机场大跨度空间钢结构拆建方案模拟优化与监测技术研究

1 工程概况

南充高坪机场改扩建项目航站楼工程包括新建T3航站楼和改造T2航站楼。T2航站楼地上两层，房屋高度为27.60m（室外地面至檐口最高处），屋盖采用正放四角锥网架，螺栓球节点，采用钢柱在网架下弦支承，网架最大跨度约30m，最大悬挑约12m，网架整体厚度为2.0m。T3航站楼地上两层，房屋高度为35.40m（室外地面至檐口最高处），屋盖采用正放四角锥网架，螺栓球节点，采用钢筋混凝土柱在网架下弦支承，网架最大跨度约35m，最大悬挑约12m，网架整体厚度为2.0m。由于T2航站楼轴右侧现有网架悬挑部分与T3航站楼位置冲突（图1），会影响T3航站楼建设，因此，需要先将T2航站楼轴右侧悬挑网架进行改造和拆除。T3新建网架从东到西分段分别使用分块整体吊装法、高空散装法与整体顶升法。

图1 T2与T3航站楼原位置与施工方案方法示意

2　机场大跨度空间钢结构施工全过程 仿真 模拟分析

2.1 T2钢网架改扩建施工全过程仿真模拟

考虑到保留结构的影响，T2钢网架必须进行保护性拆除安装，先对构件进行加固。通过Midas根据现场实际输入钢网架几何信息、物理信息、行为信息与规则信息，建立各阶段有限元模型，定义与现场 实际情况一致的荷载（如网架自重、风载与温度荷载 等，并考虑荷载组合）与边界条件，划分网格，对施工方案进行模拟分析，确保拆除安装过程中不会破坏结构，综合多种拆除、安装方案选型，最终确定T2网架悬挑部分加固拆除方案施工全过程。

2.2 T3钢网架新建施工全过程仿真模拟

钢网架常见施工方法包括高空散装法、高空滑移法、分块整体吊装法、整体顶升法、整体提升法等。通过计算分析与结合现场实际施工情况，对T3网架从东向西分区段分别采用分块整体吊装法、高空散装法和整体顶升法。

整体吊装法是指将钢网架整体分成条状或块状单元，在地面按施工方案确定的位置拼装好，再分别由起重机吊装至高空设计位置就位搁置，然后再拼装成整体的安装方法。每个单元的重量以现有起重机能力可以胜任为准。其工艺特点：（1）首先是大部分焊接、拼装工作量在地面进行，有利于提高工程质量；（2）高空作业减少，大幅提高了施工安全度；（3）不需要搭设大量脚手架、脚手板，节约了材料和人工，从而降低了工程费用和成本；（4）由于采用机械化吊装施工，加快了施工进度，缩短了工期。

T3中间部位利用起步网架作为施工平台进行高空散装的施工方法，散装施工过程仿真模拟如图2所示。对于高空散装法而言，其主要施工特点在于网架结构的各个单元构件在高空中进行拼接施工，能够有效解决钢网架施工过程中杆件吊装困难的问题。在T3中部进行高空散装法施工时，施工人员对轴线的水平位置以及竖向标高进行实时检查和及时调整，确保中部钢网架顺利完工。

图2 T3钢网架新建施工高空散装法仿真模拟

本项目采用整体顶升法安装钢结构网架可以降低安全风险，减少投入，节约成本，加快施工进度，提高项目的经济效益。T3最西侧部位利用整体顶升法进行施工，顶升施工过程仿真模拟如图3所示。

图3 T3钢网架新建施工整体顶升法仿真模拟

2.3 钢网架拆除与新建施工全过程力学性能分析

提取T2改扩建与T3新建钢网架施工过程中各阶段最不利应力和挠度，各阶段力学性能指标均满足要求，确保钢网架结构施工全过程安全稳定；同时也得到影响结构施工安全的应力和变形等关键因素和位置，可为后续大型钢网架施工过程优化设计与智能监测奠定基础。

根据初定的拆除与新建施工方案，借助Midas有限元软件，建立仿真分析模型，进行施工全过程仿真模拟，并进行反复迭代计算分析，得到影响结构施工安全的应力和变形等关键因素，并根据计算结果指导拆除、加固、新建等施工全过程。

3　机场大跨度空间钢结构拆除与加固施工方案优化及设计

T2拆除过程中通过计算分析可知，拆除柱施工范围屋面及檐口装饰铝板后，部分杆件应力超过0.95应力比限值，采用增大截面法对危险杆件进行加固，利用SPC模拟杆件加固过程。

原设计加固杆件102根，通过Midas有限元模拟增大法，发现加固后杆件应力与未加固状态应力相比明显降低；模拟计算后最终将杆件加固数量优化为59根。通过拆除与加固施工方案优化及设计，直接降低加固工作量近50?%，科学减少人力、物力、财力投入，且能有效保证拆除过程钢网架的安全。

基于有限元模拟计算结果，通过获取结构受力、位移等力学响应，进行方案优化，提出修改建议，给出最优方案。根据最终方案，分析施工过程是否安全，节省成本，节约工期，为施工过程提供指导，并为施工安全智能监测提供理论依据。

4 机场大跨度空间钢结构智能监测技术研究

航站楼作为典型的大跨度钢结构，具有跨度大、结构形式复杂多样的特点，为保证钢网架结构施工安全，获取结构在施工过程中的应力应变情况以及变形状况，必须对其结构进行监测。为避免施工过程中杆件应力出现超过设计值及结构或构件出现过度的变形与破坏的情况，进行Midas建模和有限元分析，再通过施工监测数据，分析结构实际应力应变及变形情况，为施工安装提供数据支持，对比模拟情况与监测数据，研究钢网架受力的合理性，确保其顺利安装及施工安全。

本工程T3采用部分整体顶升、分块起吊和高空散装相结合的综合施工方法，T2需要拆除大量杆件，可能会影响结构受力和边界情况。因此，通过应力和变形监测，能够实时反映网架杆件的应力和变形数据，以确保在顶升、吊装和散装过程中的受力情况合理。

监测意义：（1）对重要杆件应力超限的报警，监测网架施工阶段的位移挠度、关键部位的受力状态，并评价结构或构件当前健康状况；（2）确保结构施工及运营维护期间的安全，及时发现结构异常及安全储备的不足；（3）提供现场试验模型、试验系统和试验数据，研究未来作为航站楼投入使用后结构受力状态和环境作用。

施工现场监测信息的获取主要采用物联网自动化传感器，并配备物联网采集模块。为确保钢网架拆除与新建全过程的安全性，项目采用智能监测技术，对施工全过程进行监测和反馈。该智能监测系统将实时监测钢网架施工的应力和变形情况，在出现异常情况时发出警报，并采取有效措施进行管控，以确保整个安装过程的安全。监测重点主要是钢网架杆件的应力监测和钢网架的变形监测。

内力响应是评估结构安全性的重要指标，特别是在施工过程中，关键部位的杆件内力受施工影响较大。为确保施工安全性，有必要对钢结构的关键部位构件的内力进行监测。根据Midas对施工全过程的模拟结果，需要选择各个阶段内力较大的位置进行监测。为了实现应力监测反馈，采用振弦式传感器和无线采集终端。应变计底座与杆件相连，当杆件受到力或温度影响而发生变形时，应变计的钢弦也会同步发生变化，导致其电频率改变。通过公式换算得出结构的应力和应变数据。数据通过无线采集终端传送到云端，通过智能监测平台进行观察和分析。在监测平台上设置预警阈值，一旦数据超过了阈值，系统将及时发出警报，以确保施工安全。

变形监测主要集中在网架下弦螺栓球，特别是在跨中关键部位和仿真模拟分析的不利位置。变形监测采用激光变形传感器、静力水准仪和全站仪等仪器设备。在测点下平面粘贴反光片，并确保可以通视，同时将棱镜头的方向调整到监测控制基准点位的方向。全站仪采用极坐标测量法，通过测量距离、水平夹角和竖直夹角3个观测量，计算出监测点的三维坐标，实现对水平变形和偏移量的监测。在T2拆除过程中，静力水准仪用的是连通器原理，需要在一个固定不动点位安装水箱，T2挠度变形监测点附近有固定不动的混凝土柱，可借助此条件安装水箱。T3考虑实际施工场地情况，挠度变形监测使用激光变形传感器。

结构变形监测数据以及应力应变监测数据自动采集并传输至后台服务器，运用专用的数据分析软件算法，对数据进行处理分析，得到变形与受力目标数据，通过智能监测平台进行三维展示。同时根据现场安装作业工况设置阈值，通过可视化显示数据同阈值的占比，反馈全过程的整体稳定性及安全情况。在施工安装过程中，如果达到设定的阈值，快速推送报警信息，信息内容包括应力达报阈值的时间、地点、变化趋势及处理建议等。同时，对未达到报警数值的数据进行存储，有数据中心分析，决定后期是否增加监测频次。

考虑到钢网架拆除新建过程的安全情况，采用智能监测技术，进行拆除安装全过程监测反馈，实时监测钢网架拆除全过程的应力位移情况，并对异常情况进行预警，及时停工并采取有效措施进行管控，确保拆除安装全过程的安全。监测数据表明，钢网架拆除全过程的应力、位移均处于安全范围之内。

5 结论

（1）通过借助Midas有限元软件，建立了南充机场T2与T3大跨度钢结构仿真分析模型，进行施工全过程仿真模拟且反复迭代计算分析，得到了影响结构施工安全的应力和变形等关键因素，并根据计算结果指导拆除、加固、新建等施工全过程。

（2）基于仿真模拟计算结果，获取了机场大跨度钢结构关键位置应力、位移等力学响应，对方案进行了优化，提出了修改建议，给出了最优方案。根据最终方案，将加固工作量降低近50?%，且能有效保证

拆除过程钢网架的安全，为施工安全智能监测提供理论依据。

（3）采用智能监测技术，对机场大跨度钢结构拆除安装全过程进行监测反馈，实时监测钢网架拆除全过程的应力变形情况，对异常情况进行预警，及时停工并采取有效措施进行管控，确保机场大跨度钢结构施工全过程的安全可靠。