华中科技大学硕士学位论文大跨度网壳结构施工过程数值模拟与监测姓名：纪晗申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：熊世树20061109华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 结构设计时，均是针对使用阶段的成型结构，而施工过程中结构受力性能与使用阶段具有较大差异，施工控制不当容易出现安全问题，所以深入研究结构施工模拟方法和施工监测方法，对结构的设计和施工具有重要意义。本文以华中科技大学体育馆为工程背景，采用数值模拟和现场监测对其网壳结构屋面进行了全面的研究，为评定结构性能和设计、施工提供依据。 本文首先对网壳结构的设计分析方法和施工监测现状进行了系统的总结和概括，介绍了各种施工方法的施工工艺和适用条件；进而，采用单元生死技术对传统的逐阶段建模法进行了改进，并详细阐述了数值模拟时涉及的几个关键技术问题，为网壳结构的施工过程模拟分析提供了理论依据。 基于单元生死法施工模拟原理，运用 ANSYS 有限元软件建立了体育馆屋盖模型，进行了施工过程数值模拟，重点探讨了温度效应、几何非线性及支承条件对结构受力性能的影响规律，同时指出支承柱临界截面的存在，温度效应和边界条件变化对网壳结构边桁架杆件受力影响最为显著，温度变化 10影响达 30%，考虑支承弹性的影响在 15%以上。 最后，结合体育馆具体工程实例，制定了合理的监测方案，采用钢弦式应变计对该网壳结构高空散装法施工进行了全过程监测，其结果表明施工方法合理，监测结果和模拟分析结果具有相同的规律且偏差在 13%左右，这也验证了本文模拟分析方法的可靠性。 本文数值模拟分析方法和现场监测结果，对于大跨网壳结构的设计、施工有着重要的理论和实践意义。 关键词：网壳结构 施工数值模拟 温度效应 几何非线性 边界条件 施工监测 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract The simulation and the monitoring on the structure in construction are important to the structure in design and the structure in construction, because the design is always for the use in normal condition but not for the construction process, which is much different in the mechanical properties. Based on the project of the gymnasium in Huazhong University of science and technology, studied of the reticulated shell were performed in the numerical simulating and in the site monitoring, to assess the structure ability in design and in construction. Firstly, the methods of design, monitoring and construction for reticulated shell were introduced; then the improvement was acquired on the traditional method by finite element analysis, which modelled step by step; then the key effect factors in the process were reviewed. Secondly, the construction simulation were performed by the model in ANSYS. The effect were emphasized in the construction process, which induced by temperature, geometric nonlinearity, and boundary condition. The conclusions were given that the stress decreased thirty percent for temperature change 10, and decreased fifteen percent for considering the elasticity support. At last, the problem monitoring scenario were found though steel wire type resistance strain gage, the data of which were different with the simulating data about thirteen percent and were considered matched well with the engineering. The numerical simulation was verified by the scenarios. The conclusion of the numerical simulation and the monitoring analysis may provide some useful references to the theory in design and the engineering in construction of the reticulated shell structures. Key Words：reticulated shell construction numerical simulation temperature effect geometric nonlinearity boundary condition construction monitoring 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 200 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密? ，在_年解密后适用本授权书。 不保密?v。 （请在以上方框内打“ v” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期：200 年 月 日 日期： 200 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 绪 论 1.1 本文研究的目的和意义 随着国民经济建设的蓬勃发展，各类工程建设规模日益扩大，重大工程项目包括高耸建筑、大跨度建筑、地下建筑、深大基础、高坝、海洋工程等日益增多，这些结构的共同特点是施工规模大、范围广、周期长、过程复杂。与此同时，建筑施工中发生的事故也不断增多，严重影响了人民的生命财产安全及工程建设速度。表1列出了19771981年间各种工程结构发生倒塌事故的统计结果1。 表 1- 1 1977 年1981 年间出现的结构倒塌事故 施工期间倒塌 使用期间倒塌 结构类型 倒塌结构数 起数 百分比/% 起数 百分比/% 桥梁 38 7 18 31 82 建筑物总数 60 21 35 39 65 低层建筑 25 8 32 17 68 多层建筑 10 6 60 4 40 工业建筑 16 3 19 13 81 大跨度建筑 9 4 44 5 56 从表1- 1看出，大跨度建筑似乎显得事故量偏低，这与当时这类建筑数量偏少有关。值得注意的是，从1978年1月1980年5月的两年半时间内就发生了9起大跨度建筑塌毁事故（其中4起发生在美国内），表明这类建筑物在这一段时期内出现了较高的坍塌事故率，必定存在一定的问题1。 文献1将造成事故的原因归纳为六个方面，即结构设计、详图设计、施工、维修、材料以及对外因的考虑不周等，其中结构设计、详图设计、施工三个方面的问题称为主要事故原因。 据我国近十年357起倒塌事故统计，有78%是在施工中发生的。表1- 2列出了19771981年间按事故原因划分的大跨度建筑物事故。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2表 1- 2 19771981 年间按事故原因划分的大跨度建筑物事故 事故原因 大跨度建筑物坍塌事故数 （百分比） 大跨度建筑物危险事故数 （百分比） 事故总数 （百分比） 设计 1(12%) 1(20%) 2(14%) 详图 4(44%) 2(40%) 6(43%) 施工 4(44%) 2(40%) 6(43%) 从表1- 2 1中我们也可以看出，对于大跨度建筑物来说，由于未考虑实际施工过程中诸多不确定影响因素而引起的结构坍塌事故占了很大比重。造成施工过程中诸多结构倒塌的原因主要有两个方面：结构施工过程中固有的不确定性和复杂性决定了结构性能的千变万化，这是结构施工阶段平均风险率较高的内在原因；对结构施工过程中结构的力学性能研究不充分以及施工管理的不完善，是结构施工阶段平均风险率较高的外在原因2。 因此对结构进行施工全过程分析，对工程设计、施工控制及施工安全都具有十分重要的意义。目前现有的规范还没有针对这类工程实际问题提出相应的应对措施或解决方案，这方面的研究已经受到了国内外学者的关注。 1.2 网壳结构分析理论现状 1.2.1 成型结构分析理论 目前，对基于已定拓扑关系的结构来说，其受力分析的基本原理和方法可归结为两大类：一类是根据连续化假定的方法；另一类是根据离散化假定的方法。针对网壳结构的第一类分析方法即所谓的拟壳法，第二类方法则为杆系结构的矩阵位移法或有限单元法。这里对这两种方法分别作简要介绍。 1、拟壳法 拟壳法的基本原理是将离散的杆件体系所组成的网状壳体，根据静力等效和物理条件等效的原理比拟为连续的弹性壳体，然后按经典的弹性壳体理论求解3。工程中对于球面、柱面或马鞍型双曲抛物面的格构式结构常采用这种方法分析，分析时将这类球面、柱面网壳比拟为连续的光面实体球壳或柱壳。按照弹性薄壳的一般理华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3论进行分析，求得壳体的应力和位移，再根据壳体应力值折算成杆件内力。这类方法通常要经过连续化再离散化的过程3。 根据拟壳法的基本原理不难发现，在分析网壳结构时该方法的优点是显然的。对于工程中经常采用的球面或柱面网壳，可以借助已获得的相应弹性连续壳体的解答。这样，可以不使用计算机也可求得网壳的内力，由分析的结果可宏观地了解结构的力学性能。对于简单荷载工况和边界条件下的球面和柱面网壳可以直接利用分析结果进行设计，当然，基于拟壳法所获得的解是近似的。 壳体理论是比较复杂的。其特别困难之处在求解微分方程。一般而言，要寻找一个满足符合全域变形规律的位移函数只有在某些特定的条件下才是可能的。为此，国内外许多学者致力于近似理论的研究。目前得到公认并迄今还被大量地引用的壳体理论是基