不足、位移过大或局部失稳等而导致安全事故。因此，为实现大跨空间钢桁架结构尤其是复杂钢屋盖的顺利安装，对其安装工艺理论进行研究是十分有必要的，是保证安装工作顺利进行的前提与决定性因素。
2.2 施工方法
选择合理的安装方法，可以在钢桁架的安装作业中起到事半功倍的效果。现阶段，典型的钢桁架施工安装方法主要有 6种，具体介绍如下所述。
（1）高空散装法
高空散装法又称单元安装法，是指将需要安装结构的散件或小单元通过相应设备放置到设计位置并直接在该位置完成相应的拼装焊接工作，形成最终结构的方法[1]。具体可分为两种方式，其一为全支架法，是指通过搭设大量的脚手架来完成散件的拼装工作[11]；其二为悬挑法，是指利用已安装完成的结构作为后面未安装构件工作面的方法。
高空散装法是一种传统的钢构件安装工艺，是空间安装施工方法的基础[3]，其优点在于施工比较灵活、工艺相对简单、不需大型起重设备、适用性较为广泛；缺点是现场高空作业多、结构拼装精度不易控制、施工周期长。同时在利用脚手架或已安装部分结构做支撑时，需对其稳定性进行分析。例如南京市国际展览中心屋顶拱桁架的安装[50]采用的此种方法。
（2）高空滑移法
高空滑移法，是指将已拼装完成的单元或结构利用提前安置的滑轨滑动到设计位置，在进行单元组装的方法[3][11][51]。具体可分为两种方式，其一为单条滑移法，是指将被安装的条状单元依次滑动到设计位置，在进行拼装与连接；其二为逐条累积滑移法，是指将被安装的条状单元在滑轨滑动一定距离，再将第二个条状单元滑动到与第一个条状单元对接一起的位置，对接后，将二者一起滑动到一定距离后，在与第三个滑移单元连接，一直循环施工到连接最后一个滑移单元的方式。
高空滑移法主要优点有：减少高空作业、无需大型机械设备、可上下交叉作业、成本较低、工期较短；缺点是：该方法的应用有一定的局限性，在滑动过程中，被滑移单元的稳定性难以保证，需要对其稳定性进行分析。例如榆林机场航站楼钢屋盖[3]的安装采用的此种方法。
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第 3章 航站楼屋盖钢桁架安装方案....................15
3.1 概述.....................................15
3.2 工程概况...................................15
第 4章 屋盖钢桁架成型过程有限元分析.......................41
4.1 概述................................41
4.2 有限元模拟的依据与目的.......................41
第 5章 钢桁架屋盖卸载阶段有限元分析与监测.......................51
5.1 概述......................................51
5.2 临时支撑.........................51
第 5 章 钢桁架屋盖卸载阶段有限元分析与监测
5.1 概述
对钢桁架屋盖卸载阶段进行有限元分析与监测有着重要的意义。在结构成型过程中，不完整结构由于材料未达到强度或结构未形成整体导致无法承载，在工程建设过程中往往要增加临时支撑辅助结构成型。临时支撑的存在，一方面可以改善结构的受力性能；另一方面，可能改变结构原有的受力情况，杆件件发生应力重分布。本章主要以航站楼工程 8 轴~21 轴临时支撑的卸载阶段为研究对象，对其进行有限元分析与施工监测，为类似工程的实施提供指导意义。
航站楼 8 轴~21 轴主桁架采用钢桁架分段吊装方式进行安装，考虑到钢桁架两边悬挑桁架跨度均较大，且自重较大，采用支撑胎架辅助该区域钢桁架的安装作业。该区共设 12 个支撑胎架辅助钢桁架的安装作业。支撑胎架分布置详图 3-12。
每个支撑胎架由 4 根 H 型钢组成，H 型钢间自底部至上部均设置纵横向及斜向支撑，支撑上部用 4 根缆风绳固定，支撑下部用预埋螺栓和混凝土结构连接。支撑胎架的竖向杆件与顶部横向杆件均采用 H300x300x10x15 的型钢；其余横向杆件采用 H200x200x8x12 的型钢；斜向杆件采用 L100x6；材质均为 Q235B，最大支撑高度为 16.9m。
临时支撑在钢桁架的成型阶段与永久支撑共同受力，在该阶段临时支撑的安全性对钢桁架的安装与施工的整体安全都有着重要的作用，该阶段临时支撑的验算已在钢桁架的成型阶段进行分析。但当钢桁架成型后，临时支撑作为一种临时结构，需要退出工作，此时需要进行钢桁架安装阶段的最后工作，即临时支撑的拆除，临时支撑拆除完成后，即完成了屋盖钢桁架的整体安装工作。考虑到由于临时支撑的拆除，使永久支撑的荷载增加、临时支撑的荷载减小，同时会对部分杆件造成内力重分布，可能会由拉杆变成压杆，造成杆件的局部失稳或结构的整体失稳。因此有必要对钢桁架安装的最后阶段——临时支撑的拆除阶段进行验算分析与监控。
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结论与展望
结论
本文以邯郸市航站楼屋盖钢桁架的安装工程为依托，对空间大跨钢桁架结构的安装工艺做出研究。主要从屋盖钢桁架安装方案的制定，有限元模拟分析施工过程以及卸载阶段的监测三方面进行分析研究，并将工程监测数据与理论分析数据对比，互相验证方案的正确性。主要得到以下结论：
（1）钢桁架安装过程的模拟分析，包括吊装、成型、卸载三个阶段；在工程实际应用中，需对三个阶段制定相应的方案，通过三方面的有限元模拟分析，才可以从施工模拟的角度验证方案的可行性；
（2）钢桁架在成型、卸载阶段结构的应力、位移、稳定性的变化与施工步骤的安排密切相关。在工程实际应用中，可通过合理的施工步骤划分，控制结构在施工过程中的应力、位移与稳定性，保证施工的安全进行；
（3）通过对钢桁架开始安装至卸载完成的静力分析，得到了①主体结构的应力、位移最值受施工阶段的影响比较小；②钢桁架、支撑胎架的应力、位移的最值与位置在施工过程中均处于动态变化，其钢桁架的应力、位移最值的大小由急剧增长到平稳变动状态；而支撑胎架在成型阶段的第 25 步时，最值应力、位移都显著增大，后期逐渐趋于平稳。该规律可为该工程与类似项目的安装工程提供有效的力学分析指导
；（4）通过对结构由开始安装至卸载完成的屈曲特征值分析，可以得到结构在施工过程中稳定性前期处于比较平稳的状态，后期开始变动，尤其从 25 步开始，结构的稳定性一直处于大幅度变化中，且随屋脊桁架的安装，结构的稳定性能急剧下将。同（3），该规律可为该工程与类似项目的安装工程提供有效的力学分析指导；
（5）通过在卸载过程中对局部杆件的应力值进行分析，可以发现，随卸载过程的进行，桁架应力处于动态变化中，且距离胎架较近支座位置处的桁架杆件应力在增长，反之，距离胎架较远支座处的杆件应力值在减小；该应力变化规律在类似的工程卸载中可作为参考，指导钢桁架的监测工作；
（6）通过将监测数据与计算数据比较，可以发现 MidasGen 有限元软件可以很好的用于施工力学模拟分析。在工程实际应用中，可以优先考虑选用该软件进行数值模拟分析；
本文得到的上述结论可用于指导类似项目的施工，能较好的为项目方案的制定提供技术思路。
参考文献（略）