大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑施工力學(xué)問題及分析方法

張立柱

摘 要：由鋼制材料組成的建筑結(jié)構(gòu)，因其獨(dú)特的材料特點(diǎn)與恒荷載作用，易產(chǎn)生建筑內(nèi)力及形變。在自重和承重方面來看，鋼結(jié)構(gòu)在與其它荷載效應(yīng)組合的過程中，這種內(nèi)力及形變會導(dǎo)致建筑承載著較高的安全風(fēng)險。幾何時變、材料時變和邊界時變是鋼結(jié)構(gòu)在施工力學(xué)中存在的主要問題。本文通過對以上問題的研究與分析提出了解決方法，減少時變，降低安全風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；建筑施工；力學(xué)；結(jié)構(gòu)問題；結(jié)構(gòu)分析

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)在實(shí)際建筑建設(shè)使用中，設(shè)計(jì)、施工及經(jīng)濟(jì)方面都比其它建設(shè)具有顯著的優(yōu)勢。因此，越來越多的大型建筑都開始運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建。大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)在施工時的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化不是一個簡單的過程，施工時采取的路徑以及各項(xiàng)目施工的時間，對建筑完成后的影響十分明顯。這種影響體現(xiàn)在建筑外部的幾何形態(tài)和內(nèi)部受力狀態(tài)上，因此，施工力學(xué)問題是大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑施工中重要的一項(xiàng)。

2 鋼結(jié)構(gòu)建筑施工力學(xué)問題簡述

我國現(xiàn)代建筑多以混凝土結(jié)構(gòu)為主，因此從事施工的施工人員對大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的建筑施工比較生疏，很少有施工人員會在施工過程中對結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行分析。而在施工過程中，鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的自身重量、作為裝飾的承載以及作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)等的恒荷載，都會逐步隨著這個過程施加至建筑。建筑施工完成后，在這些恒荷載的作用下，鋼結(jié)構(gòu)容易因施工時累加而形成的內(nèi)力變形。

施工時采取的路徑與各項(xiàng)目施工時間，密切影響著恒荷載的大小與分布規(guī)律。在這樣的施工效應(yīng)下，若是過程中引起的內(nèi)力或是形變對鋼結(jié)構(gòu)的影響較大，極易引發(fā)大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全問題。這些影響可能會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的特性、邊界、材料隨著時間的推移而發(fā)生性質(zhì)上的變化，當(dāng)時變的變動達(dá)到一定程度，鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會發(fā)生變化。一旦鋼結(jié)構(gòu)喪失了其穩(wěn)定性，建筑的原有結(jié)構(gòu)就會被破壞，甚至?xí)斐山ㄖ?/p>

鋼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)與施工“路徑”密切關(guān)聯(lián)的特性，即在建筑的施工過程中，會依據(jù)先后的順序產(chǎn)生剛度、幾何形態(tài)、邊界、荷載等條件。荷載又是隨著建筑的搭建而逐步形成的，在形成過程中，施工的路徑和各部分施工的時間都在每一步的工作中影響著階段受力性能的使用。由于鋼結(jié)構(gòu)具有其它建設(shè)無法超越的優(yōu)勢，我國大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的使用越來越廣泛，此類施工也在逐步增多，在施工過程中出現(xiàn)的力學(xué)問題，成為了急需解決的重要問題。然而現(xiàn)階段，大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑施工力學(xué)問題暫時屬于建筑學(xué)科的前沿發(fā)展問題，以目前研究來說無法得到徹底有效的解決。在大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑逐步落實(shí)應(yīng)用的過程中，力學(xué)問題的解決成為了工程施工發(fā)展的一個重要方向。

3 鋼結(jié)構(gòu)建筑施工力學(xué)問題分析

3.1 結(jié)構(gòu)施工跟蹤分析

所有大型建筑物的建筑過程都是一個動態(tài)過程，大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑也不例外。在這個動態(tài)過程中，材料依照設(shè)計(jì)堆砌，荷載隨之加強(qiáng)，建筑逐漸落成，邊界也逐漸成型。在建筑完成后，鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部的力量與變形，都是在施工過程中一步步累加形成的，建筑過程中每一部分的完工時間、每一個步驟的先后順序，都對結(jié)果產(chǎn)生著不可逆的影響。

3.2 施工變形預(yù)調(diào)值分析

在大型建筑物的建筑中，如大跨度的鋼結(jié)構(gòu)建筑，常常需要將搭建的每一部分組合為最終建筑物，或是在建筑時大跨度進(jìn)行施工，這種施工過程需采用臨時支撐的方式進(jìn)行搭建。在鋼結(jié)構(gòu)的安裝過程中，臨時支撐能夠承載鋼結(jié)構(gòu)在施工過程中產(chǎn)生的荷載和鋼結(jié)構(gòu)的自重，但是最大的難題也因此出現(xiàn)：在逐步施工過程中，已經(jīng)搭建的結(jié)構(gòu)可能會由于各種原因產(chǎn)生不可預(yù)料的變形，對下一步需要搭建構(gòu)件的安裝位置產(chǎn)生或大或小的影響。

3.3 大跨度鋼結(jié)構(gòu)拆撐分析

大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑的搭建需由局部到整體，在整個結(jié)構(gòu)尚未成型之前，搭建的局部無法靠自身已搭建的部分維持穩(wěn)定。因此在大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑中，臨時支撐成為了施工過程中重要的一部分。臨時支撐的搭架需要通過高空組裝或是直接高空散裝的施工方式來完成，它可以使搭建的大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑局部維持穩(wěn)定，減少其內(nèi)力和變形。但是臨時支撐也存在著弊端，即在施工過程中，施工人員需規(guī)劃考慮臨時支撐的搭建方案、拆撐方案、拆撐過程；同時還需預(yù)測、計(jì)算好臨時支撐的搭建和拆除給建筑主體的內(nèi)力、形變帶來的重大影響。

3.4 鋼結(jié)構(gòu)吊裝平衡分析

除了臨時支撐，吊裝施工也是大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工中常用的施工方式。吊裝施工用起重設(shè)備將施工時所需的結(jié)構(gòu)構(gòu)件吊起并安裝固定至設(shè)計(jì)位置，在這個過程中，構(gòu)件的受力狀態(tài)在可預(yù)測范圍內(nèi)，但無法與設(shè)計(jì)分析中的數(shù)值完全相同。在吊裝施工過程中，構(gòu)件的空間姿態(tài)無法準(zhǔn)確控制。

4 鋼結(jié)構(gòu)建筑施工力學(xué)問題分析解決

4.1 結(jié)構(gòu)施工跟蹤問題

經(jīng)分析，在大型復(fù)雜放結(jié)構(gòu)建筑施工過程中，鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)是不斷變化的，因此除了構(gòu)件安裝設(shè)計(jì)需精確之外，還需要安裝一些用過后可被拆除的臨時支撐。隨著施工方向的不斷拓展，鋼結(jié)構(gòu)的受力也不斷的增加或是縮減，因此力學(xué)分析也需要跟隨這個變化進(jìn)行深層次設(shè)計(jì)，計(jì)算出能夠區(qū)域性修改剛結(jié)構(gòu)的剛度矩陣。及時對施工進(jìn)度及鋼結(jié)構(gòu)建筑狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，使用合適的方式解決每一步搭建的力學(xué)問題。

4.2 施工變形預(yù)調(diào)值問題

使用臨時支撐進(jìn)行施工時，不能影響建筑搭建結(jié)束時的預(yù)期目標(biāo)位形。為了達(dá)到這樣的目標(biāo)，施工時各個構(gòu)件必須要在設(shè)計(jì)好的特定位置和形態(tài)上完成安裝。大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑施工中，已搭建的建筑因內(nèi)力等原因會與原設(shè)計(jì)產(chǎn)生不同，這些特定位形也應(yīng)隨著施工進(jìn)度而調(diào)整，或許與最初的設(shè)計(jì)位形有所差異。每一個結(jié)構(gòu)構(gòu)架安裝前，都應(yīng)有施工人員對其位形進(jìn)行預(yù)測和預(yù)調(diào)，確保構(gòu)件安裝位置的準(zhǔn)確度，保證構(gòu)件安裝后鋼結(jié)構(gòu)能夠完成目標(biāo)位形。

4.3 大跨度鋼結(jié)構(gòu)拆撐問題

在大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑施工中，考慮到臨時支撐給主體鋼結(jié)構(gòu)帶來的內(nèi)力和形變的變化，應(yīng)將變化因素進(jìn)行合理修改設(shè)計(jì)，預(yù)想所有內(nèi)力與變形的發(fā)展變化并進(jìn)行全程模擬，從而確定最合適的臨時支撐使用方案。臨時支撐的使用是涉及到施工多方面的復(fù)雜力學(xué)狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程，在使用過程中，需要保證臨時支撐的架構(gòu)拆除的合理性及主體結(jié)構(gòu)的安全性。因此，合理拆撐方案的設(shè)計(jì)是達(dá)成施工目標(biāo)的保障。

拆撐過程不可追求施工速度，應(yīng)緩慢進(jìn)行從而平穩(wěn)的完成主體鋼結(jié)構(gòu)與臨時支撐內(nèi)力和位移的過度，這就要求施工前需制定合理的拆撐點(diǎn)、順序和方式。要保證拆撐的穩(wěn)定性，不對主體鋼結(jié)構(gòu)造成破壞或使其失衡；在拆撐步驟上，要采取分段進(jìn)行的方式，每一步都保證主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移的緩慢轉(zhuǎn)換，使其均勻受力，從而將變形控制在預(yù)定范圍之內(nèi)。

4.4 鋼結(jié)構(gòu)吊裝平衡問題

構(gòu)件在吊裝過程中姿態(tài)較為難控，這就要求構(gòu)件的安全性和精確性。吊裝前，施工人員需對吊裝過程做出預(yù)測，對所有預(yù)測結(jié)果進(jìn)行分析，由此選擇最優(yōu)的吊裝方案。一般大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工中，吊裝方式常常采用一套吊裝體系來進(jìn)行，包括吊索和滑輪結(jié)構(gòu)。在這樣的吊裝體系中，吊體的空間姿態(tài)、吊機(jī)構(gòu)剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算都是容易出現(xiàn)問題的地方。在吊裝過程中，還存在著一些暫時沒有簡便計(jì)算方式或是計(jì)算模型的問題，如高空拼裝的穩(wěn)定性試算，但是隨著工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些問題會逐步擁有最優(yōu)解。

5 結(jié)束語

大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑施工過程中，力學(xué)的變化非常復(fù)雜。通過對施工過程的分析，本文總結(jié)出施工過程中常見的力學(xué)問題有結(jié)構(gòu)施工跟蹤、施工變形預(yù)調(diào)、大跨度鋼結(jié)構(gòu)拆撐和鋼結(jié)構(gòu)吊裝平衡等問題，并提出了相應(yīng)的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔡婷.大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑工程新技術(shù)的應(yīng)用分析[J].建材與裝飾，2016（21）：30～31.

[2] 王華民，楊濤.大型鋼結(jié)構(gòu)建筑安裝技術(shù)研究[J].天津建設(shè)科技，2011（3）：16～17.