大型復雜鋼結構建筑施工力學問題及分析方法

　　[摘要]鋼結構在自重以及承重的結構上，由于恒荷載作用從而產(chǎn)生內力和形變，在與其他荷載效應組合的過程中，會導致較高的安全風險。施工力學主要為幾何時變、材料時變和邊界時變。本文進行分析與研究，以減少幾何、材料和邊界時變。

　　[關鍵詞]鋼結構;分析;力學

　　近年來，許多的大型復雜鋼結構建筑應運而生，如國家體育場“鳥巢”、國家大劇院、CCTV新臺址主樓等建筑，均屬于大型復雜鋼結構建筑。這些大型鋼結構建筑，在施工過程中，其結構內力變化的過程，十分復雜，施工的“路徑”以及“時間”效應，在建筑完成時的受力狀態(tài)，以及幾何形態(tài)的影響是十分明顯。

　　一、施工力學問題簡述

　　大型復雜鋼結構建筑在施工過程中，施工人員很少對結構的受力性能進行分析。實際上鋼結構在建筑中的自重、裝飾承載以及圍護結構等恒荷載，在施工過程中逐漸施加在建筑的結構上，在施工結束時的恒荷載作用下，容易產(chǎn)生內力變形，是由于施工過程依次累加形成的，這種恒荷載的大小與分布的規(guī)律，與施工“路徑”與“時間”有密切的聯(lián)系。所以在施工“路徑”與“時間”效應下，其引起的內力以及變形對結構的影響較大時，尤其是那些大型的復雜的鋼結構建筑，容易引起十分嚴重的安全問題，會導致結構的時變、邊界的時變以及材料的時變，當這些時變劇烈時，會引起結構穩(wěn)定性的喪失，破壞建筑的結構，甚至造成建筑坍塌事件。鋼結構建筑施工過程中，整個結構的鋼度、幾何形態(tài)、邊界、荷載等條件的形成，是依據(jù)先后的順序產(chǎn)生的，恒荷載隨著建筑成長形成的，在這個過程中，“路徑”和“時間”效應是影響施工與使用階段受力性能的重要因素。隨著我國許多的大型復雜鋼結構建筑的出現(xiàn)，這些建筑在施工過程中出現(xiàn)了許多新的亟待解決的力學問題，這些問題通過目前現(xiàn)有的方法無法得到有效解決，在理論上屬于學科前沿的問題，在應用的過程中，隨著工程技術的發(fā)展，是我國科技發(fā)展的一個重要研究方向。

　　二、施工力學分析及解決策略

　　2.1結構施工跟蹤分析

　　大型建筑物的建筑過程，是動態(tài)的，在這個過程中，建筑依次生成，材料依序成型，荷載也逐漸增強，邊界漸漸形成�？⒐ず�，結構的內力與變形，是建筑物在施工過程中依次累加的結果，通過“路徑”與“時間”的效應，相互之間產(chǎn)生密切關聯(lián)。在這個過程中，結構不斷變化，除了構件以外，還需要安裝一些需要被拆除的臨時撐，隨著時間的推移，受力不斷增加或縮減，力學需要不斷的拓展，求解區(qū)域修改結構的剛度矩陣。

　　2.2施工變形預調值

　　一些大型的傾斜高層鋼結構建筑，或者是大跨度鋼結構建筑，在施工過程中采用臨時支撐的方法，最大難題是在施工推進過程中，已裝的結構產(chǎn)生變形，這對于新裝構件的安裝位置產(chǎn)生一定影響。為了在工程結束時結構達到預期目標位形，在施工中各個構件要在特定的位形上完成安裝，這些特定位置在施工之前是未知的，與設計位形有所不同。在對結構構件進行安裝與施工前要對位形進行預測與預調，確定各個構件的安裝位置，使鋼結構構件安裝完成后能滿足目標位形。

　　2.3大跨度鋼結構拆撐

　　大跨度鋼結構建筑，在施工中需要搭架臨時支撐，通過高空組裝或直接高空散裝的施工方式來完成，這些安裝技術的應用，能減少安裝主體結構的內力和變形，增強安全性能。但是這種施工技術給施工與設計帶來了新的難題，設計中需要考慮到臨時支撐、拆撐方案以及拆撐過程的設計，還要考慮到這些支撐帶來的主體結構內力和變形的變化。通過對這些因素的合理設計，進行全程模擬來確定內力與變形的發(fā)展變化，確定最優(yōu)的臨時支撐設計方案與拆除方案，這是一個復雜的力學狀態(tài)轉變過程。在這個過程中，為了保障拆撐的合理與主體結構的安全性能，其中設計合理的拆撐方案十分重要。制定合理的拆撐方式、拆撐點以及拆撐順序，在拆撐施工中要保證主體結構與臨時支撐內力和位移的變化在緩慢的過程中進行，完成平穩(wěn)過渡，拆撐主體與臨時支撐內力與位移變化，要掌握在一定的幅度內，使主體結構不致于遭到破壞或失衡，在拆撐施工上，要分段進行施工，分步拆撐，以保證主體結構受力均勻，受力轉變緩慢，從而達到預定變形值。對大跨度結構拆撐與鋼結構吊裝可動體系的施工力學，通過拆撐過程數(shù)值模擬方法千斤頂單元法，即將一個桿單元與一個梁單并聯(lián)起來，對拆撐過程進行模擬，在千斤頂?shù)亩它c與主體結構相連的節(jié)點間，設置一個兩節(jié)點間隙單元，將千斤頂單元與間隙單元串連起來，進行拆撐過程的模擬。

　　2.4鋼結構吊裝平衡

　　近年來，一些大型復雜鋼結構施工項目，在施工過程中出現(xiàn)了許多結構構件的吊裝施工，構件在吊裝過程中，其受力狀態(tài)與設計分析中的數(shù)值不完全相同，構件在施工過程中，吊裝中空間姿態(tài)的可調整性較差，所以構件的精確性與安全性能十分重要，對吊裝過程進行分析與預測，確定合理的吊裝方案，對施工具有重要意義。結構的吊裝方式大多采用索一滑輪裝置進行，在吊裝過程中形成一整套的吊裝體系，吊裝體系由吊索、滑輪結構組成，其力學特征包括剛體運動、索非線性、彈性變形與滑輪間的可滑移等。容易出現(xiàn)的問題是吊點位置的確定與吊體的空間姿態(tài)，吊索的長度索力，吊索的長度確定與空間姿態(tài)的要求，吊結構剛度、強度以及穩(wěn)定性驗算等。其中被吊結構的力學狀態(tài)是最不穩(wěn)定的，吊裝分析的關鍵點是吊裝平衡狀態(tài)的確定，而鋼結構吊裝還存在高空拼裝和穩(wěn)定性試算等問題。這些問題，目前還沒有形成有效的簡便的計算方式，也沒有形成精確且合理的計算模型，隨著科技的不斷進步，人類施工技術的不斷發(fā)展，這些問題都會逐漸得到解決。

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