大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)問題及分析方法

王麗麗

（甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)問題及分析方法

王麗麗

（甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

本文以工程結(jié)構(gòu)施工力學(xué)分析方法為切入點(diǎn)，就其在大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)問題中的求解思路與研究手段，做細(xì)致的探究思考，期望為大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)問題的有效分析應(yīng)對，以及預(yù)防施工中安全事故的發(fā)生，提供有益的參考。

大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)；施工；力學(xué)問題；分析方法

建筑工程結(jié)構(gòu)在施工進(jìn)程中的幾何形態(tài)、剛度與負(fù)載等特征都是依照特定條件逐漸形成的，其結(jié)構(gòu)的力學(xué)物理量也處于不斷變化的過程中，對結(jié)構(gòu)施工力學(xué)的分析包含在施工力學(xué)的研究范圍內(nèi)。其是力學(xué)理論與建筑工程施工實(shí)踐相結(jié)合，而交叉發(fā)展出的新型學(xué)科領(lǐng)域，主要探究工程結(jié)構(gòu)的幾何、物理與邊界等參數(shù)的問題。由于傳統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，只注重對結(jié)構(gòu)在使用環(huán)節(jié)下的受力情況做分析研究，雖然能在一定程度上確保工程結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定，但是缺乏對結(jié)構(gòu)在施工進(jìn)程中其力學(xué)特性的變動情況的分析，忽視施工操作給工程結(jié)構(gòu)帶來的影響，使得相當(dāng)多的施工安全事故，均是因缺乏相應(yīng)施工力學(xué)問題的分析準(zhǔn)備而導(dǎo)致的。因此筆者以結(jié)構(gòu)施工力學(xué)分析方法作為研究出發(fā)點(diǎn)，對其在大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)問題中的研究與應(yīng)用，做詳細(xì)的探討分析。

1　施工力學(xué)問題分析方法探究

工程結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)、剛度與負(fù)載等特性，是在施工進(jìn)程中的逐一、有先后次序形成的，即施工作業(yè)中已裝結(jié)構(gòu)所承受的負(fù)載，是不會對未裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用與影響的。相反后裝結(jié)構(gòu)的受力將會改變已裝結(jié)構(gòu)的承力狀態(tài)，新的已裝結(jié)構(gòu)與新負(fù)載的形成，整個(gè)工程結(jié)構(gòu)的受力情況也會隨之發(fā)生變動。工程結(jié)構(gòu)將會在施工進(jìn)程中經(jīng)受不斷的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)改變，在最終完成其結(jié)構(gòu)施工作業(yè)，其受力情況與施工環(huán)節(jié)、作業(yè)進(jìn)度之間具有一定的非線性關(guān)系，其稱為狀態(tài)非線性。

由此將施工過程跟蹤模擬分析法，應(yīng)用在大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)問題上，就存在著模擬上的難點(diǎn)。比如對工程結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的模擬，由于結(jié)構(gòu)在建筑流程中是處于不斷變動的狀態(tài)，各類構(gòu)建的安裝拆卸，都會給整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)帶來較大影響，其非線性的聯(lián)系讓跟蹤分析法難以做到準(zhǔn)確模擬。此外，伴隨有限單元法在各力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，當(dāng)前許多工程結(jié)構(gòu)分析人員也使用單元“生死”法，對其結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的情形進(jìn)行研究求解。即通過建立整個(gè)工程結(jié)構(gòu)的模型，在依照原本設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)施工流程，做逐步的模擬施工，以此分析在加入新裝構(gòu)件與新負(fù)荷后，工程結(jié)構(gòu)的受力性能變化。但對于復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)來說，使用單元“生死”法并不能有效控制模擬作業(yè)進(jìn)程中各構(gòu)件的安裝位形，模擬中必須新加約束條件，才能確保新裝構(gòu)件處于設(shè)定位形上。一旦位形控制不當(dāng)，將會使所模擬的結(jié)構(gòu)狀態(tài)結(jié)果與實(shí)際施工發(fā)生偏差，造成分析求解錯(cuò)誤，甚至失敗。因此，對大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)問題的分析不能僅使用某一類分析方法，而應(yīng)依照具體的結(jié)構(gòu)受力問題，選取適宜、有效的分析手段做求解應(yīng)對。

2　大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)問題及分析方法研究

（1）柔性結(jié)構(gòu)成型進(jìn)程中的力學(xué)問題與分析方法。柔性結(jié)構(gòu)是指以拉索和撐桿為主要構(gòu)成部分的工程承壓結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特性在于只有在拉索張拉預(yù)應(yīng)力之后，才能開始形成結(jié)構(gòu)剛度。柔性結(jié)構(gòu)最具代表性的形式即是索穹頂結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)張拉成型后需要符合工程所涉及到的位形標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還需要其拉索張拉預(yù)應(yīng)力也達(dá)到所規(guī)劃的數(shù)值范圍。由于其預(yù)應(yīng)力的張拉進(jìn)程與結(jié)構(gòu)形狀、預(yù)應(yīng)力發(fā)生形式與順序、以及預(yù)應(yīng)力發(fā)生期間結(jié)構(gòu)的自我平衡調(diào)整，都存在著關(guān)聯(lián)影響。因此不同的拉索張拉方式與次序，將會影響柔性結(jié)構(gòu)在成型時(shí)的預(yù)應(yīng)力、幾何形狀以及剛度等力學(xué)特性。所以在設(shè)計(jì)位形條件下就預(yù)應(yīng)力的分布與張拉次序的合理規(guī)劃，就成為進(jìn)行柔性結(jié)構(gòu)施工、實(shí)現(xiàn)其有效成型的關(guān)鍵力學(xué)問題。

該問題需要施工分析人員探索、實(shí)驗(yàn)各類可行的預(yù)應(yīng)力張拉與結(jié)構(gòu)成型計(jì)劃，并在確保成型施工效果的前提下進(jìn)一步降低施工成本，否則不合理的施工方案，將影響柔性結(jié)構(gòu)在張拉作用下達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)的形狀，或是導(dǎo)致其剛度、承載性能達(dá)不到工程設(shè)計(jì)需求。對柔性結(jié)構(gòu)張拉形態(tài)的分析主要有兩類思路策略，一是先行給定柔性結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)應(yīng)力的分布情況，之后進(jìn)行求解，找出能達(dá)到該預(yù)應(yīng)力條件的張拉結(jié)構(gòu)形態(tài)，其分析方法也可稱為找形分析。二是先行給定柔性結(jié)構(gòu)張拉后的形狀，以此進(jìn)行分析求解，得出適合該造型需求的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，其分析方法也可稱為找態(tài)分析。因找態(tài)分析是由結(jié)構(gòu)幾何狀態(tài)進(jìn)行反推，得出預(yù)應(yīng)力的情況與施工張拉次序，其具體數(shù)值狀態(tài)的分析較難以開展。而找形分析以柔性結(jié)構(gòu)為出發(fā)點(diǎn)，經(jīng)由設(shè)定施加的預(yù)應(yīng)力求解出符合需求的結(jié)構(gòu)幾何形狀，其數(shù)值上的分析運(yùn)算相對簡便，因此當(dāng)前對柔性結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題分析，通常都是采用找形分析的方法進(jìn)行求解。其具體有支座位移、力密度與動力松弛法等。

支座位移法是指在給定出柔性結(jié)構(gòu)的原始幾何狀態(tài)后，經(jīng)由對其支座的位移情況的分析計(jì)算，求解出相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力分布結(jié)果。力密度法則是指以所選取的設(shè)計(jì)桿內(nèi)力與桿長之比，作為任一柔性結(jié)構(gòu)力平衡方程的已知數(shù)值，求解出在節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)下的線性方程組，進(jìn)而算出各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)得出結(jié)構(gòu)幾何形狀，并且也能求出相應(yīng)的形狀變化與內(nèi)力。基于拉索張拉結(jié)構(gòu)本身的幾何非線性特點(diǎn)，可使用非線性有限單元法來處理，分析張拉結(jié)構(gòu)的形態(tài)。

（2）溫度變化在施工進(jìn)程中的力學(xué)影響問題與分析方法。溫度的變動與影響是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工中，必須要考慮到的重要因素之一，尤其是對大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)來說，溫度變化對其結(jié)構(gòu)的影響更為巨大?；阡摻Y(jié)構(gòu)施工流程較長，作業(yè)周期漫長的特點(diǎn)，該期間內(nèi)溫度的變化也就會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的變形偏差影響，需要施工分析人員對其因素與問題做深入分析、管控，否則溫差帶來的偏差問題會導(dǎo)致工程構(gòu)件安裝困難，或是在強(qiáng)制安裝下引發(fā)較大的裝配應(yīng)力。溫度變動主要來自于日照溫差與季節(jié)氣候溫差作用，為有效降低、預(yù)防溫度變化給構(gòu)建安裝與應(yīng)力帶來的影響，就需要依據(jù)各類鋼結(jié)構(gòu)工程施工溫度環(huán)境條件，做具體問題的分析研究。例如，國家體育場（鳥巢）的屋蓋結(jié)構(gòu)，其整個(gè)施工建設(shè)規(guī)模大，并且結(jié)構(gòu)還需按區(qū)作業(yè)，施工工期較長，同時(shí)各個(gè)分區(qū)的原始安裝溫度與最終主結(jié)構(gòu)合攏時(shí)的溫度也存在著較大的差別。整個(gè)工程結(jié)構(gòu)的溫差作用顯著，其溫差作用不但會改變工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)位形，還會在其結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生出相應(yīng)的溫度應(yīng)力，進(jìn)而危害到工程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全。需要對其做溫度影響的分析求解。對此需要依照最終主結(jié)構(gòu)合攏斷面的具體位置，以及溫度負(fù)載的邊界條件，研究求解出主結(jié)構(gòu)合攏時(shí)斷面的桿件，在溫差影響下的變形值，并得出在合攏斷面中應(yīng)留出的間隙空間具體數(shù)值等信息。

3　結(jié)語

在大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工中，對現(xiàn)有常見力學(xué)問題分析方法做探究思考，并對各具體結(jié)構(gòu)力學(xué)問題及求解思路做詳細(xì)的闡述研究，希望為力學(xué)分析方法的進(jìn)步革新，以及鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)與設(shè)計(jì)的優(yōu)化，帶來一定的建議與參考。

[1] 王士朝.大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)問題及分析方法[J].工程技術(shù)：引文版，2016(49).

[2] 陳偉.大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)問題與分析方法研究[J].智能城市，2016(3).

[3] 馮曉勇.淺談大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)問題及分析方法[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2015(18).

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1671-0711（2016）09（上）-0134-02