陳小才，秦 文

（太原理工大學，山西 太原 030024）

1 施工力學問題的重要性及研究意義

在人類的發(fā)展史上從來沒有什么階段像過去的半個多世紀那樣，通過科學技術給人類社會帶來巨大變化，極大地促進了人類文明的發(fā)展。建筑行業(yè)也順應了歷史發(fā)展的潮流飛速發(fā)展，其中大跨空間結構體系作為近幾十年來出現(xiàn)的新型結構體系成為建筑結構方面最活躍的研究領域，同時大跨空間結構的技術水平體現(xiàn)了一個國家土木建筑行業(yè)的水平和世界各國高度重視大跨空間結構技術的發(fā)展，大量大型公共建筑如體育館、游泳館、展覽館、會堂、劇院、車站候車樓、飛機庫和超大空間建筑物都采用這種結構形式，極大地促進了空間結構的快速發(fā)展。

建筑效果上追求新、奇、特，造型上突破傳統(tǒng)、千變萬化、千姿百態(tài)，結構形式的不斷創(chuàng)新，空間跨度的無限追求，結構體系日益復雜。建筑造型上的新奇，導致結構體系及節(jié)點構造復雜化，有時不合理的結構受力體系和構造方式也時有出現(xiàn)，這樣傳統(tǒng)的結構設計法、構造做法和施工技術就不再適應，要求設計師們進行新的設計方法和新的施工技術嘗試和改進，最終實現(xiàn)結構適用、堅固、美觀。

傳統(tǒng)上人們將結構設計和施工作為兩個相互獨立的過程完成，設計人員通常不參與結構的施工計算，在設計過程中也較少考慮施工因素。隨著現(xiàn)代工程建設規(guī)模日益大型化、形態(tài)新異化、體系復雜化，結構設計和施工已經(jīng)緊密相關，相互影響。施工方法的不同將對結構的內力和變形將產生完全不同的影響，有時甚至是結構設計的關鍵因素。因此，設計必須同時考慮施工過程中結構的力學形態(tài)。目前，對于大型復雜結構施工過程力學原理的分析和施工技術的研究成為國內外研究的熱點課題之一。

2 施工力學問題的研究動態(tài)

施工力學屬于應用型學科，是解決工程中的實際問題而提出的，也是實際工程中力學問題的體現(xiàn)，是所有施工問題的統(tǒng)一體。結構體系在動態(tài)的施工過程中內力變化和變形變化與傳統(tǒng)的計算分析結果并不相符。對于許多大型復雜工程，施工過程“路徑”和“時間”效應對設計狀態(tài)下成型結構的受力狀態(tài)和幾何形態(tài)的影響較大，因此，結構施工過程力學問題的研究凸顯重要，正確認識和解決施工過程中力學問題事關工程建設的成敗。結構使用階段與施工階段兩者間受力狀態(tài)的差異如果不能正確認識和對待，施工階段和使用階段中質量與安全事故的風險將會增加，對于大型復雜結構體系尤其應引起重視。目前，結構在施工過程中的力學問題及其分析方法引起國內外眾多學者的重視，并對其進行了大量研究。現(xiàn)就學界的研究歸為3類：第一類是解決施工力學理論問題，用什么理論去指導施工力學問題的解決；第二類是尋找施工力學分析的具體方法，如有限元生死單元法、疊加法、幾何控制法等；第三類是介紹具體工程中如何實現(xiàn)復雜施工項目，介紹自己成功的經(jīng)驗。施工過程就是一個將想象圖紙轉變?yōu)閷嵨锏膶嵺`過程，隨著建筑師們對建筑不斷追求“新、奇、特”及建設工程的大型化，施工技術的發(fā)展越來越受到工程技術界的關注。實踐需要以理論為指導，當前大跨空間結構施工力學理論并沒有統(tǒng)一的標準，基本上是學者們在解決具體工程中提煉出來的，為統(tǒng)一共識還有很多工作要做，對問題要進一步深入研究。

3 大型復雜鋼結構施工中存在的力學問題

一個復雜結構的施工過程，從結構體系無到有、小到大、簡單到復雜，經(jīng)歷了巨大的變化，盡管相對結構的生命周期來說，結構施工過程是短暫的，但這一變化過程，對結構的受力形態(tài)產生影響巨大，不可忽視。設計人員不僅要對結構的設計狀態(tài)進行計算，而且對結構的成型過程也要進行計算以確保成型后的結構滿足設計要求，施工技術人員也要了解結構的設計狀態(tài)及結構受力性能，以便正確選擇經(jīng)濟、安全、可行的施工方法。對于大型復雜鋼結構，其施工過程一般體現(xiàn)的主要力學和技術問題有以下幾類：

（1）結構施工單元的劃分及其力學形態(tài)。在鋼結構施工方法中分條分塊安裝法、高空滑移法、提升法和頂升法都可能牽涉到對結構進行單元劃分，合理的劃分單元對施工過程控制至關重要。

（2）主體結構在施工中臨時支撐的布置和分析及其對結構受力的影響。對設置支撐的施工方案，主體結構中與支撐相近的部分構件其內力分布與設計狀態(tài)完全不同，因為其與設計考慮的荷載不同，這樣可能造成臨時支撐點處及附近區(qū)域的桿件內力加大，結構構件在安裝過程中破壞，所以必須進行結構驗算以確保結構在增加臨時支撐后的安全。

（3）對結構在吊裝過程中的安全性進行計算。吊裝過程結構可能使準結構局部桿件強度破壞或變形過大失穩(wěn)，所以必須通過合理的計算和分析來確定吊裝順序及考慮結構在吊裝過程中可能受到作用給結構帶來的影響。

（4）對結構在落架過程中的安全性進行計算。拆除臨時支撐的過程也即落架過程，是結構受力逐漸轉移及內力重分布的過程，保證結構逐漸趨近設計狀態(tài)，不允許結構構件出現(xiàn)永久變形。

（5）結構實際內力與變形及理論設計狀態(tài)的差異。施工過程是一個結構或構件內力和位移都在不斷地發(fā)生變化的過程，在此過程中，所有變化都是隨機的、動態(tài)的，及時了解結構或構件在此過程中的受力狀態(tài)，以確保結構施工的安全。

大跨空間結構的快速發(fā)展給技術和科研人員帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，如何有效地建立大型空間結構施工全過程計算理論與方法及在該理論中指導制定簡單、經(jīng)濟、可行的施工方案成為當前研究的熱點問題。

4 施工過程力學模擬的具體方法

大跨結構的施工過程是一個結構自身不斷變化的過程，其受力形態(tài)也在不斷改變，在結構成型過程中結構一直處于動態(tài)變化過程，伴隨著構件的增刪、材料本構關系的改變、邊界條件的變化、或是偶然荷載的施加、溫度的變化，對于預應力結構的預應力動態(tài)施加等變化，為了得到結構真實、正確的結果，這些在跟蹤計算中都應準確反映。目前，時變單元法、拓撲變化法及有限單元法包括了施工力學問題分析的主要方法。其中有限單元法理論推導嚴密，易于程序化，在現(xiàn)階段施工力學模擬分析大多以此為理論進行，但是傳統(tǒng)的有限元法并沒有提供解決施工力學問題的相應公式，而兩種方法研究應用較少且存在一些問題。所以，在求解大型結構施工力學方面的運用方法上在工程界意見不統(tǒng)一，需要對其進行一定的改進。求力學問題數(shù)解的非線性有限單元法理論已成熟，并在部分有限元商業(yè)軟件上得以應用，但其理論、方法、結論還有許多問題有待進一步考究。施工過程力學模擬的具體方法主要有：生死單元法、施工階段內力與變位疊加法、幾何控制法。生死單元法是在有限元軟件平臺上進行改進，可用來解決實際施工力學問題施工模擬方法；施工階段內力與變位疊加法是在理論方面對傳統(tǒng)有限元法作改進，能有效地進行全過程跟蹤分析的施工力學分析方法；幾何控制法是全過程幾何控制，將整個施工過程都納入了控制系統(tǒng)，實現(xiàn)更為精確的施工控制。而傳統(tǒng)的施工分析一般專注于施工安裝階段，幾何控制法貫穿于結構整個過程，實現(xiàn)安全、經(jīng)濟、可行的施工。

5 結束語

文章對施工過程中力學問題的重要性進行了闡述，對施工過程中體現(xiàn)的力學問題，工程技術人員應高度重視，應結合具體工程實例，在實踐中提升理論及豐富對施工力學問題的研究，并對施工過程力學分析方法進行驗證，同時也為類似工程施工力學分析積累經(jīng)驗，為問題的解決提供有益的嘗試。