土木工程施工技术与应用综述

于泊

【摘 要】目前，由于土木工程施工时间长、工艺复杂，从而在施工过程中施工工序对结构内力存在一定的影响。针对这一特殊情况，文章首次提出根据施工不同阶段定义结构形态，并从力学的角度分析施工过程存在残余应力和残余变形的必然性，指出了施工工序的不同时其残余应力和变形的差异，明确了施工力学研究内容及方法，进一步提出对特殊结构进行施工控制的必要性，并根据大量土木工程实践，提出了解决问题的方法和途径。

【关键词】土木工程；施工技术；力学应力

1.土木工程施工技术的现状

工程控制理论最早应用于军事工程和航天工程。近几十年来，随着现代控制理论、大系统理论、智能化控制的出现，这一理论不仅仅局限于高尖端的技术领域的应用，其已逐步应用到社会、经济、规划、管理等社会生活的各个领域。日本是较早将工程控制理论应用到土木工程的国家，特别是应用在地下工程中隧道、盾构以及大跨度桥梁的施工上。利用工程控制理论，主要是对工程中关键位结构的应力、挠度等参数进行测试，通过对测试结果的分析，最后返回现场指导施工。

上世纪90年代，随着我国大量工程项目的出现，人们越来越意识到施工过程的控制对工程质量、安全的重要作用，提出了对地下工程进行信息化施工、对高层建筑进行施工力学分析、对大跨空间结构寻形分析、对桥梁工程进行施工控制的思想和方法。特别是在桥梁施工的应用方面，较为系统的利用现代控制理论进行施工控制，取得了不少成功的经验，在地下工程中，尽管没有引人施工控制概念，但仍是按照工程控制理论的思想指导施工，总结出“理论导向、经验判断、严密监控、适度反算”的信息化施工理论。在高层建筑的施工中，已经开始考虑混凝土材料的收缩、徐变对施工的影响。

国外土木工程施工控制技术的研究和应用主要存在以下问题：

（1）理论研究还不能适应工程建设的需要，由于施工控制涉及多个学科领域，特别是非线性分析、反馈分析、最优控制、系统识别、材性分析等。目前既有一般性基础理论的研究，又有应用性理论的研究，但缺乏系统的集成和有价值的应用。

（2）缺少验收标准与规范。一些领域对施工控制缺乏概念和思维方式，更无标准可言。也有一些领域有一般性的标准，但对大多的创造第一的工程仍缺少足够的科研准备。对于施工控制的标准如何提出，不仅涉及到长期发展问题，也涉及到一个可操作性的问题。但有一点就是要对没有经验借鉴的工程必须全面贯彻施工控制，避免出现重大决策的错误。

（3）管理体制问题。主要存在的问题是多头管理，管理责任不能落实，缺乏对施工控制的高度重视，对特大型工程前期研究不够，对工程的解剖不够细致。要想解决这类问题，唯一的办法就是实现设计、施工总承包的管理思想，使管理责任明确并得到落实。强调施工单位应采取主动控制，使责、权、利能够达到系统的统一。

2.土木工程施工技术的特点

土木工程的施工是一个耗时比较大，操作工艺复杂，环境不断变化的过程。它不同于设计完成后的受力状态。因此，有必要要对其发生的不同状态进行定义。

2.1基本形态的定义

（1）结构零状态：是指建筑物外型的坐标状态，结构此时未承受任何荷载，其状态是一种理想结构状态。

（2）结构初态：是指结构经施工后形成了完整的结构状态，此时结构已包含了由于施工过程产生的残余应力以及残余变形，结构承重，自重和部分施工荷载等。

（3）结构终态：是指工程竣工后的状态，此时结构包括从结构初态到竣工后产生的残余应力和变形以及工程竣工时结构的各种自重。

（4）施工状态：是从工程建造开始，以设计建筑结构的外型为目标，经过每一步施工步序，最终达到工程竣工的过程。由于施工工艺的不同，施工最终在结构初态和结构终态产生的残余内应力和残余变形不相同。为了便于分析，将施工状态的分析称之为施工力学，它不同于一般的工程静力学和动力学，其具有其独特的技术特征。

2.2施工过程技术特征分析

施工过程的力学特征与永久受力特征具有很大的区别，设计人员多数是从工程竣工状态（结构终态）考虑结构体系的受力，对施工过程可能产生的残余内力和变形往往忽略不计。对于一般的结构体系不考虑施工阶段引起的误差并没有多少影响。但对一些特殊结构体系，其影响十分显著，必须引起足够的重视。

2.2.1施工过程残余应力和变形的存在。

如果是钢结构框架，传统的设计方法思路，根据受力状态确定结构的截面，不考虑施工过程可能带来的影响。

2.2.2 施工过程中边界条件等外部环境因素变化引起的残余应力和变形。

除施工过程可以引起残余应力和变形外，其边界条件外部环境也都会引起结构残余应力和变形的存在。例如，外界温度的变化引起的应力是大跨度结构中不容忽视的。除此之外，边界条件的变化也可以引起结构的残余应力和变形，利 用不同状态的边界条件变化可以达到降低残余应力和变形的存在。因此，合理使用工序的变化和边界条件的变化可以起到降低残余应力和残余变形的目的。

实际工程中，由于施工工序的不同或边界条件变化在结构中会产生内力的变化。结构仅承受重力作用，实际施工是将其分为三个阶段。首先施工两悬臂段，最后施工中间段。为了说明问题，此处仅比较在第三阶段施工由于边界条件变化而产生的影响。

2.2.3结构内部的单元随施工变化。

比如索结构预应力的张拉，预应力在其施加张力的同时其原长在缩短，深基坑工程中的预应力钢支撑，其千斤顶在断伸长等等。这些单元的变化是目前有限元分析中很难从严密的理论来解决的问题，也是理论分析与工程实际误差的关键。

2.2.4材料的时间依存特征。

混凝土依赖于时间的性质有徐变、收缩、强度、弹模等的变化。土的力学性质具有蠕变和流变性质。这些材料随时间变化的性质，特别当不同材料、不同混凝土配合比、不同土质条件形式的结构工程其影响更为显著。

2.2.5施工工艺多样性特征与优化由于施工工艺的多样性，故结构终态构成的内力和变形存在较大的差异，施工仅是工程的完成，还应该使最终控制其残余变形和内力达到合理的范围之内。施工过程中由于存在着上述特征，对施工序的分析以及特征的研究，本文称为施工力学。

2.3控制理论的技术特征

施工状态的分析构成施工控制的基础，是预测分析的关键，而控制理论是一个由测试、分析、反馈、调整构成的控制环，其主要内容有：（1）测试系统；（2）参数识别系统；（3）误差分析系统；（4）状态预测系统；（5）综合调优系统。

施工模拟的程序应尽可能准确，其步骤尽可能要小，这样才能使理论与实际情况更为接近。但如果完全按实际施工过程模拟其计算分析工作量太大，故应掌握其关键工况并与测试、反分析结果相一致。施工控制的主要目的和任务是对施工过程中永久结构和临时结构的结构①形状控制；②应力控制；③稳定控制。

3.结束语

总之，土木工程施工技术在近十年虽然有了飞速发展，但是土木工程施工至今仍以手工操作、半机械作业为主，劳动效率远低于其它产业部门，还属于劳动力密集型产业，现代土木工程施工技术的发展方向，除了要有满足当前土木工程建设需要而与之配套的施工技术，还要向高效率，高质量的方向发展。 [科]