預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)虛擬張拉技術(shù)研究

□□ 苗　杰　(運城職業(yè)技術(shù)學院，山西 運城　044000)

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預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)虛擬張拉技術(shù)研究

□□ 苗杰(運城職業(yè)技術(shù)學院，山西 運城044000)

摘要：預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代社會和經(jīng)濟發(fā)展的必需品，但是預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工工序麻煩，尤其是施工過程中不可預(yù)測性強，存在潛在的危險，也可能由于施工不當造成所施工的建筑物不能滿足使用要求。在施工前進行模擬分析來預(yù)測可能出現(xiàn)的問題，改善施工條件，優(yōu)化施工方案，可保證預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定地進行施工。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力；模擬分析；鋼結(jié)構(gòu)；計算機

引言

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)尤其是大跨度鋼結(jié)構(gòu)，如張拉整體式、全張力柔性、懸拉鎖結(jié)構(gòu)等的施工，與結(jié)構(gòu)的成型過程有著直接的聯(lián)系。如果選用的張拉力、張拉順序、張拉設(shè)備不當，都將使拉鎖結(jié)構(gòu)難以達到設(shè)計要求和使用要求。因此，為了選擇適當?shù)姆桨高M行設(shè)計和施工，最近幾年推出了虛擬現(xiàn)實技術(shù)——虛擬張拉技術(shù)[1]。

虛擬張拉技術(shù)是借助于計算機結(jié)合現(xiàn)實中的因素進行模擬仿真分析，便于在施工前了解施工中可能遇到的問題，避免施工過程中的安全隱患，使建設(shè)單位和施工單位提前了解施工過程中可能遇到的問題[2]。在施工前采取一定的措施進行事前控制，確保施工的順利和安全實施，不僅可以降低工程造價，而且可以確保工程安全進行、縮短工期。

1虛擬技術(shù)的必要性和作用

目前所建設(shè)的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)建筑，尤其是鋼結(jié)構(gòu)拉索結(jié)構(gòu)施工時，可以采用剛?cè)嵯酀笸耆嵝缘氖┕し桨概c虛擬張拉技術(shù)同時應(yīng)用，共同發(fā)展[3]。通?？梢栽谝韵聨讉€方面進行應(yīng)用：

(1)大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑因為其工程的受力情況的復(fù)雜性，并且在施工過程中很多工作具有不可逆轉(zhuǎn)性，在施工過程中的受力情況也在不斷發(fā)生變化，因此為保證工程的施工可靠度，應(yīng)首先進行模擬分析，當一切就緒時方可進行施工，以避免施工過程中可能出現(xiàn)的重大事故和失誤。

(2)在模擬分析后對施工方案進行優(yōu)化再進行模擬，以確保施工過程中的張拉順序和張拉力，因此進行模擬分析后選擇最優(yōu)方案進行施工。

(3)可以對張拉施工人員和張拉設(shè)備進行優(yōu)化配置，增大張拉的可操作性并且可以節(jié)省工程總造價，必要時對張拉施工人員進行培訓(xùn)和考核[4]。

(4)采用模擬分析較試驗室進行模擬試驗和縮小模型節(jié)省時間、安全、造價低，并且進行模擬分析時可以進行多次模擬操作，精度也較試驗室和縮小模型高。

2模擬基本原理和技術(shù)應(yīng)用

2.1　模擬技術(shù)組成

模擬技術(shù)是根據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工過程的實際操作進行分析，其中包含了許多學科的共同建設(shè)。模擬技術(shù)的核心部分包括以下3個方面：

2.1.1可視化與交互技術(shù)

可視化是通過計算機顯示技術(shù)與圖形學融合，將模擬施工過程通過映射方式進行交換的行為和過程；而交互過程是現(xiàn)實生活中的人通過大腦判斷與模擬分析的軟件進行信息交流[5]。

2.1.2建模技術(shù)

首先，應(yīng)先將施工過程在計算機軟件中使用圖形學建立一個與真實情況一樣的模型。這個模型可以反映工程的形態(tài)和用途、類型等，是真實工程的映射。根據(jù)實際施工工程的情況，通過建筑用CAD等軟件建立相同的模型，形成一個可視化操作的模型。

2.1.3仿真技術(shù)

對真實的工程進行模擬分析，通過驗算和對比，最后優(yōu)化得到最佳的方案進行張拉施工。因此，模擬分析也可以稱為是一種試驗方法和手段，但是與真實的試驗相比，模擬并沒有將工程和構(gòu)件縮小后進行計算，而是根據(jù)真實數(shù)據(jù)進行處理，因此采用模擬分析更具真實性和實用性。其中模擬仿真技術(shù)分析主要包括：方案的優(yōu)化分析、力學分析、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換、監(jiān)控和預(yù)警、管理、維護等仿真。張拉仿真技術(shù)的基本原理如圖1所示。

圖1　張拉仿真技術(shù)的基本原理

2.2　建模與仿真

2.2.1單元模擬與分析

在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中，索單元是最基本的單元。模擬分析通常分析預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)、加載狀態(tài)和卸載狀態(tài)，分析方法主要有連續(xù)化假定(有限元分析)和離散化假定(非有限元分析)。連續(xù)化假定是當前模擬分析使用最廣泛的軟件，因為連續(xù)化簡單易操作，并且也易懂，但其缺點是不接近于實際，因為實際工程并不是連續(xù)性的，而是具有較高的離散性，因此，離散化假定更適合預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的模擬分析。使用離散化模擬分析時，應(yīng)該考慮以下假定：大位移、小應(yīng)變、只受拉力和自重、初始垂直度。應(yīng)采用以下方法進行模擬：離散二節(jié)點直線單元法、曲線索單元和基于Ernst公式的彈性模量法。

2.2.2仿真分析

通常采用的模擬方法主要有以下4種：

(1)等效荷載法。將預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)上受到的預(yù)拉力作為外部荷載，不考慮結(jié)構(gòu)的剛度。在我國的很多知名預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中使用了這種等效荷載法進行模擬分析，如成都新國際會展中心等。由于這種方法忽略了結(jié)構(gòu)的剛度影響，因此不能了解結(jié)構(gòu)的較大位移和應(yīng)力剛化效應(yīng)，也不能確定拉索之間的索力影響，其模擬效果并不好，因此在很多實際工程中很少使用等效荷載法。

(2)初始應(yīng)變法。初始應(yīng)變法較等效荷載法更先進一些，它考慮了結(jié)構(gòu)的剛度和拉索之間的索力影響，相對于等效荷載法更準確、更先進一些。

(3)模擬環(huán)境降溫法。在拉索受力時，受力部位會產(chǎn)生變形和熱量，這些熱量的積聚使預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生變形，間接地使結(jié)構(gòu)發(fā)生初始應(yīng)變。

2.2.3張拉全過程模擬

由于預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中拉索數(shù)量較多，并且拉索的類型也千差萬別，因此施工過程中不可能對其進行整體性張拉。應(yīng)該根據(jù)工作人員的經(jīng)驗、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的特點、設(shè)備數(shù)量、施工條件等確定張拉方案。由于預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的剛度相對較小，可采取分階段、分批次進行張拉后考察群索之間的索力相互影響，因此選擇一個合理的張拉順序和張拉力極為重要。

通常預(yù)應(yīng)力拉索的全過程模擬分析主要有以下3種方法：

(1)順序法。順序法又稱為正算法。根據(jù)現(xiàn)場施工的正常順序進行仿真分析，循環(huán)之后得到真實的張拉力。

(2)逆序法。逆序法又稱為倒序法，即進行模擬分析時與實際情況恰好相反，按照相反的順序進行模擬仿真分析。具體做法為：先做成最終模型，然后按照相反的施工方案進行模擬，最后得到的拉索模擬力即為拉索的真實張力。

(3)混合法。混合法即使用順序法和逆序法共同進行模擬。首先采用逆序法假定結(jié)構(gòu)的最終模型和無應(yīng)力長度，使用初始應(yīng)變反映真實情況，最后保留初始應(yīng)變采用順序法對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)進行模擬仿真分析。

3基于仿真虛擬技術(shù)的建筑施工

3.1　虛擬技術(shù)的意義

利用虛擬技術(shù)模擬施工過程，可在施工之前掌握各個部件的相互關(guān)系與對應(yīng)位置，對其采用多種不同的施工方案，精確計算工況應(yīng)力，并且優(yōu)化調(diào)整施工方案，這對于建筑施工具有特殊意義。項目施工方案的選定與優(yōu)化，以施工經(jīng)驗、實際條件和施工工藝為出發(fā)點存在很多局限，而且現(xiàn)代建筑施工還存在很多不確定的影響因素，所以施工過程不能完全照搬復(fù)制。將仿真虛擬技術(shù)應(yīng)用于施工中，能科學、直觀地展示施工措施與方法，當方案對比定量完成后，進行優(yōu)化施工方案的選擇。將新技術(shù)與革新引入仿真模擬技術(shù)，能使施工人員在成本較低的情況下實踐新思路與施工工藝，同時對創(chuàng)造性的發(fā)揮與利用也有很大影響，它能真實說明技術(shù)成效，減少建筑施工過程的投入時間，減小采用新工藝與新技術(shù)帶來的風險。同時施工管理能提前模擬施工流程，及時發(fā)現(xiàn)施工管理中的安全與質(zhì)量隱患，從而采取對應(yīng)的措施預(yù)防與強化，改善現(xiàn)場管理的效果。

3.2　三維動畫的使用

施工模擬是在建筑工程施工前對施工過程進行模擬展示與體驗，并且結(jié)合應(yīng)用軟件調(diào)整施工偏差與變更，以優(yōu)化整個施工過程。虛擬技術(shù)的第一步是預(yù)演，也就是從結(jié)構(gòu)設(shè)計到場地施工方案、施工工藝的實施，同時涉及施工各個步驟的信息管理，到工程竣工驗收的整個過程，全部展現(xiàn)給管理與施工人員。在虛擬施工的狀態(tài)下，它能準確地展示施工結(jié)果與步驟，與傳統(tǒng)施工相比，能提前發(fā)現(xiàn)施工設(shè)計中的質(zhì)量問題和安全隱患，適當縮短施工時間，協(xié)調(diào)施工技術(shù)。利用反演時間，可以調(diào)整施工步驟與參數(shù)，結(jié)合施工設(shè)計要求與業(yè)主需要，進行多樣施工和精細管理，以此優(yōu)化施工方案。

按最優(yōu)配方制作香菇醬共10批，按照1.4.5項下方法對樣品進行測定，實驗結(jié)果及限量標準見表6。結(jié)果顯示各項指標均符合標準要求。

4結(jié)語

在當代預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)進行張拉處理時，首先采用模擬分析其在張拉處理時可能遇到的問題，選擇合理的施工方案進行施工，這在后期施工過程中可以避免一些錯誤和危險，因此在進行預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工時先采用模擬分析很有必要。模擬分析時可以采用順序法、逆序法和混合法，其中混合法即將順序法和逆序法共同作用進行模擬，其模擬效果與真實施工情況接近。在進行預(yù)應(yīng)力張拉處理時先采用模擬分析，可以得到較好的效果。

參考文獻：

[1] 張曉偉，張勇.預(yù)應(yīng)力后張法張拉施工技術(shù)分析[J].科技與企業(yè)，2013(16)：192-193.

[2] 張沛，馮健.張拉整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性判定及剛度分析[J].土木工程學報，2013(10)：48-57.

[3] 周一一，陳聯(lián)盟.淺談張拉整體結(jié)構(gòu)發(fā)展的歷史與趨勢[J].空間結(jié)構(gòu)，2013(4)：11-17.

[4] 葛家琪，張愛林，劉鑫剛，等.索穹頂結(jié)構(gòu)整體張拉成形模型試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，2012(4)：23-30.

[5] 江磊鑫，郭彥林，田廣宇.索桿結(jié)構(gòu)張拉過程模擬分析方法研究[J].空間結(jié)構(gòu)，2010(1)：11-19.

(編輯盛晉生)

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(Yuncheng Polytechnic College，Yuncheng，Shanxi，044000，China)

Abstract：Prestressed steel structure is a necessity of modern social and economic development，but there is trouble，strong unpredictability and potential danger in the construction process and the buildings may not meet the requirements due to improper construction.This paper argues that simulation analyzing before construction can help predict the possible problems，improve the construction conditions，optimize the construction scheme，and eventually ensure the safe，economic and stable construction.

Key words：prestress；simulation analysis；steel structure；computer

收稿日期：2015-11-13

作者簡介：苗杰(1987-)，女，陜西華陰人，助教，碩士，從事教學工作。

中圖分類號：TU 758.11

文獻標識碼：A

文章編號：1009-9441(2015)06-0009-03