多高层钢结构若干施工力学问题研究

【摘要】高层钢结构的分析通常采用的结构形状，负荷计算模型不符合实际的形成和轴承结构在施工的过程中，和内力和变形的差异的影响与结构层的增加。基本力学问题的高层钢结构施工过程中，施工过程的分层方法是用来跟踪仿真，根据锁在施工过程内力和变形分析方法，结构施工等方面确定预设值的概念和方法进行了分析。

【关键词】高层钢结构；施工过程；分层法；力学分析

1、前言

随着工程技术和经济的发展，高层钢结构，其施工期间和施工的复杂性也在增加。不断增长的同时，建筑事故，由于没有考虑施工过程设计中各种因素对结构内力的影响最终导致占相当大的比例。分析结构与传统结构设计（只有在使用阶段的结构在不同负载情况下机器组合效应分析）是不够的。恒定负载的实际重量的结构施工与施工步骤的过程中逐渐推进结构，当它在固定负载下完成施工步骤产生的内力和变形积累的影响，反过来，它的大小和分布及施工过程的“路径”和“时间”效应有密切相关性。因此，高层钢结构施工过程力学问题，分析尤为重要。

2、施工过程分析及其理论基础

施工过程中结构的受力特点是，整个结构的几何形态、刚度及其荷载和边界条件按一定的次序先后形成，建造过程中已装结构上所承受的荷载，不可能在未装结构上产生影响，已装结构相对于新装结构来讲具有某种初变形和初内力，而后装结构将影响已有结构的受力状态，新装构件和新加荷载一旦形成，结构的受力状态将随之改变。整个施工过程需经历一系列准结构状态才能达到竣工状态，期间结构的受力状态与时间（施工步骤）在某种程度上表现出了一定的非线性关系，称之为状态非线性。施工过程跟踪分析的难点主要是：

1）结构时变的模拟施工过程中的结构在不断变化，除了构件的安装还可能有构件（临时支撑）被拆除，分析对象的求解区域随时间的推进不断地增加或缩减，即使求解区域没有变化，结构的受力性能也可能发生较大的改变（柔性结构的张拉）。

2）材料时变的模拟施工过程中钢材的性能基本不会变化，而对于混凝土等时间依存性材料，其性能在不断地变化，表现出了较强的非线性。

3）边界条件时变的模拟施工过程中结构的边界条件经常会发生变化。对于大跨度结构，在施工的初始阶段释放掉某些自由度（拱脚水平位移），在施工的后续阶段或成型后再施加约束，可减少拱脚支撑结构的内力。对于采用临时支撑进行施工的结构，随着支撑的拆除，结构的边界条件不断变化。

3、计算模型

设计的计算模型是将荷载一次性地加到结构最终的几何模型图上，而施工力学分析的计算模型是根据实际施工过程，随着结构几何模型的变化而不断变化。同时，结构的自重荷载也是逐步施加，并且只作用于已施工完成的结构上，对上部未建结构的内力没有影响。

高层钢结构的施工力学分析中结构所承受的竖向荷载主要是自重荷载和施工荷载。由于在施工期间遭遇大自然灾害的概率较小，所以风荷载可以考虑取为常遇荷载。与此同时，考虑温度荷载作用，并可以不考虑地震的作用。高层钢结构的施工与安装，无论采用何種施工方案及措施，施工及安装完成后的结构必须满足2个条件：①结构位形满足目标位形（设计位形）的要求；②锁定在结构内部的装配内力与其它荷载的组合需满足结构的承载力要求。因此，对大型复杂钢结构工程进行施工全过程跟踪模拟分析，计算结构在成型过程中变形和内力的变化和发展状况，可以正确地评价施工方案对结构安全的影响。

编制有限元软件时，可采用分层法，跟踪模拟高层钢结构施工的整个过程。分层法的核心内容就是，用静态结构设计方法模拟动态的施工过程，只对结构每增加一层时，不同的结构形态，不同的边界条件，进行非线性增量法迭代分析。虽然这种方法比较粗略，但是从计算量和实际工程应用考虑，已经完全达到工程计算精度要求。

对于支座条件，完全刚接和完全铰接的情况都是不存在的，半刚性节点可用两端带弹簧的单元进行模拟。对于两个单元节点有偏心的情况，可采用带刚臂的单元进行模拟。

4、施工变形预调值的确定

对于倾斜高层钢结构的施工，最大的难题是随着施工步的推进，已装结构在不断地变形，对新装构件的安装位形有较大的影响。为使竣工时的结构能够达到期望的目标位形，施工过程中各构件须在一系列特定的位形上进行加工和安装，而这些特定的位形是未知的，且与目标位形存在一定的差别。因此必须对结构构件的安装位形进行预测和预调，找到各阶段构件的安装位形，确定构件合理正确的加工尺寸和安装坐标，从而使得安装完成后，结构的位形满足目标位形。

钢结构施工的变形预调值包括构件的加工预调值和安装预调值。构件的加工预调值等于构件的加工长度与设计长度的差值，用来补偿施工过程中构件的轴向压缩或拉伸所产生的变形，其大小取决于竣工时构件的轴向应力水平。构件的安装预调值等于构件节点的安装坐标与设计坐标的差值，用来补偿施工过程中构件节点所产生的位移，其大小取决于竣工时节点相对安装位置的位移。

对于大型复杂钢结构建筑，结构在竣工完成后要满足两个基本条件：一是变形不超限；二是锁定结构的内力在一定范围内。设计人员需要了解结构的成型过程及其分析方法，需要时可以根据其结构受力要求提出特定的施工方案，且对施工过程及方案进行分析及评价；同时施工技术人员需要了解结构和建筑设计师的设计意图，也需要研究施工过程中结构内力和变形的发展及变化情况，以保证施工过程中结构的安全性和可靠性，并且使得竣工时，结构的受力状态满足设计要求。

结语：

高层钢结构施工过程显示许多机械问题及其解决方案和分析方法进行了讨论。首先阐述了机械的施工过程仿真分析基础上，然后锁在施工的内力和变形分析方法、结构等建设方面确定预设值的概念和方法进行了分析。提出的概念分层的方法，为进一步研究不仅可以促进建筑力学的发展，和高层钢结构的施工技术有着重要的作用。

参考文献：

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作者简介：

贾延玲，山东凯文科技职业学院，山东济南。

项目名称：

钢结构支撑体系在施工过程中的有限元分析，项目编号：J16LG52