大跨空间结构卸载施工力学的研究现状与展望

饶晓文

（广西机电职业技术学院，广西 南宁 530007）

大跨空间结构卸载施工力学的研究现状与展望

饶晓文

（广西机电职业技术学院，广西 南宁 530007）

文章明确大跨空间结构卸载过程施工力学研究的意义，对其力学基础、数学基础和数值方法等做了较为详细的阐述，探讨大跨空间结构卸载施工力学分析的研究现状，为其研究方向和发展趋势提供参考。

钢结构；大跨空间结构；卸载；临时支撑；施工力学

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，人类从事生产和社会活动对更大跨度的空间提出了需要，如大型的飞机库、体育馆以及表演、集会、展览的多功能大厅，跨度需要做到100～200米，甚至更大。 大跨空间结构是目前发展最快的结构类型，正因为该结构类型的不断创新、发展并采用大量新材料、新工艺、新技术，已经对现代建筑产生了重大影响，成为反映一个国家建筑科学技术水平的重要标志，大跨空间结构也成为一个朝气蓬勃的研究领域。大跨空间结构的发展，促使相关分析、理论研究日益深入，软件设计、施工建造技术迅速发展，但是人们也逐渐意识到，由于设计中未考虑施工过程或者对施工中的复杂情况没有进行应有的受力分析而发生事故的不在少数，因此大跨空间结构施工力学分析是工程技术发展亟待解决且体现科技与经济相结合的一个重要研究方向。

大跨空间结构为了适应施工技术要求，有时不得不在施工过程中增加一些临时措施，如对未成型的结构体系施加临时支撑、临时约束等，待某些阶段的施工完成后再予以解除。当主体结构安装完成后拆除临时支撑、临时约束等，即卸载。卸载过程中结构体系、内力、边界等都处于一个不断的变化过程，与成型结构有很大不同，如果对其受力性能认识不充分，设计分析欠缺理论指导，偏差较大，就会导致施工中事故的发生而造成严重后果。大跨空间结构卸载过程施工力学的研究，对结构的施工安全性、施工方案优化，成型结构施工质量控制等都具有重要意义。

1 大跨空间结构卸载过程施工力学分析的基础

1.1 施工力学的提出与基本研究课题

工程与科学技术的发展，在20世纪己基本解决了工程结构物本身分析的有关方法与技术，并相对成熟。众所周知，这种分析均以设计图纸上完整(竣工后)结构物承受所设计(使用)载荷为依据，而由于工程规模日益扩大，建设有一个漫长的施工过程，且日趋复杂、情况多变，这期间有一个逐步变化(包括几何形状与物理特性)的不完整结构(工程)承受不断变化的施工荷载的受力过程。这种随时间变异的结构与工程分析，无论在理论还是应用上目前仍十分薄弱，而随工程规模扩大，将日显重要。因此施工过程中，结构物及工程介质的分析，形成了与工程建设密切相关的新的工程力学学科分支——施工力学[1]。

土木工程施工中有一系列科学与技术问题，曹志远将其与力学分析相关的基本课题归纳为十类。在大跨空间结构卸载过程中，内力分析主要涉及到其中的三类课题：（1）在施工荷载作用下结构内力重分布与时空最大值的确定。大跨空间结构卸载过程中，首先作用的不是使用荷载，临时支撑逐渐拆除的过程中，施工载荷的数值与位置随时间发生变化；其次，随着临时支撑的卸载和拆除，结构的形状也会发生变化。这两种因素使得整个结构在卸载过程中，每个构件的施工内力一直在发生变化，而其最大值发生时刻，对系统中每个构件来说又是不一样的。因此在设计计算中，应同时考虑常规竣工结构在使用荷载下分析，以及结构施工过程中内力时空变化影响。（2）结构与工程介质非线性特性引起施工路径效应。大跨空间结构卸载过程中，由于结构跨度大，会涉及到几何非线性问题，同时由于临时支撑卸载完成时，会与上部结构产生脱离，所以又存在边界非线性问题。不同的拆撑路径，就会造成某点应力路径不同，其最终应力状态是不一样的。因此不同拆撑路线，即使是同一最后状态，但其形成的最终应力场是不一样的。（3）施工流程与方式的优化。卸载过程的力学分析结果，不但和最后竣工对象本身有关还和拆撑路线有密切关系。选择适当的路线，会减少结构和临时支撑的内力和变形，提高安全性能和经济效益。

1.2 卸载过程施工力学分析的力学基础——时变力学

传统的工程设计分析对象为恒定结构物，与经典力学（材料力学、结构力学、弹塑性力学、岩土力学等）相对应。王光远在其文中提出，施工力学分析在于研究对象随时间发生变化，其基础为时变力学[2]。

近几十年的研究成果显示，虽然时变力学研究在各方面仍处于起步阶段，与经典力学的研究水平相比还落后很多，但我们已经慢慢看到了该学科分支的若干一般性规律和成果。在大跨空间结构卸载施工力学分析中，边界(及其耦合)时变力学问题解可应用原经典力学方法对时变每个时刻进行常规分析再简单集合即为时变力学时空解，针对每个时刻，因为一般施工卸载周期大大超过系统自振周期，可不计惯性力效应，仍按静力进行计算。但是对于卸载过程中存在的几何非线性问题，由于结构的刚度与应力---应变变化路径有关，造成不同的力学状态结果，这即为时变力学的“路效”。路径问题也表现出过程相关性，需要研究相应的求解方法。

1.3 卸载过程施工力学分析的数学基础——时变数学

大跨空间结构在卸载过程中的几何参数（形状）、边界参数（边界坐标）是时间的函数，控制方程为变系数（常、偏）微分方程（组）或时变边值条件属时变数学范畴，主要还是通过数值化的方法进行求解。离散方程中的刚度矩阵、质量矩阵等，系数不再为常系数而是时间变量函数。

1.4 卸载过程施工力学分析的数值方法

施工力学分析的数值方法主要包括有限元法、时变单元法、拓扑变化、一般单元法及神经算法等。最常采用的数值方法分析主要是有限元法，这基于有限元法具有域内全离散特点，便于单元集合时采取增减单元办法来实现解域的时变，但这类方法可能存在运算矩阵奇异问题，而且由于结构形状、边界条件不断变化，因而分析时网格剖分与数据输入是要不断重新进行的，给工程人员增加了很大的工作量。时变单元法特点在于解域时变时，其离散网格不变，而是通过单元大小随时间变异来实现解域时变，因此可克服方程奇异问题，但也存在数值积分的稳定性问题，这可通过采用辛算法等加以解决。拓扑变化法则应用拓扑学原理，用数值手段实现解域随时间变化，可以不重复求解数值方程得到解域变化的结果，但是要求时变次数不能太多，否则计算效率不高。一般单元法是利用单元增减来实现求解区域的变化，也是存在运算矩阵奇异和网格不断重新划分的问题。神经计算法是在施工内力分析中用一套网格进行计算分析，求解区域的变化通过单元物理参数的变化来实现。实际工程数值分析大都采用计算机通用有限元软件，但目前几乎所有大型工程计算软件，都是建立在经典力学基础上，即未考虑研究对象时变因素，故不能直接应用于施工内力分析。因此通过施工力学、时变力学数值方法研究及建立相应施工力学分析工程软件，是一个重要与迫切的任务，也是从根本上解决上木工程施工力学实际应用的主要手段。

2 大跨空间结构卸载过程施工力学的研究现状

曹志远提出土木工程施工力学分析的研究方向，施工力学分析的基础为时变力学，对施工力学的基本课题、特征及力学、数学基础与方法做了较为详细的论述，最后结合工程实践说明研究的重要性与发展前景。其研究成果为大跨空间结构卸载过程施工力学分析奠定了一定的基础。曹志远等还提出采用超级有限元——有限元耦合法来模拟不同的施工过程；郭彦林、刘学武对大型复杂钢结构施工过程中表现出的诸多关键施工力学问题及其求解思路进行研究，其中包括大跨度钢结构拆撑过程中的相关问题，作者对千斤顶的模拟，临时支撑与主体结构脱离、接触的模拟，以及临时支撑回弹等问题进行了探讨，可以说对大跨空间钢结构施工卸载过程进行了较为深入的剖析。郭彦林、刘学武在考虑结构时变以及耦合几何非线性因素后，剖析了单元生死技术模拟施工过程的基本原理，从数学和物理上揭示了单元“杀死”、“漂移”和“激活”的机理。探讨了施工过程模拟的分步建模技术。对单元生死技术和分步建模技术的计算模型和精度进行了对比研究，分析研究表明，该方法用于施工过程分析是可行的；崔晓强、郭彦林对大跨度复杂钢结构安装过程中需要解决的力学及技术问题进行分类并论述其重要性及解决方法，开发了适用于大跨度钢结构施工过程分析的有限元方法和程序，可以建立在一些大型通用的有限元平台上，分析中考虑了结构施工步骤、施工荷载、支撑条件变化，拆撑过程等的影响，对结构施工进行全过程的跟踪模拟分析；崔晓强、高振峰、李子旭等对大型复杂临时支撑简化进行了研究，使得大规模永久结构和临时结构的计算能够得到简化；赵启林、卓家寿研究了利用神经算法进行矩阵运算的基本原理，探讨了在施工力学中应用神经算法的可行性。引入虚、实单元的概念，在整个施工力学分析过程中保持有限元网格不变，通过物理参数的变化反映求解区域的变化，可以提高施工力学中多重分析的计算效率。饶晓文、李鸿晶、伍小平分析卸载过程施工内力计算所面临的困难和相关研究现状，探讨临时支撑卸载的非线性时变力学过程和目前常用的两种有限元分析模型，并在此基础上提出了适用于卸载过程分析的位移荷载时变模型。以多跨连续梁为研究对象，对多个临时支撑的卸载过程进行研究，考虑卸载的非线性和时变性，假定各种不同的卸载次序，分析和比较不同的卸载次序对结构和临时支撑施工内力的影响，探讨其中的规律并提出了一些相对合理、可供参考的卸载次序和原则；伍小平、高振峰、李子旭等通过多次计算分析，最终确立了国家大剧院的卸载技术路线，并对该卸载路线进行了分析研究，实践证明该方案是可行的；腾念管对上海新国际博览中心空间钢桁架施工方案进行研究，介绍了该工程施工中采用的拼装单元划分、支撑点设置和支架卸落等方面的施工方法，给出了选用这些方法的理论依据；陈国栋应用ANSYS软件对广州市新体育馆主场馆钢屋盖结构进行了安装过程的动态跟踪分析，优化吊装和拆撑方案，为安装提供理论依据；承宇针对南京奥体中心体育场钢屋盖安装的特点，结合施工现场情况，选择合理、可靠的支撑胎架体系，并分析、优化胎架形式，布置方案及卸载方案等；王伯成利用ANSYS程序，详细分析了网架结构分段施工的安全性，并确定网架结构在临时支架拆除时的安全状况；田黎敏、郝际平等采用施工力学方法对三个大跨度复杂钢结构工程进行施工过程跟踪模拟分析，并在此基础上给出一些关于大跨度复杂钢结构施工的建议和意见[1,3-16]。

从以上文献可以看出，对大跨空间结构临时支撑卸载的研究主要还是集中在施工方法、技术的探讨上，对卸载阶段的力学过程研究还不够深入，用于模拟分析的模型还较为粗糙，相应的软件在这一块的分析能力还有待完善。工程技术人员虽然也能将实际工程利用有限元软件建模，计算临时支撑和永久结构的内力反应并跟踪、监控整个施工过程，但是应该说整个模拟分析过程还缺乏理论体系的指导，分析结果还存在一定的误差。

3 大跨空间结构卸载过程施工力学研究展望

相关工程技术研究人员对大跨空间结构卸载过程施工力学分析已进行了初步研究，但在很多方面还需要进一步开展工作。

（1）临时支撑是柔性的，对于永久结构来说卸载过程中支撑点位置下降，支撑反力减小，但是对于支撑体系来说，由于永久结构对支撑点的反力减小，该支撑点的位置又会有所回弹，这一过程中涉及到永久结构、支撑体系及二者的联系桥梁—千斤顶的耦合分析，受力比较复杂，还有待深入研究和探讨。

（2）针对大跨空间卸载过程施工力学分析，目前的研究和有限元模拟，有时会将空间结构简化为平面结构进行分析，平面结构的卸载问题相对简单一些，它与空间结构的卸载过程有何不同？这样的简化对计算的精度有多大影响？因此对于空间结构的卸载问题还需要进一步研究。

（3）一般来说，实际的大跨空间结构各临时支撑杆件间是存在侧向连接的，在卸载过程中如何考虑这一因素对上部永久结构和临时支撑施工内力的影响，需要进一步探讨。

（4）研究当前支撑点位置如何变化，将使得永久结构(如大跨度空间网壳结构)与临时结构(支撑体系)的受力状态始终最优，这里涉及到一个最优标准问题，这个问题比较复杂。一般而言，在卸载过程中，必须始终保证永久结构与临时结构内力的转换要相对平顺，位移协调等等，这些都是定性的，如何能提出一个比较定量的指标，需要进一步探讨和研究。

（5）一些商业有限元软件中已经涵盖了施工力学问题分析的模块，但是这些软件未对该部分的理论基础，算法原理和流程做明确说明，其分析结果的可靠性、计算精度以及适用范围也有待考究，且在实际施工力学问题的解决中通常需要在其平台上进行改进，这对工程技术人员来说也是一项复杂且耗费很多精力和时间的任务。如何能使得通用软件中有更多便于操作的模块，可以专门应用于大跨空间卸载过程施工力学分析，需要进一步研究和开发。

[1] 曹志远.土木工程分析的施工力学和时变力学基础[J].土木工程学报,2001,34(3): 41-46.

[2] 王光远.论时变结构力学[J].土木工程学报,2000,33(6): 105-108.

[3] 曹志远.空间结构分析的超级有限元法[J].空间结构,1995, 1(1): 24-28.

[4] 郭彦林,刘学武.大型复杂钢结构施工力学问题及分析方法[J].工业建筑,2007,37(9): 1-8.

[5] 郭彦林,刘学武.钢结构施工力学状态非线性分析方法[J].工程力学, 2008, 25(10): 19-24.

[6] 崔晓强,郭彦林,叶可明. 大跨度钢结构施工过程的结构分析方法研究[J].工程力学,2006, 23(5): 83-88.

[7] 崔晓强,高振峰,李子旭,等.大型复杂临时支撑简化分析方法[J].空间结构,2005,11(1): 45-50.

[8] 赵启林,卓家寿. 神经算法在施工力学中的应用[J].计算力学学报,2001,18(1): 108-110.

[9] 饶晓文,李鸿晶,伍小平.大跨空间结构临时支撑卸载的施工内力分析及非线性时变模型的探讨[J].四川建筑科学研究,2013, 39(3):361-367.

[10] 饶晓文,李鸿晶,伍小平.大跨空间结构施工临时支撑卸载次序研究[J].施工技术,2014, 43(11):122-126.

[11] 伍小平,高振峰,李子旭.国家大剧院钢壳体施工全过程模拟分析[J]. 建筑结构, 2005,26(5): 40-45.

[12] 滕念管,黄靖宇,吴欣之,等. 上海新国际博览中心空间钢桁架施工技术[J]. 钢结构, 2005,17(2): 20-22.

[13] 陈国栋,郭彦林,叶浩文,等. 广州市新体育馆吊装及拆撑过程动态分析[J]. 建筑施工,2002,17(2):13-18.

[14] 承宇.南京奥体中心主体育场钢屋盖安装关键性技术研究[D].南京:东南大学,2004.

[15] 王伯承.大跨度钢网架结构分段吊装技术的研究与应用[D].重庆:重庆大学,2004.

[16] 田黎敏,郝际平,郑江,等. 大跨度复杂钢结构施工力学模拟的研究与应用[J].西安建筑科技大学学报,2012,44(3): 324-330.

Research on status and prospect of unloading construction mechanics of long-span spatial structures

Clear of research significance of unloading process in construction of long-span spatial structures, the mechanical basis, mathematical basis and numerical methods are discussed in detail. Study on the current situation of unloading construction mechanics of long-span spatial structures, provide a reference for the further research direction and development trend.

steel structures; long-span spatial structures; unloading; temporary supports; construction mechanics

TU393.3;TU745.2

A

1008-1151(2015)03-0056-03

2015-02-10

广西高校科学技术研究项目（2013LX188）。

饶晓文（1982－），女，广西机电职业技术学院副教授，从事空间结构研究。