大跨結(jié)構(gòu)施工力學(xué)問題的淺析

陳小才，秦 文

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

1 施工力學(xué)問題的重要性及研究意義

在人類的發(fā)展史上從來沒有什么階段像過去的半個多世紀那樣，通過科學(xué)技術(shù)給人類社會帶來巨大變化，極大地促進了人類文明的發(fā)展。建筑行業(yè)也順應(yīng)了歷史發(fā)展的潮流飛速發(fā)展，其中大跨空間結(jié)構(gòu)體系作為近幾十年來出現(xiàn)的新型結(jié)構(gòu)體系成為建筑結(jié)構(gòu)方面最活躍的研究領(lǐng)域，同時大跨空間結(jié)構(gòu)的技術(shù)水平體現(xiàn)了一個國家土木建筑行業(yè)的水平和世界各國高度重視大跨空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，大量大型公共建筑如體育館、游泳館、展覽館、會堂、劇院、車站候車樓、飛機庫和超大空間建筑物都采用這種結(jié)構(gòu)形式，極大地促進了空間結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展。

建筑效果上追求新、奇、特，造型上突破傳統(tǒng)、千變?nèi)f化、千姿百態(tài)，結(jié)構(gòu)形式的不斷創(chuàng)新，空間跨度的無限追求，結(jié)構(gòu)體系日益復(fù)雜。建筑造型上的新奇，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系及節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜化，有時不合理的結(jié)構(gòu)受力體系和構(gòu)造方式也時有出現(xiàn)，這樣傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計法、構(gòu)造做法和施工技術(shù)就不再適應(yīng)，要求設(shè)計師們進行新的設(shè)計方法和新的施工技術(shù)嘗試和改進，最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)適用、堅固、美觀。

傳統(tǒng)上人們將結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工作為兩個相互獨立的過程完成，設(shè)計人員通常不參與結(jié)構(gòu)的施工計算，在設(shè)計過程中也較少考慮施工因素。隨著現(xiàn)代工程建設(shè)規(guī)模日益大型化、形態(tài)新異化、體系復(fù)雜化，結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工已經(jīng)緊密相關(guān)，相互影響。施工方法的不同將對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形將產(chǎn)生完全不同的影響，有時甚至是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵因素。因此，設(shè)計必須同時考慮施工過程中結(jié)構(gòu)的力學(xué)形態(tài)。目前，對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工過程力學(xué)原理的分析和施工技術(shù)的研究成為國內(nèi)外研究的熱點課題之一。

2 施工力學(xué)問題的研究動態(tài)

施工力學(xué)屬于應(yīng)用型學(xué)科，是解決工程中的實際問題而提出的，也是實際工程中力學(xué)問題的體現(xiàn)，是所有施工問題的統(tǒng)一體。結(jié)構(gòu)體系在動態(tài)的施工過程中內(nèi)力變化和變形變化與傳統(tǒng)的計算分析結(jié)果并不相符。對于許多大型復(fù)雜工程，施工過程“路徑”和“時間”效應(yīng)對設(shè)計狀態(tài)下成型結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和幾何形態(tài)的影響較大，因此，結(jié)構(gòu)施工過程力學(xué)問題的研究凸顯重要，正確認識和解決施工過程中力學(xué)問題事關(guān)工程建設(shè)的成敗。結(jié)構(gòu)使用階段與施工階段兩者間受力狀態(tài)的差異如果不能正確認識和對待，施工階段和使用階段中質(zhì)量與安全事故的風(fēng)險將會增加，對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系尤其應(yīng)引起重視。目前，結(jié)構(gòu)在施工過程中的力學(xué)問題及其分析方法引起國內(nèi)外眾多學(xué)者的重視，并對其進行了大量研究?，F(xiàn)就學(xué)界的研究歸為3類：第一類是解決施工力學(xué)理論問題，用什么理論去指導(dǎo)施工力學(xué)問題的解決；第二類是尋找施工力學(xué)分析的具體方法，如有限元生死單元法、疊加法、幾何控制法等；第三類是介紹具體工程中如何實現(xiàn)復(fù)雜施工項目，介紹自己成功的經(jīng)驗。施工過程就是一個將想象圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵨锏膶嵺`過程，隨著建筑師們對建筑不斷追求“新、奇、特”及建設(shè)工程的大型化，施工技術(shù)的發(fā)展越來越受到工程技術(shù)界的關(guān)注。實踐需要以理論為指導(dǎo)，當(dāng)前大跨空間結(jié)構(gòu)施工力學(xué)理論并沒有統(tǒng)一的標準，基本上是學(xué)者們在解決具體工程中提煉出來的，為統(tǒng)一共識還有很多工作要做，對問題要進一步深入研究。

3 大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工中存在的力學(xué)問題

一個復(fù)雜結(jié)構(gòu)的施工過程，從結(jié)構(gòu)體系無到有、小到大、簡單到復(fù)雜，經(jīng)歷了巨大的變化，盡管相對結(jié)構(gòu)的生命周期來說，結(jié)構(gòu)施工過程是短暫的，但這一變化過程，對結(jié)構(gòu)的受力形態(tài)產(chǎn)生影響巨大，不可忽視。設(shè)計人員不僅要對結(jié)構(gòu)的設(shè)計狀態(tài)進行計算，而且對結(jié)構(gòu)的成型過程也要進行計算以確保成型后的結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求，施工技術(shù)人員也要了解結(jié)構(gòu)的設(shè)計狀態(tài)及結(jié)構(gòu)受力性能，以便正確選擇經(jīng)濟、安全、可行的施工方法。對于大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)，其施工過程一般體現(xiàn)的主要力學(xué)和技術(shù)問題有以下幾類：

（1）結(jié)構(gòu)施工單元的劃分及其力學(xué)形態(tài)。在鋼結(jié)構(gòu)施工方法中分條分塊安裝法、高空滑移法、提升法和頂升法都可能牽涉到對結(jié)構(gòu)進行單元劃分，合理的劃分單元對施工過程控制至關(guān)重要。

（2）主體結(jié)構(gòu)在施工中臨時支撐的布置和分析及其對結(jié)構(gòu)受力的影響。對設(shè)置支撐的施工方案，主體結(jié)構(gòu)中與支撐相近的部分構(gòu)件其內(nèi)力分布與設(shè)計狀態(tài)完全不同，因為其與設(shè)計考慮的荷載不同，這樣可能造成臨時支撐點處及附近區(qū)域的桿件內(nèi)力加大，結(jié)構(gòu)構(gòu)件在安裝過程中破壞，所以必須進行結(jié)構(gòu)驗算以確保結(jié)構(gòu)在增加臨時支撐后的安全。

（3）對結(jié)構(gòu)在吊裝過程中的安全性進行計算。吊裝過程結(jié)構(gòu)可能使準結(jié)構(gòu)局部桿件強度破壞或變形過大失穩(wěn)，所以必須通過合理的計算和分析來確定吊裝順序及考慮結(jié)構(gòu)在吊裝過程中可能受到作用給結(jié)構(gòu)帶來的影響。

（4）對結(jié)構(gòu)在落架過程中的安全性進行計算。拆除臨時支撐的過程也即落架過程，是結(jié)構(gòu)受力逐漸轉(zhuǎn)移及內(nèi)力重分布的過程，保證結(jié)構(gòu)逐漸趨近設(shè)計狀態(tài)，不允許結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)永久變形。

（5）結(jié)構(gòu)實際內(nèi)力與變形及理論設(shè)計狀態(tài)的差異。施工過程是一個結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)力和位移都在不斷地發(fā)生變化的過程，在此過程中，所有變化都是隨機的、動態(tài)的，及時了解結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在此過程中的受力狀態(tài)，以確保結(jié)構(gòu)施工的安全。

大跨空間結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展給技術(shù)和科研人員帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，如何有效地建立大型空間結(jié)構(gòu)施工全過程計算理論與方法及在該理論中指導(dǎo)制定簡單、經(jīng)濟、可行的施工方案成為當(dāng)前研究的熱點問題。

4 施工過程力學(xué)模擬的具體方法

大跨結(jié)構(gòu)的施工過程是一個結(jié)構(gòu)自身不斷變化的過程，其受力形態(tài)也在不斷改變，在結(jié)構(gòu)成型過程中結(jié)構(gòu)一直處于動態(tài)變化過程，伴隨著構(gòu)件的增刪、材料本構(gòu)關(guān)系的改變、邊界條件的變化、或是偶然荷載的施加、溫度的變化，對于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力動態(tài)施加等變化，為了得到結(jié)構(gòu)真實、正確的結(jié)果，這些在跟蹤計算中都應(yīng)準確反映。目前，時變單元法、拓撲變化法及有限單元法包括了施工力學(xué)問題分析的主要方法。其中有限單元法理論推導(dǎo)嚴密，易于程序化，在現(xiàn)階段施工力學(xué)模擬分析大多以此為理論進行，但是傳統(tǒng)的有限元法并沒有提供解決施工力學(xué)問題的相應(yīng)公式，而兩種方法研究應(yīng)用較少且存在一些問題。所以，在求解大型結(jié)構(gòu)施工力學(xué)方面的運用方法上在工程界意見不統(tǒng)一，需要對其進行一定的改進。求力學(xué)問題數(shù)解的非線性有限單元法理論已成熟，并在部分有限元商業(yè)軟件上得以應(yīng)用，但其理論、方法、結(jié)論還有許多問題有待進一步考究。施工過程力學(xué)模擬的具體方法主要有：生死單元法、施工階段內(nèi)力與變位疊加法、幾何控制法。生死單元法是在有限元軟件平臺上進行改進，可用來解決實際施工力學(xué)問題施工模擬方法；施工階段內(nèi)力與變位疊加法是在理論方面對傳統(tǒng)有限元法作改進，能有效地進行全過程跟蹤分析的施工力學(xué)分析方法；幾何控制法是全過程幾何控制，將整個施工過程都納入了控制系統(tǒng)，實現(xiàn)更為精確的施工控制。而傳統(tǒng)的施工分析一般專注于施工安裝階段，幾何控制法貫穿于結(jié)構(gòu)整個過程，實現(xiàn)安全、經(jīng)濟、可行的施工。

5 結(jié)束語

文章對施工過程中力學(xué)問題的重要性進行了闡述，對施工過程中體現(xiàn)的力學(xué)問題，工程技術(shù)人員應(yīng)高度重視，應(yīng)結(jié)合具體工程實例，在實踐中提升理論及豐富對施工力學(xué)問題的研究，并對施工過程力學(xué)分析方法進行驗證，同時也為類似工程施工力學(xué)分析積累經(jīng)驗，為問題的解決提供有益的嘗試。