大跨结构施工力学问题的浅析

2011-08-15陈小才

科学之友 2011年9期

陈小才，秦文

（太原理工大学，山西太原 030024）

1 施工力学问题的重要性及研究意义

在人类的发展史上从来没有什么阶段像过去的半个多世纪那样，通过科学技术给人类社会带来巨大变化，极大地促进了人类文明的发展。建筑行业也顺应了历史发展的潮流飞速发展，其中大跨空间结构体系作为近几十年来出现的新型结构体系成为建筑结构方面最活跃的研究领域，同时大跨空间结构的技术水平体现了一个国家土木建筑行业的水平和世界各国高度重视大跨空间结构技术的发展，大量大型公共建筑如体育馆、游泳馆、展览馆、会堂、剧院、车站候车楼、飞机库和超大空间建筑物都采用这种结构形式，极大地促进了空间结构的快速发展。

建筑效果上追求新、奇、特，造型上突破传统、千变万化、千姿百态，结构形式的不断创新，空间跨度的无限追求，结构体系日益复杂。建筑造型上的新奇，导致结构体系及节点构造复杂化，有时不合理的结构受力体系和构造方式也时有出现，这样传统的结构设计法、构造做法和施工技术就不再适应，要求设计师们进行新的设计方法和新的施工技术尝试和改进，最终实现结构适用、坚固、美观。

传统上人们将结构设计和施工作为两个相互独立的过程完成，设计人员通常不参与结构的施工计算，在设计过程中也较少考虑施工因素。随着现代工程建设规模日益大型化、形态新异化、体系复杂化，结构设计和施工已经紧密相关，相互影响。施工方法的不同将对结构的内力和变形将产生完全不同的影响，有时甚至是结构设计的关键因素。因此，设计必须同时考虑施工过程中结构的力学形态。目前，对于大型复杂结构施工过程力学原理的分析和施工技术的研究成为国内外研究的热点课题之一。

2 施工力学问题的研究动态

施工力学属于应用型学科，是解决工程中的实际问题而提出的，也是实际工程中力学问题的体现，是所有施工问题的统一体。结构体系在动态的施工过程中内力变化和变形变化与传统的计算分析结果并不相符。对于许多大型复杂工程，施工过程“路径”和“时间”效应对设计状态下成型结构的受力状态和几何形态的影响较大，因此，结构施工过程力学问题的研究凸显重要，正确认识和解决施工过程中力学问题事关工程建设的成败。结构使用阶段与施工阶段两者间受力状态的差异如果不能正确认识和对待，施工阶段和使用阶段中质量与安全事故的风险将会增加，对于大型复杂结构体系尤其应引起重视。目前，结构在施工过程中的力学问题及其分析方法引起国内外众多学者的重视，并对其进行了大量研究。现就学界的研究归为3类：第一类是解决施工力学理论问题，用什么理论去指导施工力学问题的解决；第二类是寻找施工力学分析的具体方法，如有限元生死单元法、叠加法、几何控制法等；第三类是介绍具体工程中如何实现复杂施工项目，介绍自己成功的经验。施工过程就是一个将想象图纸转变为实物的实践过程，随着建筑师们对建筑不断追求“新、奇、特”及建设工程的大型化，施工技术的发展越来越受到工程技术界的关注。实践需要以理论为指导，当前大跨空间结构施工力学理论并没有统一的标准，基本上是学者们在解决具体工程中提炼出来的，为统一共识还有很多工作要做，对问题要进一步深入研究。

3 大型复杂钢结构施工中存在的力学问题

一个复杂结构的施工过程，从结构体系无到有、小到大、简单到复杂，经历了巨大的变化，尽管相对结构的生命周期来说，结构施工过程是短暂的，但这一变化过程，对结构的受力形态产生影响巨大，不可忽视。设计人员不仅要对结构的设计状态进行计算，而且对结构的成型过程也要进行计算以确保成型后的结构满足设计要求，施工技术人员也要了解结构的设计状态及结构受力性能，以便正确选择经济、安全、可行的施工方法。对于大型复杂钢结构，其施工过程一般体现的主要力学和技术问题有以下几类：

（1）结构施工单元的划分及其力学形态。在钢结构施工方法中分条分块安装法、高空滑移法、提升法和顶升法都可能牵涉到对结构进行单元划分，合理的划分单元对施工过程控制至关重要。

（2）主体结构在施工中临时支撑的布置和分析及其对结构受力的影响。对设置支撑的施工方案，主体结构中与支撑相近的部分构件其内力分布与设计状态完全不同，因为其与设计考虑的荷载不同，这样可能造成临时支撑点处及附近区域的杆件内力加大，结构构件在安装过程中破坏，所以必须进行结构验算以确保结构在增加临时支撑后的安全。

（3）对结构在吊装过程中的安全性进行计算。吊装过程结构可能使准结构局部杆件强度破坏或变形过大失稳，所以必须通过合理的计算和分析来确定吊装顺序及考虑结构在吊装过程中可能受到作用给结构带来的影响。

（4）对结构在落架过程中的安全性进行计算。拆除临时支撑的过程也即落架过程，是结构受力逐渐转移及内力重分布的过程，保证结构逐渐趋近设计状态，不允许结构构件出现永久变形。

（5）结构实际内力与变形及理论设计状态的差异。施工过程是一个结构或构件内力和位移都在不断地发生变化的过程，在此过程中，所有变化都是随机的、动态的，及时了解结构或构件在此过程中的受力状态，以确保结构施工的安全。

大跨空间结构的快速发展给技术和科研人员带来了前所未有的挑战，如何有效地建立大型空间结构施工全过程计算理论与方法及在该理论中指导制定简单、经济、可行的施工方案成为当前研究的热点问题。

4 施工过程力学模拟的具体方法

大跨结构的施工过程是一个结构自身不断变化的过程，其受力形态也在不断改变，在结构成型过程中结构一直处于动态变化过程，伴随着构件的增删、材料本构关系的改变、边界条件的变化、或是偶然荷载的施加、温度的变化，对于预应力结构的预应力动态施加等变化，为了得到结构真实、正确的结果，这些在跟踪计算中都应准确反映。目前，时变单元法、拓扑变化法及有限单元法包括了施工力学问题分析的主要方法。其中有限单元法理论推导严密，易于程序化，在现阶段施工力学模拟分析大多以此为理论进行，但是传统的有限元法并没有提供解决施工力学问题的相应公式，而两种方法研究应用较少且存在一些问题。所以，在求解大型结构施工力学方面的运用方法上在工程界意见不统一，需要对其进行一定的改进。求力学问题数解的非线性有限单元法理论已成熟，并在部分有限元商业软件上得以应用，但其理论、方法、结论还有许多问题有待进一步考究。施工过程力学模拟的具体方法主要有：生死单元法、施工阶段内力与变位叠加法、几何控制法。生死单元法是在有限元软件平台上进行改进，可用来解决实际施工力学问题施工模拟方法；施工阶段内力与变位叠加法是在理论方面对传统有限元法作改进，能有效地进行全过程跟踪分析的施工力学分析方法；几何控制法是全过程几何控制，将整个施工过程都纳入了控制系统，实现更为精确的施工控制。而传统的施工分析一般专注于施工安装阶段，几何控制法贯穿于结构整个过程，实现安全、经济、可行的施工。