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钢结构建筑因其强度大、韧性好、可塑性强、施工周期短、绿色环保等优势，得到了现代设计师们的青睐。在钢结构现场安装中，当钢结构整体吊装完毕并将荷载全部施加完后，需要进行卸载处理。大跨度空间管桁架结构在卸载中，由于其管件数量众多，节点形式各不相同，造成结构整体内力复杂多变，各杆件之间的受力难以确定，若盲目地选定其卸载顺序可能会造成结构局部受力过大，从而导致结构产生塑性变形甚至结构破坏，所以确定合理的卸载顺序就变得尤为重要。
以石药健康城项目为研究对象，给出了一种空间管桁架结构的卸载方法，并进行了有限元仿真模拟。在卸载过程中，首先进行初级卸载，即将非主要受力支架进行一次性拆除，然后进行二级卸载，即再对主要受力支架进行分步卸载。整个过程采用MIDAS/Gen有限元分析软件对结构和主要受力支架进行仿真模拟分析，支架用φ219×10的钢管代替，且设置为只受压单元，卸载时采用钢管两端施加强制位移的方式。卸载顺序以模拟出来的支架支反力大小为主要依据，对支反力大的支架进行优先卸载。每次卸载量为10 mm，每个卸载步都进行一次受力计算，根据当前支反力的大小确定下一次的卸载顺序，以此往复模拟卸载，直至最后卸载完毕。
经模拟分析，整体卸载完毕共需19个卸载步。在卸载过程中并未出现变形及应力超限的情况，支架的最大支反力为1033 kN，结构的最大挠度为59.27 mm，最大应力为236.40 MPa。模拟结果证明了此卸载方法的可行性，为现场实际施工提供了指导。
English Abstract
Steel structure buildings are favored by modern designers because of their advantages of high strength, good toughness, strong plasticity, short construction period, and green environmental protection. In the on-site installation of the steel structure, after the overall hoisting of the steel structure is completed and all loads are applied, unloading treatment is required. For the unloading of the long-span space tube truss structure, due to the large number of pipe fittings and different node forms, the overall internal force of the structure is complex and changeable, and the force between the members is difficult to determine. If the unloading sequence is selected blindly, it may cause the local force of the structure to be too large, resulting in plastic deformation or even structural damage. Therefore, it is particularly important to determine a reasonable unloading sequence.
Taking the Shiyao Health City project as the research object, an unloading method for space tube truss structures is proposed and simulated by finite element method. In the unloading process, the primary unloading is carried out first, that is, the non-main bearing supports are removed at one time, and then the secondary unloading is carried out, that is, the main bearing supports are unloaded step by step. The MIDAS/Gen finite element analysis software is used to simulate the structure and the main bearing supports. The supports are replaced by φ219×10 steel pipes and set as compression-only elements. The forced displacement method is applied at both ends of the steel pipes during unloading. The unloading sequence is mainly based on the simulated support reaction force, and the supports with large reaction force are unloaded first. Each unloading step is 10 mm, and a force calculation is performed after each step. The next unloading sequence is determined according to the current support reaction force, and the simulation is repeated until the unloading is completed.
The simulation analysis shows that a total of 19 unloading steps are required. No excessive deformation or stress is found during the unloading process. The maximum support reaction force is 1033 kN, the maximum structural deflection is 59.27 mm, and the maximum stress is 236.40 MPa. The simulation results prove the feasibility of this unloading method and provide guidance for actual construction.
一、钢结构卸载的必要性与挑战
钢结构建筑因其强度大、韧性好、可塑性强、施工周期短、绿色环保等优势，得到了现代设计师们的青睐。在钢结构现场安装中，当钢结构整体吊装完毕并将荷载全部施加完后，需要进行卸载处理。然而，大跨度空间管桁架结构在卸载中面临着特殊的挑战：由于其管件数量众多，节点形式各不相同，造成结构整体内力复杂多变，各杆件之间的受力难以确定。若盲目地选定其卸载顺序，可能会造成结构局部受力过大，从而导致结构产生塑性变形甚至结构破坏。因此，确定合理的卸载顺序变得尤为重要。
二、工程概况与研究切入点
本文以秦皇岛石药健康城项目为研究对象。该项目钢结构工程由下部桁架二层楼面钢结构及屋顶空间管桁架结构组成。二层楼面钢结构由主桁架、次桁架、箱形梁、次梁及支撑组成，屋顶管桁架由主桁架、次桁架、封边桁架、支撑等组成。混凝土结构采用钢筋混凝土抗震墙，屋盖结构由空间钢桁架体系组成，屋盖结构最大跨度30.30 m，结构最高点标高13.580 m。
由于结构整体的节点形式复杂多样，造成结构自身的内力异常复杂，当某一个杆件的内力发生变化时，结构整体的内力可能会产生难以预料的连锁反应。这种复杂性对现场施工控制十分不利——当项目进行卸载时，如果卸载顺序不合理或一次卸载量过大，很有可能造成结构局部受力过大，导致其产生塑性变形甚至结构破坏，造成不必要的经济损失和安全事故。因此，通过对卸载过程进行仿真模拟分析，从而确定结构整体卸载的顺序及卸载量的大小，具有十分重要的意义。
本文的研究主要涵盖以下三个方面：
研究首先提出了一种二级卸载方法：
在模拟方案设计方面，研究采用MIDAS/Gen有限元分析软件对结构和主要受力支架进行仿真模拟分析。考虑到仿真模拟的目的在于确定卸载顺序，支架用φ219×10的钢管代替，且设置为只受压单元，卸载时采用钢管两端施加强制位移的方式。
卸载顺序的确定以模拟出来的支架支反力大小为主要依据，对支反力大的支架进行优先卸载。具体操作方法为：以最大支反力的两组支架为当前卸载步，每次卸载量为10 mm。每个卸载步完成后都进行一次受力计算，根据当前支反力的大小确定下一次的卸载顺序，以此往复模拟卸载，直至最后卸载完毕。模拟出的具体卸载顺序应用于实际施工中作为指导。
在整个模拟过程中，对于出现支反力为0且不再发生变化或变化不大的支架直接进行拆除，不再进行模拟计算。同时，研究记录结构杆件的应力变化情况，并标记出发生最大应力的杆件。通过杆件应力的大小及变化情况来证明此卸载方法的可行性。在现场实际卸载过程中，也可以对这些杆件进行应力监测，确保卸载过程中整体结构的稳定性。
经模拟分析，整体卸载完毕共需19个卸载步。在卸载过程中并未出现变形及应力超限的情况。
模拟过程中的关键结果参数如下：
| 关键参数 | 模拟结果 |
|---|---|
| 支架最大支反力 | 1033 kN |
| 结构最大挠度 | 59.27 mm |
| 结构最大应力 | 236.40 MPa |
这些结果证明了所提出的二级卸载方法的可行性。通过有限元仿真模拟，研究成功确定了一套科学合理的卸载顺序和卸载量控制方案，为石药健康城项目空间管桁架结构的实际卸载施工提供了可靠的技术指导。同时，研究中标记出的最大应力杆件也为现场施工过程中的应力监测提供了重点监控对象，确保了卸载过程中整体结构的稳定性。
