复杂空间桁架结构的受力分析与施工控制研究

摘要：复杂空间桁架结构因其轻质高强、跨度大、受力合理等优点，被广泛应用于大型公共建筑和桥梁工程。然而，其复杂的受力机制及施工过程中的不确定性，使得合理的受力分析与精确的施工控制成为确保结构安全性和耐久性的关键问题。本文围绕复杂空间桁架结构的受力特性，探讨不同施工阶段的受力变化，并结合有限元分析方法对其受力状态进行模拟，以提高受力计算的准确性。此外，针对施工过程中可能出现的形变、节点连接精度偏差及施工荷载影响等问题，提出了一系列优化的施工控制技术，包括高精度测量、施工变形监测及信息化施工管理手段。研究结果可为复杂空间桁架结构的设计和施工提供科学依据，以确保工程质量和施工安全。

关键词：复杂空间桁架；受力分析；施工控制；有限元分析；结构稳定性

复杂空间桁架结构是现代建筑与桥梁工程中的重要结构形式，常用于体育馆、会展中心、机场航站楼等大跨度建筑。这类结构通常由多个杆件按照特定的拓扑关系组成，依靠节点连接形成稳定的空间受力体系，其受力主要以轴向力为主，弯矩和剪力较小。然而，由于杆件布置形式多样，受力情况复杂，使得结构的计算分析和施工控制难度较大。近年来，随着计算机技术的发展，有限元分析方法被广泛应用于复杂结构的受力计算，使得结构分析更加精准；同时，BIM技术、智能监测等信息化手段的引入，为施工控制提供了更科学的指导。本研究基于复杂空间桁架结构的受力特点，分析施工控制的关键技术，并探讨优化策略，以期提高施工质量，保障结构安全。

一、复杂空间桁架结构的受力特性分析

（一）空间桁架结构的基本概念及分类

空间桁架结构是一种以杆件连接形成稳定三维受力体系的结构形式，主要包括单层桁架、双层桁架及网壳结构。单层桁架通常用于跨度较小的建筑，如厂房、站台雨棚等，其主要承受轴向力，并依靠外部支撑提供刚度；双层桁架结构刚度更大，适用于跨度较大的场合，如体育馆屋盖、会展中心等；网壳结构则通过网状杆件组合形成高刚度壳体结构，常用于超大跨度的公共建筑，如机场航站楼、大型展览馆等。

（二）复杂空间桁架结构的受力特点

复杂空间桁架结构的受力特点主要体现在其轴向力主导的受力模式。由于杆件通常采用高强度钢材（如Q345、Q390），其轴向承载能力强，而弯矩和剪力较小，因此能够在轻质结构下实现高承载力[1]。受力分析时需考虑荷载分布、支座条件及材料性能等因素，特别是在施工过程中，由于结构未完全形成，其受力状态动态变化，易导致局部杆件应力集中。例如，在施工吊装过程中，未闭合的桁架节点易形成超静定受力状态，若不采取临时支撑或调整施工顺序，可能导致局部屈曲或过大变形。

（三）有限元分析在复杂空间桁架结构中的应用

有限元分析（Finite Element Analysis， FEA）是复杂空间桁架结构受力分析的重要手段。常用软件包括ANSYS、ABAQUS和SAP2000等。有限元建模时，需合理选择单元类型，如采用杆单元（Beam Element）进行线性分析，或采用壳单元（Shell Element）进行非线性大变形分析。此外，边界条件的设定对计算精度影响显著，如对实际工程中的铰支座、刚性节点等要进行精确建模。在施工模拟过程中，常采用逐步加载法（Incremental Load Method）分析不同阶段的受力变化，评估施工顺序对结构变形的影响，以优化施工方案。例如，在某大型体育馆施工过程中，通过有限元模拟发现某一施工阶段局部应力超限，因此调整了临时支撑位置，从而避免了结构损伤。

二、复杂空间桁架结构的施工控制技术

（一）施工工艺选择与影响因素

复杂空间桁架结构的施工方法主要包括整体提升法、分块拼装法和滑移施工法。不同方法适用于不同类型的工程，选择时需要综合考虑结构规模、施工场地条件、设备能力以及施工安全性等因素[2]。

整体提升法适用于大跨度、整体性强的结构，可减少高空作业，提高施工安全性。施工时，桁架结构先在地面拼装完成，然后通过液压同步提升设备整体提升至设计标高。例如，在某机场航站楼施工中，采用液压提升技术将3000吨桁架屋面整体提升至40米高空，提升过程中实时监测受力变化，确保施工安全。

分块拼装法适用于场地受限或结构复杂的工程，施工时将桁架分成多个单元，在地面拼装后进行吊装。例如，在某展览馆建设中，由于场地限制，施工方采用10个单元分块拼装，使用塔式起重机进行高空组装，有效控制了施工误差，提高了拼装精度。

滑移施工法多用于桥梁或大跨度厂房屋盖，施工时桁架在地面拼装完成后，通过轨道滑移至设计位置。例如，在某跨度120米的钢结构厂房建设中，采用轨道滑移法，使屋盖顺利移动到设计位置，减少了高空作业的安全风险，提高了施工效率。

（二）施工测量与变形控制技术

施工测量的精度直接影响桁架结构的安装精度和安全性。现代工程广泛采用GPS测量、全站仪控制和激光扫描技术，以确保结构安装误差控制在毫米级。

在某会展中心桁架施工中，施工方采用激光扫描技术对节点进行测量，并结合计算机分析，使测量误差控制在±2mm以内。同时，全站仪对施工全过程进行实时监测，确保安装精度满足设计要求。

变形控制是施工的重要环节，预应力调整和施工加载补偿是常用的方法。例如，在某体育馆屋盖施工中，施工方采用千斤顶施加预应力，在关键部位人为施加反向变形量，使桁架在卸载后回归至设计位置，从而减少变形误差，提高施工精度。

（三）节点连接与施工精度管理

桁架节点的连接方式主要包括高强螺栓连接、焊接和铸钢节点连接，不同方式适用于不同的结构受力需求。

高强螺栓连接是最常见的连接方式，常用于大跨度桁架施工，扭矩控制范围一般为300～500N·m。例如，在某体育馆施工中，采用M24高强螺栓连接，并使用扭矩扳手进行预紧，确保受力均匀，提高结构抗疲劳性能。

焊接连接适用于永久性结构，需严格控制焊接顺序和工艺。在某展览馆施工中，施工方采用CO2气体保护焊，并使用超声波检测（UT）对焊缝质量进行无损检测，确保焊缝合格率达98%以上，提高结构的耐久性和安全性。

铸钢节点连接适用于荷载较大的节点，如网壳结构或超大跨度桁架。例如，在某机场航站楼桁架施工中，主节点采用高强度铸钢（Q420），并在安装后进行局部补焊和应力消除，有效提高结构稳定性和使用寿命。此外，为了保证施工精度，施工方采用BIM+全站仪组合测量技术，实时监测节点安装误差，并通过调整螺栓预紧力或焊接顺序进行修正，最终确保桁架结构的拼装精度在±2mm以内，提高了施工质量和安全性。

（四）施工过程中的风险控制

施工过程中的主要风险包括材料变形、焊接质量问题及环境荷载影响。针对材料变形问题，可采用钢管内充混凝土技术，提高杆件刚度。焊接质量控制方面，需对焊缝进行超声波探伤，以确保焊缝内部无缺陷。此外，针对风荷载影响，在高空作业时采用防风缆索固定桁架，确保结构稳定。在某海滨城市的会展中心建设中，由于风荷载较大，施工方增加了风载监测系统，在风速超过6级时暂停高空施工，从而确保施工安全。

三、复杂空间桁架结构施工控制优化策略

（一）基于信息化技术的施工管理

信息化技术在现代建筑施工中发挥着越来越重要的作用，尤其是在复杂空间桁架结构的施工管理中，BIM（建筑信息模型）技术和物联网监测技术的应用极大地提高了施工精度、效率和安全性。

BIM技术通过三维建模和数据整合，为施工提供可视化支持，使施工过程更加精细化。在某机场航站楼的桁架屋盖施工中，BIM技术被用于施工进度模拟，精准规划钢结构拼装与吊装顺序，减少了施工冲突，提高了安装效率。在该项目中，BIM技术不仅优化了构件的预制方案，还用于碰撞检测，避免了钢构件在吊装过程中发生干涉，从而有效降低了施工误差。最终，该工程的施工效率提高了30%，整体工期缩短了两个月。

物联网监测技术则实现了施工过程的智能化监测。通过在关键节点和承重部位布置应力传感器，可以实时监测桁架结构在施工过程中的应力分布和形变情况。例如，在某体育馆项目中，施工团队在主要承重杆件上安装了无线传感器网络系统，结合实时数据传输和远程监测平台，对结构的受力状态进行分析。一旦发现某些杆件受力异常，系统会自动发出预警，施工人员可及时调整施工策略，避免施工过程中产生过大的变形或应力集中问题。此外，该项目还结合无人机巡检技术，对高空连接节点进行质量检测，提高了施工质量控制的精度。

（二）施工组织优化策略

科学合理的施工组织对复杂空间桁架结构的施工质量和效率至关重要。在实际工程中，施工组织优化主要体现在施工方案设计、施工顺序安排、施工人员培训及安全管理等多个方面。

首先，在施工方案设计方面，应结合受力特点和施工环境，采用分阶段受力调整策略，以确保结构在各个施工阶段的稳定性。例如，在某大型展览中心的桁架结构施工中，施工团队采用了“分段吊装+临时支撑”的方式进行施工。由于该工程跨度较大，桁架吊装后容易出现较大的变形，施工方在计算分析后，在吊装过程中使用了临时支撑体系，并在部分关键节点处施加预应力，以减小施工过程中的结构变形。这种方法有效降低了桁架在施工过程中的应力集中问题，提高了结构的整体稳定性。

其次，在施工顺序安排方面，合理的施工进度规划可以减少施工误差，提高施工效率。在某跨度200米的体育馆桁架施工中，施工团队采用了“先外部后内部、先主梁后次梁”的顺序进行安装，这种方式既能保证主结构的稳定性，又能减少施工过程中局部应力变化引起的变形。此外，施工单位还使用了智能排程系统，对施工进度进行动态调整，根据天气、材料供应及施工进度的实际情况进行合理优化，确保工程按计划推进。

最后，施工人员的技术水平对桁架施工质量影响重大。因此，加强施工人员培训是施工组织优化的重要环节。在某跨度150米的桁架结构工程中，施工团队提前进行了为期两个月的专业培训，内容涵盖高强螺栓连接技术、焊接工艺、精确测量及安全管理等方面。培训后，焊接工人的焊缝合格率由初期的92%提升至98%以上，施工测量误差也控制在3mm以内，大幅提升了施工质量。同时，项目团队还实施了严格的质量控制措施，如焊缝无损探伤检测、全站仪测量数据对比分析等，确保施工过程符合设计要求。

（三）工程案例分析

以某体育馆屋盖桁架施工为例，该工程跨度巨大，屋盖桁架总重量达5000吨，施工过程中面临高空作业难度大、结构受力复杂、施工精度要求高等挑战。为确保施工安全和结构稳定性，施工方采用了整体提升法进行施工，即在地面预先完成桁架拼装，并通过液压同步提升技术将整个屋盖桁架结构提升至设计高度。这种方法能够有效减少高空作业，提高施工安全性，同时保证结构整体受力的合理性。

在施工方案制定阶段，有限元模拟被用于分析不同提升点对结构受力的影响。通过ANSYS有限元软件建立桁架受力模型，模拟不同吊点布置方案下的应力分布，最终确定最优吊点布置及同步提升方案，以减少提升过程中的结构变形和内力突变。此外，在实际施工中，施工团队采用了高精度测量技术，包括全站仪监测、激光扫描定位等，确保桁架在提升过程中的姿态稳定，并控制最终安装误差。通过这些技术手段，施工团队成功将桁架节点误差控制在±3mm以内，大幅提升了结构安装的精度和整体稳定性。

在施工过程中，还引入了BIM+物联网监测技术，对施工全流程进行实时监控。施工团队在桁架关键受力节点布置了应力传感器，并将数据实时上传至BIM施工管理系统，施工管理人员可以通过远程监控平台实时查看桁架在不同施工阶段的应力变化，并根据监测数据及时调整施工策略[3]。例如，在提升过程中，通过监测数据发现部分杆件受力接近安全阈值后，施工团队迅速调整了提升速度和同步控制系统，以避免局部应力超限。此外，无人机巡检技术也被应用于高空施工质量检查，确保桁架各连接节点的焊接质量和螺栓紧固情况符合设计要求。

该工程的成功实施充分证明，科学的受力分析、精准的测量控制以及先进的信息化施工管理手段，对复杂空间桁架结构的施工安全性和结构稳定性至关重要。整体提升法结合有限元分析和智能监测技术，不仅提高了施工效率，还有效降低了施工风险，为类似工程的建设提供了宝贵经验。

总结：

复杂空间桁架结构的受力分析和施工控制是确保结构安全的关键。通过有限元分析可精准模拟受力状态，优化施工方案。高精度测量、预应力调整及信息化管理手段在施工控制中发挥重要作用。未来，随着智能施工技术的发展，BIM与物联网结合的施工监测手段将进一步提高施工安全性和精度，为复杂空间桁架结构工程提供更可靠的技术支持。

参考文献：

[1]陈韬，复杂空间结构超大连接节点关键技术研究及应用.广东省，中建科工集团有限公司，2020-06-13.

[2]吕春明，盘丹丽，农霞，等.复杂造型空间结构建模方法和整体计算分析[J].广西城镇建设，2023，（12）：48-54.

[3]王耀，大跨度复杂钢桁架结构多元空间建造技术的推广及创新应用-.福建省，中建海峡建设发展有限公司，2021-06-30.