大跨空間結(jié)構(gòu)卸載施工力學(xué)的研究現(xiàn)狀與展望

饒曉文

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007）

大跨空間結(jié)構(gòu)卸載施工力學(xué)的研究現(xiàn)狀與展望

饒曉文

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007）

文章明確大跨空間結(jié)構(gòu)卸載過程施工力學(xué)研究的意義，對(duì)其力學(xué)基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和數(shù)值方法等做了較為詳細(xì)的闡述，探討大跨空間結(jié)構(gòu)卸載施工力學(xué)分析的研究現(xiàn)狀，為其研究方向和發(fā)展趨勢提供參考。

鋼結(jié)構(gòu)；大跨空間結(jié)構(gòu)；卸載；臨時(shí)支撐；施工力學(xué)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人類從事生產(chǎn)和社會(huì)活動(dòng)對(duì)更大跨度的空間提出了需要，如大型的飛機(jī)庫、體育館以及表演、集會(huì)、展覽的多功能大廳，跨度需要做到100～200米，甚至更大。 大跨空間結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)類型，正因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)類型的不斷創(chuàng)新、發(fā)展并采用大量新材料、新工藝、新技術(shù)，已經(jīng)對(duì)現(xiàn)代建筑產(chǎn)生了重大影響，成為反映一個(gè)國家建筑科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志，大跨空間結(jié)構(gòu)也成為一個(gè)朝氣蓬勃的研究領(lǐng)域。大跨空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展，促使相關(guān)分析、理論研究日益深入，軟件設(shè)計(jì)、施工建造技術(shù)迅速發(fā)展，但是人們也逐漸意識(shí)到，由于設(shè)計(jì)中未考慮施工過程或者對(duì)施工中的復(fù)雜情況沒有進(jìn)行應(yīng)有的受力分析而發(fā)生事故的不在少數(shù)，因此大跨空間結(jié)構(gòu)施工力學(xué)分析是工程技術(shù)發(fā)展亟待解決且體現(xiàn)科技與經(jīng)濟(jì)相結(jié)合的一個(gè)重要研究方向。

大跨空間結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)施工技術(shù)要求，有時(shí)不得不在施工過程中增加一些臨時(shí)措施，如對(duì)未成型的結(jié)構(gòu)體系施加臨時(shí)支撐、臨時(shí)約束等，待某些階段的施工完成后再予以解除。當(dāng)主體結(jié)構(gòu)安裝完成后拆除臨時(shí)支撐、臨時(shí)約束等，即卸載。卸載過程中結(jié)構(gòu)體系、內(nèi)力、邊界等都處于一個(gè)不斷的變化過程，與成型結(jié)構(gòu)有很大不同，如果對(duì)其受力性能認(rèn)識(shí)不充分，設(shè)計(jì)分析欠缺理論指導(dǎo)，偏差較大，就會(huì)導(dǎo)致施工中事故的發(fā)生而造成嚴(yán)重后果。大跨空間結(jié)構(gòu)卸載過程施工力學(xué)的研究，對(duì)結(jié)構(gòu)的施工安全性、施工方案優(yōu)化，成型結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制等都具有重要意義。

1 大跨空間結(jié)構(gòu)卸載過程施工力學(xué)分析的基礎(chǔ)

1.1 施工力學(xué)的提出與基本研究課題

工程與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在20世紀(jì)己基本解決了工程結(jié)構(gòu)物本身分析的有關(guān)方法與技術(shù)，并相對(duì)成熟。眾所周知，這種分析均以設(shè)計(jì)圖紙上完整(竣工后)結(jié)構(gòu)物承受所設(shè)計(jì)(使用)載荷為依據(jù)，而由于工程規(guī)模日益擴(kuò)大，建設(shè)有一個(gè)漫長的施工過程，且日趨復(fù)雜、情況多變，這期間有一個(gè)逐步變化(包括幾何形狀與物理特性)的不完整結(jié)構(gòu)(工程)承受不斷變化的施工荷載的受力過程。這種隨時(shí)間變異的結(jié)構(gòu)與工程分析，無論在理論還是應(yīng)用上目前仍十分薄弱，而隨工程規(guī)模擴(kuò)大，將日顯重要。因此施工過程中，結(jié)構(gòu)物及工程介質(zhì)的分析，形成了與工程建設(shè)密切相關(guān)的新的工程力學(xué)學(xué)科分支——施工力學(xué)[1]。

土木工程施工中有一系列科學(xué)與技術(shù)問題，曹志遠(yuǎn)將其與力學(xué)分析相關(guān)的基本課題歸納為十類。在大跨空間結(jié)構(gòu)卸載過程中，內(nèi)力分析主要涉及到其中的三類課題：（1）在施工荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布與時(shí)空最大值的確定。大跨空間結(jié)構(gòu)卸載過程中，首先作用的不是使用荷載，臨時(shí)支撐逐漸拆除的過程中，施工載荷的數(shù)值與位置隨時(shí)間發(fā)生變化；其次，隨著臨時(shí)支撐的卸載和拆除，結(jié)構(gòu)的形狀也會(huì)發(fā)生變化。這兩種因素使得整個(gè)結(jié)構(gòu)在卸載過程中，每個(gè)構(gòu)件的施工內(nèi)力一直在發(fā)生變化，而其最大值發(fā)生時(shí)刻，對(duì)系統(tǒng)中每個(gè)構(gòu)件來說又是不一樣的。因此在設(shè)計(jì)計(jì)算中，應(yīng)同時(shí)考慮常規(guī)竣工結(jié)構(gòu)在使用荷載下分析，以及結(jié)構(gòu)施工過程中內(nèi)力時(shí)空變化影響。（2）結(jié)構(gòu)與工程介質(zhì)非線性特性引起施工路徑效應(yīng)。大跨空間結(jié)構(gòu)卸載過程中，由于結(jié)構(gòu)跨度大，會(huì)涉及到幾何非線性問題，同時(shí)由于臨時(shí)支撐卸載完成時(shí)，會(huì)與上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脫離，所以又存在邊界非線性問題。不同的拆撐路徑，就會(huì)造成某點(diǎn)應(yīng)力路徑不同，其最終應(yīng)力狀態(tài)是不一樣的。因此不同拆撐路線，即使是同一最后狀態(tài)，但其形成的最終應(yīng)力場是不一樣的。（3）施工流程與方式的優(yōu)化。卸載過程的力學(xué)分析結(jié)果，不但和最后竣工對(duì)象本身有關(guān)還和拆撐路線有密切關(guān)系。選擇適當(dāng)?shù)穆肪€，會(huì)減少結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐的內(nèi)力和變形，提高安全性能和經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 卸載過程施工力學(xué)分析的力學(xué)基礎(chǔ)——時(shí)變力學(xué)

傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)分析對(duì)象為恒定結(jié)構(gòu)物，與經(jīng)典力學(xué)（材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈塑性力學(xué)、巖土力學(xué)等）相對(duì)應(yīng)。王光遠(yuǎn)在其文中提出，施工力學(xué)分析在于研究對(duì)象隨時(shí)間發(fā)生變化，其基礎(chǔ)為時(shí)變力學(xué)[2]。

近幾十年的研究成果顯示，雖然時(shí)變力學(xué)研究在各方面仍處于起步階段，與經(jīng)典力學(xué)的研究水平相比還落后很多，但我們已經(jīng)慢慢看到了該學(xué)科分支的若干一般性規(guī)律和成果。在大跨空間結(jié)構(gòu)卸載施工力學(xué)分析中，邊界(及其耦合)時(shí)變力學(xué)問題解可應(yīng)用原經(jīng)典力學(xué)方法對(duì)時(shí)變每個(gè)時(shí)刻進(jìn)行常規(guī)分析再簡單集合即為時(shí)變力學(xué)時(shí)空解，針對(duì)每個(gè)時(shí)刻，因?yàn)橐话闶┕ば遁d周期大大超過系統(tǒng)自振周期，可不計(jì)慣性力效應(yīng)，仍按靜力進(jìn)行計(jì)算。但是對(duì)于卸載過程中存在的幾何非線性問題，由于結(jié)構(gòu)的剛度與應(yīng)力---應(yīng)變變化路徑有關(guān)，造成不同的力學(xué)狀態(tài)結(jié)果，這即為時(shí)變力學(xué)的“路效”。路徑問題也表現(xiàn)出過程相關(guān)性，需要研究相應(yīng)的求解方法。

1.3 卸載過程施工力學(xué)分析的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)——時(shí)變數(shù)學(xué)

大跨空間結(jié)構(gòu)在卸載過程中的幾何參數(shù)（形狀）、邊界參數(shù)（邊界坐標(biāo)）是時(shí)間的函數(shù)，控制方程為變系數(shù)（常、偏）微分方程（組）或時(shí)變邊值條件屬時(shí)變數(shù)學(xué)范疇，主要還是通過數(shù)值化的方法進(jìn)行求解。離散方程中的剛度矩陣、質(zhì)量矩陣等，系數(shù)不再為常系數(shù)而是時(shí)間變量函數(shù)。

1.4 卸載過程施工力學(xué)分析的數(shù)值方法

施工力學(xué)分析的數(shù)值方法主要包括有限元法、時(shí)變單元法、拓?fù)渥兓?、一般單元法及神?jīng)算法等。最常采用的數(shù)值方法分析主要是有限元法，這基于有限元法具有域內(nèi)全離散特點(diǎn)，便于單元集合時(shí)采取增減單元辦法來實(shí)現(xiàn)解域的時(shí)變，但這類方法可能存在運(yùn)算矩陣奇異問題，而且由于結(jié)構(gòu)形狀、邊界條件不斷變化，因而分析時(shí)網(wǎng)格剖分與數(shù)據(jù)輸入是要不斷重新進(jìn)行的，給工程人員增加了很大的工作量。時(shí)變單元法特點(diǎn)在于解域時(shí)變時(shí)，其離散網(wǎng)格不變，而是通過單元大小隨時(shí)間變異來實(shí)現(xiàn)解域時(shí)變，因此可克服方程奇異問題，但也存在數(shù)值積分的穩(wěn)定性問題，這可通過采用辛算法等加以解決。拓?fù)渥兓▌t應(yīng)用拓?fù)鋵W(xué)原理，用數(shù)值手段實(shí)現(xiàn)解域隨時(shí)間變化，可以不重復(fù)求解數(shù)值方程得到解域變化的結(jié)果，但是要求時(shí)變次數(shù)不能太多，否則計(jì)算效率不高。一般單元法是利用單元增減來實(shí)現(xiàn)求解區(qū)域的變化，也是存在運(yùn)算矩陣奇異和網(wǎng)格不斷重新劃分的問題。神經(jīng)計(jì)算法是在施工內(nèi)力分析中用一套網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算分析，求解區(qū)域的變化通過單元物理參數(shù)的變化來實(shí)現(xiàn)。實(shí)際工程數(shù)值分析大都采用計(jì)算機(jī)通用有限元軟件，但目前幾乎所有大型工程計(jì)算軟件，都是建立在經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)上，即未考慮研究對(duì)象時(shí)變因素，故不能直接應(yīng)用于施工內(nèi)力分析。因此通過施工力學(xué)、時(shí)變力學(xué)數(shù)值方法研究及建立相應(yīng)施工力學(xué)分析工程軟件，是一個(gè)重要與迫切的任務(wù)，也是從根本上解決上木工程施工力學(xué)實(shí)際應(yīng)用的主要手段。

2 大跨空間結(jié)構(gòu)卸載過程施工力學(xué)的研究現(xiàn)狀

曹志遠(yuǎn)提出土木工程施工力學(xué)分析的研究方向，施工力學(xué)分析的基礎(chǔ)為時(shí)變力學(xué)，對(duì)施工力學(xué)的基本課題、特征及力學(xué)、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與方法做了較為詳細(xì)的論述，最后結(jié)合工程實(shí)踐說明研究的重要性與發(fā)展前景。其研究成果為大跨空間結(jié)構(gòu)卸載過程施工力學(xué)分析奠定了一定的基礎(chǔ)。曹志遠(yuǎn)等還提出采用超級(jí)有限元——有限元耦合法來模擬不同的施工過程；郭彥林、劉學(xué)武對(duì)大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過程中表現(xiàn)出的諸多關(guān)鍵施工力學(xué)問題及其求解思路進(jìn)行研究，其中包括大跨度鋼結(jié)構(gòu)拆撐過程中的相關(guān)問題，作者對(duì)千斤頂?shù)哪M，臨時(shí)支撐與主體結(jié)構(gòu)脫離、接觸的模擬，以及臨時(shí)支撐回彈等問題進(jìn)行了探討，可以說對(duì)大跨空間鋼結(jié)構(gòu)施工卸載過程進(jìn)行了較為深入的剖析。郭彥林、劉學(xué)武在考慮結(jié)構(gòu)時(shí)變以及耦合幾何非線性因素后，剖析了單元生死技術(shù)模擬施工過程的基本原理，從數(shù)學(xué)和物理上揭示了單元“殺死”、“漂移”和“激活”的機(jī)理。探討了施工過程模擬的分步建模技術(shù)。對(duì)單元生死技術(shù)和分步建模技術(shù)的計(jì)算模型和精度進(jìn)行了對(duì)比研究，分析研究表明，該方法用于施工過程分析是可行的；崔曉強(qiáng)、郭彥林對(duì)大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中需要解決的力學(xué)及技術(shù)問題進(jìn)行分類并論述其重要性及解決方法，開發(fā)了適用于大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過程分析的有限元方法和程序，可以建立在一些大型通用的有限元平臺(tái)上，分析中考慮了結(jié)構(gòu)施工步驟、施工荷載、支撐條件變化，拆撐過程等的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)施工進(jìn)行全過程的跟蹤模擬分析；崔曉強(qiáng)、高振峰、李子旭等對(duì)大型復(fù)雜臨時(shí)支撐簡化進(jìn)行了研究，使得大規(guī)模永久結(jié)構(gòu)和臨時(shí)結(jié)構(gòu)的計(jì)算能夠得到簡化；趙啟林、卓家壽研究了利用神經(jīng)算法進(jìn)行矩陣運(yùn)算的基本原理，探討了在施工力學(xué)中應(yīng)用神經(jīng)算法的可行性。引入虛、實(shí)單元的概念，在整個(gè)施工力學(xué)分析過程中保持有限元網(wǎng)格不變，通過物理參數(shù)的變化反映求解區(qū)域的變化，可以提高施工力學(xué)中多重分析的計(jì)算效率。饒曉文、李鴻晶、伍小平分析卸載過程施工內(nèi)力計(jì)算所面臨的困難和相關(guān)研究現(xiàn)狀，探討臨時(shí)支撐卸載的非線性時(shí)變力學(xué)過程和目前常用的兩種有限元分析模型，并在此基礎(chǔ)上提出了適用于卸載過程分析的位移荷載時(shí)變模型。以多跨連續(xù)梁為研究對(duì)象，對(duì)多個(gè)臨時(shí)支撐的卸載過程進(jìn)行研究，考慮卸載的非線性和時(shí)變性，假定各種不同的卸載次序，分析和比較不同的卸載次序?qū)Y(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐施工內(nèi)力的影響，探討其中的規(guī)律并提出了一些相對(duì)合理、可供參考的卸載次序和原則；伍小平、高振峰、李子旭等通過多次計(jì)算分析，最終確立了國家大劇院的卸載技術(shù)路線，并對(duì)該卸載路線進(jìn)行了分析研究，實(shí)踐證明該方案是可行的；騰念管對(duì)上海新國際博覽中心空間鋼桁架施工方案進(jìn)行研究，介紹了該工程施工中采用的拼裝單元?jiǎng)澐?、支撐點(diǎn)設(shè)置和支架卸落等方面的施工方法，給出了選用這些方法的理論依據(jù)；陳國棟應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)廣州市新體育館主場館鋼屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了安裝過程的動(dòng)態(tài)跟蹤分析，優(yōu)化吊裝和拆撐方案，為安裝提供理論依據(jù)；承宇針對(duì)南京奧體中心體育場鋼屋蓋安裝的特點(diǎn)，結(jié)合施工現(xiàn)場情況，選擇合理、可靠的支撐胎架體系，并分析、優(yōu)化胎架形式，布置方案及卸載方案等；王伯成利用ANSYS程序，詳細(xì)分析了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分段施工的安全性，并確定網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在臨時(shí)支架拆除時(shí)的安全狀況；田黎敏、郝際平等采用施工力學(xué)方法對(duì)三個(gè)大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行施工過程跟蹤模擬分析，并在此基礎(chǔ)上給出一些關(guān)于大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工的建議和意見[1,3-16]。

從以上文獻(xiàn)可以看出，對(duì)大跨空間結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐卸載的研究主要還是集中在施工方法、技術(shù)的探討上，對(duì)卸載階段的力學(xué)過程研究還不夠深入，用于模擬分析的模型還較為粗糙，相應(yīng)的軟件在這一塊的分析能力還有待完善。工程技術(shù)人員雖然也能將實(shí)際工程利用有限元軟件建模，計(jì)算臨時(shí)支撐和永久結(jié)構(gòu)的內(nèi)力反應(yīng)并跟蹤、監(jiān)控整個(gè)施工過程，但是應(yīng)該說整個(gè)模擬分析過程還缺乏理論體系的指導(dǎo)，分析結(jié)果還存在一定的誤差。

3 大跨空間結(jié)構(gòu)卸載過程施工力學(xué)研究展望

相關(guān)工程技術(shù)研究人員對(duì)大跨空間結(jié)構(gòu)卸載過程施工力學(xué)分析已進(jìn)行了初步研究，但在很多方面還需要進(jìn)一步開展工作。

（1）臨時(shí)支撐是柔性的，對(duì)于永久結(jié)構(gòu)來說卸載過程中支撐點(diǎn)位置下降，支撐反力減小，但是對(duì)于支撐體系來說，由于永久結(jié)構(gòu)對(duì)支撐點(diǎn)的反力減小，該支撐點(diǎn)的位置又會(huì)有所回彈，這一過程中涉及到永久結(jié)構(gòu)、支撐體系及二者的聯(lián)系橋梁—千斤頂?shù)鸟詈戏治?，受力比較復(fù)雜，還有待深入研究和探討。

（2）針對(duì)大跨空間卸載過程施工力學(xué)分析，目前的研究和有限元模擬，有時(shí)會(huì)將空間結(jié)構(gòu)簡化為平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，平面結(jié)構(gòu)的卸載問題相對(duì)簡單一些，它與空間結(jié)構(gòu)的卸載過程有何不同？這樣的簡化對(duì)計(jì)算的精度有多大影響？因此對(duì)于空間結(jié)構(gòu)的卸載問題還需要進(jìn)一步研究。

（3）一般來說，實(shí)際的大跨空間結(jié)構(gòu)各臨時(shí)支撐桿件間是存在側(cè)向連接的，在卸載過程中如何考慮這一因素對(duì)上部永久結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐施工內(nèi)力的影響，需要進(jìn)一步探討。

（4）研究當(dāng)前支撐點(diǎn)位置如何變化，將使得永久結(jié)構(gòu)(如大跨度空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu))與臨時(shí)結(jié)構(gòu)(支撐體系)的受力狀態(tài)始終最優(yōu)，這里涉及到一個(gè)最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)問題，這個(gè)問題比較復(fù)雜。一般而言，在卸載過程中，必須始終保證永久結(jié)構(gòu)與臨時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的轉(zhuǎn)換要相對(duì)平順，位移協(xié)調(diào)等等，這些都是定性的，如何能提出一個(gè)比較定量的指標(biāo)，需要進(jìn)一步探討和研究。

（5）一些商業(yè)有限元軟件中已經(jīng)涵蓋了施工力學(xué)問題分析的模塊，但是這些軟件未對(duì)該部分的理論基礎(chǔ)，算法原理和流程做明確說明，其分析結(jié)果的可靠性、計(jì)算精度以及適用范圍也有待考究，且在實(shí)際施工力學(xué)問題的解決中通常需要在其平臺(tái)上進(jìn)行改進(jìn)，這對(duì)工程技術(shù)人員來說也是一項(xiàng)復(fù)雜且耗費(fèi)很多精力和時(shí)間的任務(wù)。如何能使得通用軟件中有更多便于操作的模塊，可以專門應(yīng)用于大跨空間卸載過程施工力學(xué)分析，需要進(jìn)一步研究和開發(fā)。

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Research on status and prospect of unloading construction mechanics of long-span spatial structures

Clear of research significance of unloading process in construction of long-span spatial structures, the mechanical basis, mathematical basis and numerical methods are discussed in detail. Study on the current situation of unloading construction mechanics of long-span spatial structures, provide a reference for the further research direction and development trend.

steel structures; long-span spatial structures; unloading; temporary supports; construction mechanics

TU393.3;TU745.2

A

1008-1151(2015)03-0056-03

2015-02-10

廣西高校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（2013LX188）。

饒曉文（1982－），女，廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，從事空間結(jié)構(gòu)研究。