大型复杂钢结构建筑施工力学问题及分析方法

张立柱

摘 要：由钢制材料组成的建筑结构，因其独特的材料特点与恒荷载作用，易产生建筑内力及形变。在自重和承重方面来看，钢结构在与其它荷载效应组合的过程中，这种内力及形变会导致建筑承载着较高的安全风险。几何时变、材料时变和边界时变是钢结构在施工力学中存在的主要问题。本文通过对以上问题的研究与分析提出了解决方法，减少时变，降低安全风险。

关键词：钢结构；建筑施工；力学；结构问题；结构分析

1 引言

钢结构在实际建筑建设使用中，设计、施工及经济方面都比其它建设具有显著的优势。因此，越来越多的大型建筑都开始运用钢结构进行搭建。大型复杂钢结构在施工时的结构内力变化不是一个简单的过程，施工时采取的路径以及各项目施工的时间，对建筑完成后的影响十分明显。这种影響体现在建筑外部的几何形态和内部受力状态上，因此，施工力学问题是大型复杂钢结构建筑施工中重要的一项。

2 钢结构建筑施工力学问题简述

我国现代建筑多以混凝土结构为主，因此从事施工的施工人员对大型复杂钢结构的建筑施工比较生疏，很少有施工人员会在施工过程中对结构的受力性能进行分析。而在施工过程中，钢结构在建筑中的自身重量、作为装饰的承载以及作为围护结构等的恒荷载，都会逐步随着这个过程施加至建筑。建筑施工完成后，在这些恒荷载的作用下，钢结构容易因施工时累加而形成的内力变形。

施工时采取的路径与各项目施工时间，密切影响着恒荷载的大小与分布规律。在这样的施工效应下，若是过程中引起的内力或是形变对钢结构的影响较大，极易引发大型复杂钢结构建筑的安全问题。这些影响可能会导致钢结构的特性、边界、材料随着时间的推移而发生性质上的变化，当时变的变动达到一定程度，钢结构的稳定性会发生变化。一旦钢结构丧失了其稳定性，建筑的原有结构就会被破坏，甚至会造成建筑坍塌。

钢结构具有结构与施工“路径”密切关联的特性，即在建筑的施工过程中，会依据先后的顺序产生刚度、几何形态、边界、荷载等条件。荷载又是随着建筑的搭建而逐步形成的，在形成过程中，施工的路径和各部分施工的时间都在每一步的工作中影响着阶段受力性能的使用。由于钢结构具有其它建设无法超越的优势，我国大型复杂钢结构在建筑中的使用越来越广泛，此类施工也在逐步增多，在施工过程中出现的力学问题，成为了急需解决的重要问题。然而现阶段，大型复杂钢结构建筑施工力学问题暂时属于建筑学科的前沿发展问题，以目前研究来说无法得到彻底有效的解决。在大型复杂钢结构建筑逐步落实应用的过程中，力学问题的解决成为了工程施工发展的一个重要方向。

3 钢结构建筑施工力学问题分析

3.1 结构施工跟踪分析

所有大型建筑物的建筑过程都是一个动态过程，大型复杂钢结构建筑也不例外。在这个动态过程中，材料依照设计堆砌，荷载随之加强，建筑逐渐落成，边界也逐渐成型。在建筑完成后，钢结构内部的力量与变形，都是在施工过程中一步步累加形成的，建筑过程中每一部分的完工时间、每一个步骤的先后顺序，都对结果产生着不可逆的影响。

3.2 施工变形预调值分析

在大型建筑物的建筑中，如大跨度的钢结构建筑，常常需要将搭建的每一部分组合为最终建筑物，或是在建筑时大跨度进行施工，这种施工过程需采用临时支撑的方式进行搭建。在钢结构的安装过程中，临时支撑能够承载钢结构在施工过程中产生的荷载和钢结构的自重，但是最大的难题也因此出现：在逐步施工过程中，已经搭建的结构可能会由于各种原因产生不可预料的变形，对下一步需要搭建构件的安装位置产生或大或小的影响。

3.3 大跨度钢结构拆撑分析

大跨度钢结构建筑的搭建需由局部到整体，在整个结构尚未成型之前，搭建的局部无法靠自身已搭建的部分维持稳定。因此在大跨度钢结构建筑中，临时支撑成为了施工过程中重要的一部分。临时支撑的搭架需要通过高空组装或是直接高空散装的施工方式来完成，它可以使搭建的大跨度钢结构建筑局部维持稳定，减少其内力和变形。但是临时支撑也存在着弊端，即在施工过程中，施工人员需规划考虑临时支撑的搭建方案、拆撑方案、拆撑过程；同时还需预测、计算好临时支撑的搭建和拆除给建筑主体的内力、形变带来的重大影响。

3.4 钢结构吊装平衡分析

除了临时支撑，吊装施工也是大型复杂钢结构施工中常用的施工方式。吊装施工用起重设备将施工时所需的结构构件吊起并安装固定至设计位置，在这个过程中，构件的受力状态在可预测范围内，但无法与设计分析中的数值完全相同。在吊装施工过程中，构件的空间姿态无法准确控制。

4 钢结构建筑施工力学问题分析解决

4.1 结构施工跟踪问题

经分析，在大型复杂放结构建筑施工过程中，钢结构的力学状态是不断变化的，因此除了构件安装设计需精确之外，还需要安装一些用过后可被拆除的临时支撑。随着施工方向的不断拓展，钢结构的受力也不断的增加或是缩减，因此力学分析也需要跟随这个变化进行深层次设计，计算出能够区域性修改刚结构的刚度矩阵。及时对施工进度及钢结构建筑状态进行跟踪，使用合适的方式解决每一步搭建的力学问题。

4.2 施工变形预调值问题

使用临时支撑进行施工时，不能影响建筑搭建结束时的预期目标位形。为了达到这样的目标，施工时各个构件必须要在设计好的特定位置和形态上完成安装。大型复杂钢结构建筑施工中，已搭建的建筑因内力等原因会与原设计产生不同，这些特定位形也应随着施工进度而调整，或许与最初的设计位形有所差异。每一个结构构架安装前，都应有施工人员对其位形进行预测和预调，确保构件安装位置的准确度，保证构件安装后钢结构能够完成目标位形。

4.3 大跨度钢结构拆撑问题

在大型复杂钢结构建筑施工中，考虑到临时支撑给主体钢结构带来的内力和形变的变化，应将变化因素进行合理修改设计，预想所有内力与变形的发展变化并进行全程模拟，从而确定最合适的临时支撑使用方案。临时支撑的使用是涉及到施工多方面的复杂力学状态转变过程，在使用过程中，需要保证临时支撑的架构拆除的合理性及主体结构的安全性。因此，合理拆撑方案的设计是达成施工目标的保障。

拆撑过程不可追求施工速度，应缓慢进行从而平稳的完成主体钢结构与临时支撑内力和位移的过度，这就要求施工前需制定合理的拆撑点、顺序和方式。要保证拆撑的稳定性，不对主体钢结构造成破坏或使其失衡；在拆撑步骤上，要采取分段进行的方式，每一步都保证主体结构内力及位移的缓慢转换，使其均匀受力，从而将变形控制在预定范围之内。

4.4 钢结构吊装平衡问题

构件在吊装过程中姿态较为难控，这就要求构件的安全性和精确性。吊装前，施工人员需对吊装过程做出预测，对所有预测结果进行分析，由此选择最优的吊装方案。一般大型复杂钢结构建筑的施工中，吊装方式常常采用一套吊装体系来进行，包括吊索和滑轮结构。在这样的吊装体系中，吊体的空间姿态、吊机构刚度、强度及稳定性验算都是容易出现问题的地方。在吊装过程中，还存在着一些暂时没有简便计算方式或是计算模型的问题，如高空拼装的稳定性试算，但是随着工程技术的不断进步，这些问题会逐步拥有最优解。

5 结束语

大型复杂钢结构建筑施工过程中，力学的变化非常复杂。通过对施工过程的分析，本文总结出施工过程中常见的力学问题有结构施工跟踪、施工变形预调、大跨度钢结构拆撑和钢结构吊装平衡等问题，并提出了相应的解决方案。

参考文献：

[1] 蔡婷.大型复杂钢结构建筑工程新技术的应用分析[J].建材与装饰，2016（21）：30～31.

[2] 王华民，杨涛.大型钢结构建筑安装技术研究[J].天津建设科技，2011（3）：16～17.