大型复杂钢结构施工力学问题及分析方法

2016-02-05王丽丽

中国设备工程 2016年11期

关键词：分析方法张拉力学

王丽丽

（甘肃钢铁职业技术学院，甘肃嘉峪关 735100）

大型复杂钢结构施工力学问题及分析方法

王丽丽

（甘肃钢铁职业技术学院，甘肃嘉峪关 735100）

本文以工程结构施工力学分析方法为切入点，就其在大型复杂钢结构施工力学问题中的求解思路与研究手段，做细致的探究思考，期望为大型复杂钢结构施工力学问题的有效分析应对，以及预防施工中安全事故的发生，提供有益的参考。

大型复杂钢结构；施工；力学问题；分析方法

建筑工程结构在施工进程中的几何形态、刚度与负载等特征都是依照特定条件逐渐形成的，其结构的力学物理量也处于不断变化的过程中，对结构施工力学的分析包含在施工力学的研究范围内。其是力学理论与建筑工程施工实践相结合，而交叉发展出的新型学科领域，主要探究工程结构的几何、物理与边界等参数的问题。由于传统的工程结构设计思想，只注重对结构在使用环节下的受力情况做分析研究，虽然能在一定程度上确保工程结构的安全与稳定，但是缺乏对结构在施工进程中其力学特性的变动情况的分析，忽视施工操作给工程结构带来的影响，使得相当多的施工安全事故，均是因缺乏相应施工力学问题的分析准备而导致的。因此笔者以结构施工力学分析方法作为研究出发点，对其在大型复杂钢结构施工力学问题中的研究与应用，做详细的探讨分析。

1　施工力学问题分析方法探究

工程结构的几何形态、刚度与负载等特性，是在施工进程中的逐一、有先后次序形成的，即施工作业中已装结构所承受的负载，是不会对未装结构产生作用与影响的。相反后装结构的受力将会改变已装结构的承力状态，新的已装结构与新负载的形成，整个工程结构的受力情况也会随之发生变动。工程结构将会在施工进程中经受不断的结构受力状态改变，在最终完成其结构施工作业，其受力情况与施工环节、作业进度之间具有一定的非线性关系，其称为状态非线性。

由此将施工过程跟踪模拟分析法，应用在大型复杂钢结构施工力学问题上，就存在着模拟上的难点。比如对工程结构随时间变化的模拟，由于结构在建筑流程中是处于不断变动的状态，各类构建的安装拆卸，都会给整个结构的受力状态带来较大影响，其非线性的联系让跟踪分析法难以做到准确模拟。此外，伴随有限单元法在各力学领域的应用推广，当前许多工程结构分析人员也使用单元“生死”法，对其结构随时间变化的情形进行研究求解。即通过建立整个工程结构的模型，在依照原本设计好的结构施工流程，做逐步的模拟施工，以此分析在加入新装构件与新负荷后，工程结构的受力性能变化。但对于复杂钢结构来说，使用单元“生死”法并不能有效控制模拟作业进程中各构件的安装位形，模拟中必须新加约束条件，才能确保新装构件处于设定位形上。一旦位形控制不当，将会使所模拟的结构状态结果与实际施工发生偏差，造成分析求解错误，甚至失败。因此，对大型复杂钢结构力学问题的分析不能仅使用某一类分析方法，而应依照具体的结构受力问题，选取适宜、有效的分析手段做求解应对。

2　大型复杂钢结构力学问题及分析方法研究

（1）柔性结构成型进程中的力学问题与分析方法。柔性结构是指以拉索和撑杆为主要构成部分的工程承压结构，其结构特性在于只有在拉索张拉预应力之后，才能开始形成结构刚度。柔性结构最具代表性的形式即是索穹顶结构，其结构张拉成型后需要符合工程所涉及到的位形标准，同时还需要其拉索张拉预应力也达到所规划的数值范围。由于其预应力的张拉进程与结构形状、预应力发生形式与顺序、以及预应力发生期间结构的自我平衡调整，都存在着关联影响。因此不同的拉索张拉方式与次序，将会影响柔性结构在成型时的预应力、几何形状以及刚度等力学特性。所以在设计位形条件下就预应力的分布与张拉次序的合理规划，就成为进行柔性结构施工、实现其有效成型的关键力学问题。

该问题需要施工分析人员探索、实验各类可行的预应力张拉与结构成型计划，并在确保成型施工效果的前提下进一步降低施工成本，否则不合理的施工方案，将影响柔性结构在张拉作用下达到预先设计的形状，或是导致其刚度、承载性能达不到工程设计需求。对柔性结构张拉形态的分析主要有两类思路策略，一是先行给定柔性结构内预应力的分布情况，之后进行求解，找出能达到该预应力条件的张拉结构形态，其分析方法也可称为找形分析。二是先行给定柔性结构张拉后的形状，以此进行分析求解，得出适合该造型需求的预应力状态，其分析方法也可称为找态分析。因找态分析是由结构几何状态进行反推，得出预应力的情况与施工张拉次序，其具体数值状态的分析较难以开展。而找形分析以柔性结构为出发点，经由设定施加的预应力求解出符合需求的结构几何形状，其数值上的分析运算相对简便，因此当前对柔性结构的力学问题分析，通常都是采用找形分析的方法进行求解。其具体有支座位移、力密度与动力松弛法等。

支座位移法是指在给定出柔性结构的原始几何状态后，经由对其支座的位移情况的分析计算，求解出相应的预应力分布结果。力密度法则是指以所选取的设计杆内力与杆长之比，作为任一柔性结构力平衡方程的已知数值，求解出在节点坐标下的线性方程组，进而算出各节点坐标得出结构几何形状，并且也能求出相应的形状变化与内力。基于拉索张拉结构本身的几何非线性特点，可使用非线性有限单元法来处理，分析张拉结构的形态。

（2）温度变化在施工进程中的力学影响问题与分析方法。温度的变动与影响是工程结构设计与施工中，必须要考虑到的重要因素之一，尤其是对大型复杂钢结构来说，温度变化对其结构的影响更为巨大。基于钢结构施工流程较长，作业周期漫长的特点，该期间内温度的变化也就会对结构产生更为严重的变形偏差影响，需要施工分析人员对其因素与问题做深入分析、管控，否则温差带来的偏差问题会导致工程构件安装困难，或是在强制安装下引发较大的装配应力。温度变动主要来自于日照温差与季节气候温差作用，为有效降低、预防温度变化给构建安装与应力带来的影响，就需要依据各类钢结构工程施工温度环境条件，做具体问题的分析研究。例如，国家体育场（鸟巢）的屋盖结构，其整个施工建设规模大，并且结构还需按区作业，施工工期较长，同时各个分区的原始安装温度与最终主结构合拢时的温度也存在着较大的差别。整个工程结构的温差作用显著，其温差作用不但会改变工程结构的设计位形，还会在其结构内部产生出相应的温度应力，进而危害到工程结构的质量安全。需要对其做温度影响的分析求解。对此需要依照最终主结构合拢断面的具体位置，以及温度负载的边界条件，研究求解出主结构合拢时断面的杆件，在温差影响下的变形值，并得出在合拢断面中应留出的间隙空间具体数值等信息。