土木工程施工技術(shù)與應(yīng)用綜述

于泊

【摘 要】目前，由于土木工程施工時(shí)間長、工藝復(fù)雜，從而在施工過程中施工工序?qū)Y(jié)構(gòu)內(nèi)力存在一定的影響。針對這一特殊情況，文章首次提出根據(jù)施工不同階段定義結(jié)構(gòu)形態(tài)，并從力學(xué)的角度分析施工過程存在殘余應(yīng)力和殘余變形的必然性，指出了施工工序的不同時(shí)其殘余應(yīng)力和變形的差異，明確了施工力學(xué)研究內(nèi)容及方法，進(jìn)一步提出對特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工控制的必要性，并根據(jù)大量土木工程實(shí)踐，提出了解決問題的方法和途徑。

【關(guān)鍵詞】土木工程；施工技術(shù)；力學(xué)應(yīng)力

1.土木工程施工技術(shù)的現(xiàn)狀

工程控制理論最早應(yīng)用于軍事工程和航天工程。近幾十年來，隨著現(xiàn)代控制理論、大系統(tǒng)理論、智能化控制的出現(xiàn)，這一理論不僅僅局限于高尖端的技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，其已逐步應(yīng)用到社會、經(jīng)濟(jì)、規(guī)劃、管理等社會生活的各個領(lǐng)域。日本是較早將工程控制理論應(yīng)用到土木工程的國家，特別是應(yīng)用在地下工程中隧道、盾構(gòu)以及大跨度橋梁的施工上。利用工程控制理論，主要是對工程中關(guān)鍵位結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、撓度等參數(shù)進(jìn)行測試，通過對測試結(jié)果的分析，最后返回現(xiàn)場指導(dǎo)施工。

上世紀(jì)90年代，隨著我國大量工程項(xiàng)目的出現(xiàn)，人們越來越意識到施工過程的控制對工程質(zhì)量、安全的重要作用，提出了對地下工程進(jìn)行信息化施工、對高層建筑進(jìn)行施工力學(xué)分析、對大跨空間結(jié)構(gòu)尋形分析、對橋梁工程進(jìn)行施工控制的思想和方法。特別是在橋梁施工的應(yīng)用方面，較為系統(tǒng)的利用現(xiàn)代控制理論進(jìn)行施工控制，取得了不少成功的經(jīng)驗(yàn)，在地下工程中，盡管沒有引人施工控制概念，但仍是按照工程控制理論的思想指導(dǎo)施工，總結(jié)出“理論導(dǎo)向、經(jīng)驗(yàn)判斷、嚴(yán)密監(jiān)控、適度反算”的信息化施工理論。在高層建筑的施工中，已經(jīng)開始考慮混凝土材料的收縮、徐變對施工的影響。

國外土木工程施工控制技術(shù)的研究和應(yīng)用主要存在以下問題：

（1）理論研究還不能適應(yīng)工程建設(shè)的需要，由于施工控制涉及多個學(xué)科領(lǐng)域，特別是非線性分析、反饋分析、最優(yōu)控制、系統(tǒng)識別、材性分析等。目前既有一般性基礎(chǔ)理論的研究，又有應(yīng)用性理論的研究，但缺乏系統(tǒng)的集成和有價(jià)值的應(yīng)用。

（2）缺少驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。一些領(lǐng)域?qū)κ┕た刂迫狈Ω拍詈退季S方式，更無標(biāo)準(zhǔn)可言。也有一些領(lǐng)域有一般性的標(biāo)準(zhǔn)，但對大多的創(chuàng)造第一的工程仍缺少足夠的科研準(zhǔn)備。對于施工控制的標(biāo)準(zhǔn)如何提出，不僅涉及到長期發(fā)展問題，也涉及到一個可操作性的問題。但有一點(diǎn)就是要對沒有經(jīng)驗(yàn)借鑒的工程必須全面貫徹施工控制，避免出現(xiàn)重大決策的錯誤。

（3）管理體制問題。主要存在的問題是多頭管理，管理責(zé)任不能落實(shí)，缺乏對施工控制的高度重視，對特大型工程前期研究不夠，對工程的解剖不夠細(xì)致。要想解決這類問題，唯一的辦法就是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工總承包的管理思想，使管理責(zé)任明確并得到落實(shí)。強(qiáng)調(diào)施工單位應(yīng)采取主動控制，使責(zé)、權(quán)、利能夠達(dá)到系統(tǒng)的統(tǒng)一。

2.土木工程施工技術(shù)的特點(diǎn)

土木工程的施工是一個耗時(shí)比較大，操作工藝復(fù)雜，環(huán)境不斷變化的過程。它不同于設(shè)計(jì)完成后的受力狀態(tài)。因此，有必要要對其發(fā)生的不同狀態(tài)進(jìn)行定義。

2.1基本形態(tài)的定義

（1）結(jié)構(gòu)零狀態(tài)：是指建筑物外型的坐標(biāo)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)此時(shí)未承受任何荷載，其狀態(tài)是一種理想結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

（2）結(jié)構(gòu)初態(tài)：是指結(jié)構(gòu)經(jīng)施工后形成了完整的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，此時(shí)結(jié)構(gòu)已包含了由于施工過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及殘余變形，結(jié)構(gòu)承重，自重和部分施工荷載等。

（3）結(jié)構(gòu)終態(tài)：是指工程竣工后的狀態(tài)，此時(shí)結(jié)構(gòu)包括從結(jié)構(gòu)初態(tài)到竣工后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和變形以及工程竣工時(shí)結(jié)構(gòu)的各種自重。

（4）施工狀態(tài)：是從工程建造開始，以設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)的外型為目標(biāo)，經(jīng)過每一步施工步序，最終達(dá)到工程竣工的過程。由于施工工藝的不同，施工最終在結(jié)構(gòu)初態(tài)和結(jié)構(gòu)終態(tài)產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力和殘余變形不相同。為了便于分析，將施工狀態(tài)的分析稱之為施工力學(xué)，它不同于一般的工程靜力學(xué)和動力學(xué)，其具有其獨(dú)特的技術(shù)特征。

2.2施工過程技術(shù)特征分析

施工過程的力學(xué)特征與永久受力特征具有很大的區(qū)別，設(shè)計(jì)人員多數(shù)是從工程竣工狀態(tài)（結(jié)構(gòu)終態(tài)）考慮結(jié)構(gòu)體系的受力，對施工過程可能產(chǎn)生的殘余內(nèi)力和變形往往忽略不計(jì)。對于一般的結(jié)構(gòu)體系不考慮施工階段引起的誤差并沒有多少影響。但對一些特殊結(jié)構(gòu)體系，其影響十分顯著，必須引起足夠的重視。

2.2.1施工過程殘余應(yīng)力和變形的存在。

如果是鋼結(jié)構(gòu)框架，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法思路，根據(jù)受力狀態(tài)確定結(jié)構(gòu)的截面，不考慮施工過程可能帶來的影響。

2.2.2 施工過程中邊界條件等外部環(huán)境因素變化引起的殘余應(yīng)力和變形。

除施工過程可以引起殘余應(yīng)力和變形外，其邊界條件外部環(huán)境也都會引起結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力和變形的存在。例如，外界溫度的變化引起的應(yīng)力是大跨度結(jié)構(gòu)中不容忽視的。除此之外，邊界條件的變化也可以引起結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力和變形，利 用不同狀態(tài)的邊界條件變化可以達(dá)到降低殘余應(yīng)力和變形的存在。因此，合理使用工序的變化和邊界條件的變化可以起到降低殘余應(yīng)力和殘余變形的目的。

實(shí)際工程中，由于施工工序的不同或邊界條件變化在結(jié)構(gòu)中會產(chǎn)生內(nèi)力的變化。結(jié)構(gòu)僅承受重力作用，實(shí)際施工是將其分為三個階段。首先施工兩懸臂段，最后施工中間段。為了說明問題，此處僅比較在第三階段施工由于邊界條件變化而產(chǎn)生的影響。

2.2.3結(jié)構(gòu)內(nèi)部的單元隨施工變化。

比如索結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力的張拉，預(yù)應(yīng)力在其施加張力的同時(shí)其原長在縮短，深基坑工程中的預(yù)應(yīng)力鋼支撐，其千斤頂在斷伸長等等。這些單元的變化是目前有限元分析中很難從嚴(yán)密的理論來解決的問題，也是理論分析與工程實(shí)際誤差的關(guān)鍵。

2.2.4材料的時(shí)間依存特征。

混凝土依賴于時(shí)間的性質(zhì)有徐變、收縮、強(qiáng)度、彈模等的變化。土的力學(xué)性質(zhì)具有蠕變和流變性質(zhì)。這些材料隨時(shí)間變化的性質(zhì)，特別當(dāng)不同材料、不同混凝土配合比、不同土質(zhì)條件形式的結(jié)構(gòu)工程其影響更為顯著。

2.2.5施工工藝多樣性特征與優(yōu)化由于施工工藝的多樣性，故結(jié)構(gòu)終態(tài)構(gòu)成的內(nèi)力和變形存在較大的差異，施工僅是工程的完成，還應(yīng)該使最終控制其殘余變形和內(nèi)力達(dá)到合理的范圍之內(nèi)。施工過程中由于存在著上述特征，對施工序的分析以及特征的研究，本文稱為施工力學(xué)。

2.3控制理論的技術(shù)特征

施工狀態(tài)的分析構(gòu)成施工控制的基礎(chǔ)，是預(yù)測分析的關(guān)鍵，而控制理論是一個由測試、分析、反饋、調(diào)整構(gòu)成的控制環(huán)，其主要內(nèi)容有：（1）測試系統(tǒng)；（2）參數(shù)識別系統(tǒng)；（3）誤差分析系統(tǒng)；（4）狀態(tài)預(yù)測系統(tǒng)；（5）綜合調(diào)優(yōu)系統(tǒng)。

施工模擬的程序應(yīng)盡可能準(zhǔn)確，其步驟盡可能要小，這樣才能使理論與實(shí)際情況更為接近。但如果完全按實(shí)際施工過程模擬其計(jì)算分析工作量太大，故應(yīng)掌握其關(guān)鍵工況并與測試、反分析結(jié)果相一致。施工控制的主要目的和任務(wù)是對施工過程中永久結(jié)構(gòu)和臨時(shí)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)①形狀控制；②應(yīng)力控制；③穩(wěn)定控制。

3.結(jié)束語

總之，土木工程施工技術(shù)在近十年雖然有了飛速發(fā)展，但是土木工程施工至今仍以手工操作、半機(jī)械作業(yè)為主，勞動效率遠(yuǎn)低于其它產(chǎn)業(yè)部門，還屬于勞動力密集型產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)代土木工程施工技術(shù)的發(fā)展方向，除了要有滿足當(dāng)前土木工程建設(shè)需要而與之配套的施工技術(shù)，還要向高效率，高質(zhì)量的方向發(fā)展。 [科]