空间钢桁架结构卸载施工模拟及监测技术应用研究
文/江苏省建筑工程质量检测中心有限公司，江苏省建筑科学研究院有限公司
汤东婴，魏晓斌，孙正华，郭建祥，王若晨
空间钢桁架结构节点复杂，卸载过程应力状态多变，易出现个别杆件变形等质量缺陷，进而影响施工安全及成品质量。为避免此类问题发生，以盐城黄海湿地博物馆为例，针对空间桁架结构特点，设计了桁架监测方案，详细介绍空间桁架结构施工卸载过程监测指标，包括监测内容和测点布置，确保施工安全及施工质量。
1 工程概况
盐城黄海湿地博物馆项目位于江苏省盐城市范公路以东、大庆路以南、通榆河以西、青年路以北。建筑结构尺寸为220m×48m，最大结构标高为36.850m，桁架最大跨度为220m。该工程主要包括下部钢框架结构和屋盖钢桁架结构，为超过一定规模的危险性较大的分部分项工程。屋盖桁架结构主要由两端13根格构柱、内部4根支撑柱、7榀主桁架、318榀次桁架和2组X形交叉桁架组成。工程外观效果如图1a所示，屋盖7榀钢桁架结构如图1b所示。
2 施工监测方案
施工流程
博物馆为大跨度空间桁架结构，主桁架跨度大、质量大、空间定位难度大、施工过程复杂。施工单位采取分段吊装（在分段点设置临时支撑胎架）、高空组合的方法进行；待屋面结构施工完成后，再分区段分次卸载，解除屋盖与胎架支撑的联系，形成最终结构体系。卸载过程中，胎架卸载顺序遵循北侧→南侧→跨中逐级卸载。
监测内容及测点布置
根据屋盖桁架结构受力特点及施工特点，在桁架上弦杆、下弦杆、腹杆及支撑胎架上布设测点，监测内容包括屋盖桁架结构应力、变形及格构柱、胎架结构倾角变化。通过对关键构件应力、应变及倾角变化的监测，分析结构受力特性和安全状态。
应力、变形监测点布设
根据屋盖自身受力特点和施工方案，在桁架跨中及两端布置应力测点。考虑结构重要部位、应力变化较大位置、主要受力构件等因素，在屋面桁架跨中及两端上、下层弦杆布设测点。同时，考虑到该工程吊装方法对空腹桁架空间位置要求高，同时结构体系转换对结构变形也存在影响，在桁架布置若干变形测点，监测结构变形情况。变形测点布置在屋盖大跨跨中、两侧端部等部位。监测点布设区域如图2所示。
应力采用VW-102型振弦测读仪和振弦式应变计组成监测系统，振弦式应变计适用于结构表面应变和温度测量，结合VW-102型振弦测读仪可直接测量构件应力、应变、温度等物理参量。
位移监测拟采用焊接小棱镜、钛泊片和徕卡TS16 R500全站仪进行测量。
倾角监测点布设
倾角监测布置在格构柱的竖杆顶部、支撑胎架顶部撑杆。倾角监测点布置如图3所示。
倾角监测采用双轴倾角仪监测，是一种高精度模拟电压双轴倾角传感器。通过采集传感器电压值即可获得倾斜角度。
3 卸载施工监测结果及分析
博物馆桁架结构拼装焊接完成后，于6月2日至6月5日进行卸载施工，卸载期间对该工程应力、变形及倾角进行多次测量，并将测量结果与理论计算限值进行比对，分析卸载过程中结构变形规律。
桁架应力监测分析
提取部分桁架上、下弦杆监测数据，分析桁架结构应力变化情况，应力正值表示受拉，负值表示受压。屋盖桁架部分测点应力变化时程如图4所示（图中am表示上午，pm表示下午，下同）。由图4a可知，桁架上弦杆变形主要以受压为主，最大压应力为-85.4MPa，出现在第1榀桁架跨中部位测点，且6月3日至6月4日监测压力值均已超过理论计算限值。由图4b可知，第1，3榀桁架下弦杆以受拉为主，而第5，6榀桁架下弦杆以受压为主，且均呈增大趋势。
综合分析可知，卸载初始阶段，桁架结构产生明显应力波动，随着卸载工序的进行，应力呈现2种趋势：①应力由增大趋势变为减小趋势；②在卸载末期，应力趋向于稳定。此外，对比上弦杆与下弦杆应力变化幅度，可以看出，卸载过程中桁架结构出现应力集中现象。但随着卸载的完成，被测杆件应力水平趋于平稳，说明桁架结构与初始应力状态相比，受力体系发生转变，这种应力变化说明结构在应力重分布中由局部受力转变为整体受力情况。结构卸载完成后，构件应力水平均小于理论计算限值，处于安全状态。
桁架变形监测分析
为保证卸载过程中桁架安全，在卸载过程中，对桁架结构每榀桁架水平及竖向变形进行监测。变形监测中，初始值变化设定为0，竖向变形值负值表示向下变形，正值表示向上变形。桁架结构变形监测结果如图5所示。
由图5可知，所有桁架均出现不同程度变形。随着卸载过程进行，所有测点水平变形均呈增大趋势。在第1阶荷载卸载时，桁架竖向变形最大，随后呈现稳定增长，其中，第2~4榀桁架由于胎架拆除，在6月4日至6月5日出现二次变形。此外，由于部分桁架（如第1榀桁架）在卸载初期，支撑对桁架有1个向上初始应力，使桁架垂向变形出现了1个反弹，随着卸载过程不断进行，初始应力得到释放，沉降数值趋于平稳，所以在卸载初期，由于本身存在一个初应力，使桁架实际竖向变形偏大。因此，在卸载初期与支撑拆除时，应加大对结构的监测频率。
格构柱与胎架倾角监测分析
格构柱与胎架在卸载过程中的倾角监测结果如图6所示。x向为南北向，向南倾斜为正；y向为东西向，向东倾斜为正。由图6可知，多数构件倾角处于±0.2° 范围，说明在卸载过程中构件稳定性较好。两端格构柱倾角测点在卸载过程中均变化不明显，表明内部支撑柱、两端格构柱基本处于稳定状态。由图6a~6c可知，结构倾斜是一个渐变过程，未出现大的突变。图6d~图6g中，部分胎架倾角在监测过程中发生了较大突变，这主要是由于卸载过程中胎架支撑杆件被切割时应力、变形得到释放，故倾角变化较大。
4 施工卸载过程有限元模拟
模型建立
采用MIDAS VERSION 9.2.6软件中的施工过程有限元分析功能，对该部分结构进行施工卸载过程模拟。钢桁架杆系连接均采用空间梁单元进行模拟。材料属性为Q345钢材，弹性模量为2.1×105MPa，剪切模量为8.1×104MPa，泊松比为0.3。根据设计图纸中支撑形式，设置边界条件约束形式，在临时支撑点约束其竖向位移，忽略临时支撑产生的弹性及非弹性位移。有限元计算模型如图7所示。
应力监测与有限元计算结果对比
为验证模型建立的有效性，将实际监测杆件应力与有限元结果进行对比。桁架结构胎架卸载时应力计算结果如图8所示，由图8可知，第1榀桁架应力较大，因此选取第1榀桁架监测点与计算值进行对比，桁架两端为应变监测点，跨中部位为应力、应变监测点，现场实测结果与数值模型计算结果对比如图9所示。
由图9可知，有限元计算应力为-40~40MPa， 现场监测结果显示跨中上弦杆应力值超过理论限值，除内力重分布和受力不均匀等原因外，在施工过程中桁架间拼接工艺使桁架弯矩分布存在差异，同时杆件间连接球节点对应力的耗散也有一定促进作用，因此，其最终结果趋向于理论计算值范围内部。
应变监测与有限元计算结果对比
工程现场胎架拆除遵循北侧→南侧→跨中施工顺序。在有限元计算中模拟这一施工工序，第1榀桁架应变结果如图10所示。如图10所示，卸载过程中，第1榀桁架应变实测结果远小于有限元计算结果。其主要原因是在有限元计算中，有很多假定，如将球节点假定为半刚接，而在实际工程中，节点连接方式远复杂于理论计算，其次，在模型计算中，边界约束条件也与实际工程有很大出入，如在桁架两端，杆件端部除受轴力外还会受弯矩作用。此外，在有限元计算中，忽视了温度对结构变形的影响。因此，有限元计算值通常偏保守。现场应变监测值远小于理论值，这也说明理论计算仅能代表一种理想状态，桁架结构安全施工更重要的是受施工工艺影响。
5 结语
本文对盐城黄海湿地博物馆屋盖桁架结构施工卸载过程的变形及应力进行了现场监测及有限元计算，结合施工过程中实际情况，得出以下结论。
1）卸载过程中，桁架结构弦杆产生了明显应力应变响应，上弦杆及下弦杆应力在结构卸载过程中出现不同程度应力波动，说明结构在卸载过程中引起了结构不同程度内力重分布，桁架结构存在受力不均匀现象，随着卸载完成，被测杆件应力水平趋于平稳，说明桁架结构通过卸载过程完成了受力体系转变，卸载过程中存在结构卸载完成后构件应力水平均处于理论计算限值范围内，处于安全状态。
2）卸载过程中，桁架水平变形均呈增大趋势。在第1阶荷载卸载时，桁架竖向变形最大，随后呈稳定增长。部分桁架在卸载初期，支撑对桁架有一个向上初始应力，使桁架竖向变形出现了一个反弹，随着卸载过程不断进行，初始应力得到释放，沉降值趋于平稳，在卸载初期，桁架实际竖向变形偏大。因此，在卸载初期与支撑拆除时，应加大对结构的监测频率。
3）多数格构柱与胎架倾角处于±0.2°范围，说明在卸载过程中构件稳定性较好。两端格构柱倾角测点在卸载过程中均变化不明显，表明内部支撑柱、两端格构柱基本处于稳定状态。部分胎架倾角在监测过程中发生了较大突变，这主要是由于卸载过程中胎架支撑杆件被切割时应力、变形得到释放，故倾角变化较大。
4）采用MIDAS VERSION 9.2.6进行施工卸载模拟，得出应力、应变理论限值，通过应力应变计算结果与现场实测结果对比，对桁架结构卸载有很好的指导作用。
本文节选自：空间钢桁架结构卸载施工模拟及监测技术应用研究（全文刊登于《施工技术（中英文）》2023年第14期）
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起个小标题，入门机中的战斗机EOS-77D
上篇关于EOS-80D的图文推出后，看上去反应还不错，紧张备考中就抽时间再出篇77D。也许有人会感到奇怪，有那么多的专业和准专业机型，为何要给初学者推荐这么二款机，关键在于：性价比和针对初学者的友好功能。现在的价格，比2年前刚出时又便宜了。
对器材的认识无非就二种方法：一是钱多之人买买；二是我这样的普通人，靠借鉴用家的选机经验，选择可靠、性价比好的器材。所以，我谈器材，自己没有使用过的绝对不去说，因为说错会误导别人。
自己选机等到有朝一日，你自己也成为摄影方面的资深用家后，就可以根据自己的水平、对器材的造诣，选择适合自己拍摄题材需要的专业或准专业的器材了。这样不至于浪费，后悔。
但一开始，作为过来人我绝对不推荐新手直奔专业、准专业器材。
EOS-77D，我自驾环游东北时带着拍了一路。
鸭绿江边
这次改变一下器材帖子的画风，多用EOS 77D实拍，多上图片，好坏大家自己判断。图片全部用套机的EF-S18-135IS USM变焦所拍，如果没有特殊注明基本都是这只头。采用RAW格式，我一般喜欢用A模式，多用评价测光。实在是需要特殊表达时，才会用到点测或是中央重点。
通过快一个月的使用，比较对象是1Ds和5D系，无论是测光还是聚焦，甚至到图像的后期处理，都是更加的适合初学者使用。当然，当初学者的水平提高后，就可以升级到更多侧重于拍摄者自控的高级机了。
例如这张光比较大的片，我同时也用5D2拍了一张，就需要调整很多方面才能出效果，而77D简单处理效果就能出来。
77D作为入门机种，为初学者设想周到，从这张片可以看出，套机用的EF-S的18-135，畸变控制的恰到好处。
CANON官网的一张图，就简洁表明了EOS 77D的8大基本功能：
差不多是一年前的这个时候，我曾经用过一段时间EOS 80D，而且还因为将其称为中端机中的“旗舰”引起有些网友不满。时过境迁，现在想想反而是很有意思。
后来有人在帖中问到EOS 77D的五平镜效果如何？和80D比较怎么样？
但是不对没有用过的器材说三道四是我的原则，就没有敢随意回答。于是一直想找套EOS 77D，通过实际拍摄来体验一把，把自己的感受和大家分享一下。刚好机会来了，就抓紧要了套机一试。
还是一直以来的原则，对于我帖中的观点，不求同，大家各自保有自己的独立观点，即使错误的对自己来说也是可信的。我只是作为器材版主，把自己体验还不错的相机给大家介绍下。
放眼论坛，中档以下相机几乎很少有人去谈论，也许因为不屑一顾？或是大家羞于因是入门机感觉谈机掉价？我这也是小人之心。
不过，对我来说无所谓，只要是相机就都喜欢。
我们大家都很清楚CANON数码相机的产品线设置，是从XD、XXD、XXXD、XXXXD…..。从XXD往上，谈论和讨论的人多，往下就比较少了，但是普及型的多位数数码机市场占有率却是非常庞大，毕竟用户群中高级爱好者终究还是少数。空口无凭，我随机截屏了某宝5月31日的相机销售页面，用EOS 77D作为检索条件。
虽然不是很科学，但通过入门机型77D类月销量，也许大家能看出一点端倪。想说明的是入门机型虽然不入高级爱好者的法眼，但其销量是不可忽视的神存在。面对如此的销量，厂家是否敢不重视？如果大家熟悉照相器材发展史，就会发现各个厂家一般会在自己的入门机中首先尝试一些专业新技术，CANON也不例外，例如1987年的EOS650曾经获得日本照相机大奖就是明证。那么77D的最快聚焦（根据CANON的统计,到4月为止：0.03秒）的说法是否是噱头?这些只能用实拍来验证。
有人曾经说既然性能和规格与80D一样，何必要出个77D？真的是一样吗？
如果我们从外形、功能上就可看出，明显的是定位不同。外观上相比较，80D要比77D大一圈；80D用的是五棱镜取景，而77D则是入门机常用的五平镜；快门速度80D最高到1/8000秒，而77D则是到1/4000秒。只是列举出这些特点，想来大家都会清楚意味着什么。再就是价格，价格差距由于时间因素，差别也许已经不是很大，很难说明问题。例如我10多年前用50万日元买了台二手的1Ds，如果放到后来看又该怎么说？
看到网络上，对77D的定位之争，分别用CANON的中日官网排序来说明。请大家注意77D是中国型号，日本的型号是9000D，这是日本厂家是常用的方法。
这么费口舌，是为了消弭以后的无意义的口水论战。
从佳能相机的序列可知，77D位于80D之后，居于入门型系列之首。
之所以说这么多，是为了说明一个道理，入门机不等于低端机，只是面对的客户群不同而已，从CANON的照相机发展历史看，在入门机型，投入最新技术与专业功能是常见的现象，77D也不会例外。
我们再看看日本官网的排序，个人感觉排序和分类比中文官网更一目了然。从分类上我们可以看出：专业型、高级爱好者型、入门型……等类别。
多上样片，为的是大家看帖不累。
网络上关于EOS 77D的各种评测文章不少，介绍的都很详细，如果我再简单的重复，实在是没有多大意义，但是器材类文章，若无知识点也没有人会有兴趣浪费时间读下去。
简单的把各种摄影模式试做说明，但愿对大家有帮助。
1.友好简洁的教学功能
相信有不少初学者，也许包括论坛中的部分“键盘摄影家”并不明白M、A、T（S）、P模式应该如何用？有的老法师因为不懂M档以外的用法，就用专业人只用“M档”来骗小白们。“M档”是照相机的原点功能，是照相机一发明出来就有的最原始功能。科技为照相机的进化打好了基础。A、T（S）、P拍摄模式，AF化聚焦等功能的出现，使得照相机也从此成了人人都可上手的普通工具。
EOS 77D的教学功能友好而又简洁易懂。在“菜单”中选择“屏幕”项下的“标准”和“引导”，选引导后当你选取拍摄模式时，屏幕就会出现如下的界面：
M档时：通过光圈、快门的自由组合，彻底由摄影师掌控，但是M模式时，相机的测光系统不连动，那就意味着要使用测光计或根据相机的测光值或是根据自己的经验来确定曝光值。根据被摄物的特殊情况，例如拍摄夏日夜晚的焰火时用M档就是最佳选择。但并非如网络上谣传的专业人只用“M档”，不分拍摄物的只用M档是迂腐落后。
当你选择A档时：拍摄风光或是需要表现焦外虚化美等时，多用A档，通过光圈来调整焦内与焦外的成像。这是我最喜欢用的拍摄模式，根据光圈控制来表达自己要表现的景深。
选择T档也有标识为S档时：适合拍摄移动物体，但有的风光摄影师等也用此档来控制速度，防止出现抖动。
选择P档时：适合扫街或是无法重复的重要瞬间，确保万无一失的模式。有时候光线条件太过复杂，又担心其他模式会出现失误，用P无忧。
当然，当你想再详细熟悉时，可以通过“OK”来进一步了解。如果配合摄影书籍边学习，边实践，你很快就能成为单反相机的操作高手，不会再受忽悠。
总之，不要用绝对化的思维去理解照相机摄影模式的使用，这是N多年来影像科技工作者呕心的汇总创造，存在即合理。根据拍摄物与场景选择合适的拍摄曝光模式，肯定事半功倍。
2.EOS 77D的小巧便携
当我拿出EOS 77D的时候，对其之小巧、轻盈简直是大吃一惊。
有着和80D差不多同样多的功能，却比80D要轻小许多。当时我也好奇的把77D和1D系、5D系的摆在一起拍了一张，为的是让大家从观感上看看。如果出门爬山步行，我会毫不犹豫的选择77D作为随身机。不过，手感上少了厚重感，照相器材也是有所得必有所失，“鱼与熊掌不可兼得”是也。
EF头用EOS 77D上也完全没有任何违和感，以下就是用EF8-15F4L。
畸变是大敌但有时有夸张效果
3.EOS 77D的五平取景器
利用网络上找到的图片，大家就可看出二者的差别。
先来看看五棱镜取景器和五平取景器的结构差别，五棱镜是通过整块玻璃内部折射来完成取景；五平镜则是利用五棱镜的原理通过空腔内部几点的平面镜来完成折射取景。这种被广泛用于入门机型的取景器，可能是出于成本的考虑？如果要我评价，真是找不出合适的词汇来形容，不过如果大家用过折返头的话，实际上五平取景如同折返头和正常镜头的明暗效果是一样的。
我和手上的CANON其他机型不严谨的比较，如果在正常光线下没有差别，当光线暗时，77D略微有点发暗，但是不影响拍摄。再者，显示屏的点触取景功能，取景器并非是个大问题。
3.聚焦最快的EOS 77D
这种双对焦系统，在EOS 80D上就曾经体验过，方便快捷，某些环境下要比取景器选用聚焦点更快捷、准确。
特别是，当转接手动头时，触屏放大非常有用，可以解决聚焦不良的问题，相比之下，单反机具有这功能实在是转接派的福音。
LEICA R50F2.ROM转接后拍摄的日本百合
蔡司Planar T*50F1.4转接后：
EOS 77D有着众多的特点和强大的功能，如果不断重复只是显得过于啰嗦，还是和以往一样，多拍各种照片，只是把日常拍摄的照片展示给大家，至于会有怎样的结论？大家还是从图片中自己去判断吧！
无论说的如何天花乱坠，最终还是要用照片来表现相机的好坏。