王 盈

（哈爾濱空調(diào)股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

一、大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)原理

大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工屬于連續(xù)化過程，其結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)存在著變化過程。在鋼結(jié)構(gòu)上階段施工后，其結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移則會對下一階段剛階段內(nèi)力與位移產(chǎn)生一定影響，為此，在大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工中應(yīng)對每一個階段的內(nèi)力與位移狀況進(jìn)行跟蹤與計(jì)算，從而獲得準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)內(nèi)力與結(jié)構(gòu)位移累計(jì)效應(yīng)。在大跨度鋼結(jié)構(gòu)每一階段施工過程，均會產(chǎn)生一定的邊界約束條件變化、構(gòu)件增刪、溫度變化與預(yù)應(yīng)力變化等，在計(jì)算過程中充分考慮這些因素可以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在力學(xué)研究與分析中，拉格朗日列式是描述物體運(yùn)動的常用公式。按照拉格朗日列式描述，對位移度量屬于固定在變形之前與變形之后的兩個點(diǎn)上的相對運(yùn)動。其描述方法在描述增量非線性分析時較為適用，在物體變形問題可以有效跟蹤。在虛功原理的基礎(chǔ)上應(yīng)用拉格朗日列式獲得幾何非線性結(jié)構(gòu)單元切線剛度矩陣：

其中{U}代表的是結(jié)構(gòu)位移列向量，{F}代表的是結(jié)構(gòu)荷載列向量，[K（U）]代表的是整體剛度矩陣，屬于位移向量函數(shù)。由此可以看出上公式為非線性公式，應(yīng)用增量迭代法進(jìn)行非線性有限元分析，可以獲得結(jié)構(gòu)變形的整個過程。其方法主要包括虛加彈簧法、位移控制法及牛頓拉斐爾方法等。

在施工過程中，如結(jié)構(gòu)構(gòu)件增加，則結(jié)構(gòu)剛度矩陣會發(fā)生相應(yīng)變化，設(shè)N為當(dāng)前結(jié)構(gòu)剛度，N-1為前一狀態(tài)下結(jié)構(gòu)剛度，則有：

其中[K]N，代表構(gòu)件增加后剛度矩陣對總剛度貢獻(xiàn)，[K]A代表新增單元的剛度矩陣對總剛度貢獻(xiàn)。{U}N代表構(gòu)件增加引起的節(jié)點(diǎn)位移列陣，{U}A代表的是構(gòu)件增加后新增節(jié)點(diǎn)位移列陣。通過增量迭代方法可以將方程進(jìn)行求解，可以獲得全過程中構(gòu)件增加對結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形影響。同理，可以獲得構(gòu)件撤除、荷載變化、外界條件變化下相應(yīng)公式。

應(yīng)用有限元軟件對大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，其處理邊界條件相對較為容易，處理構(gòu)件增刪與預(yù)應(yīng)力動態(tài)變化相對較難。通過應(yīng)用ANSYS軟件中所具備的死活單元功能，借助計(jì)算機(jī)計(jì)算功能，開發(fā)出實(shí)現(xiàn)大跨度鋼結(jié)構(gòu)全過程跟蹤分析的力學(xué)分析方法。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)施工過程中新增單元與節(jié)點(diǎn)示意圖

二、大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)分析方法

如圖1，為鋼結(jié)構(gòu)施工過程中新增單元與節(jié)點(diǎn)示意圖。

在上圖中，水平直線代表的是設(shè)計(jì)位置，虛線則代表的是鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中變形后位置，點(diǎn)劃線代表新增構(gòu)件。針對圖1中所標(biāo)示的三種情況，確定以下原則：第一，如新增構(gòu)件與已有構(gòu)件沒有連接，則采取節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)為新的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。如圖a，新節(jié)點(diǎn)o坐標(biāo)則可以在已有構(gòu)件JK延長線方向與設(shè)計(jì)長度|KL|進(jìn)行計(jì)算，圖b，JK屬于結(jié)構(gòu)中新增構(gòu)件，不存在新增節(jié)點(diǎn)，其構(gòu)件長度則可以通過變形后J與K節(jié)點(diǎn)長度進(jìn)行確定。應(yīng)用有限元軟件，進(jìn)行大跨度鋼結(jié)構(gòu)分析，其計(jì)算方法主要為：如新增構(gòu)件與已有構(gòu)件不存在連接，則可以應(yīng)用設(shè)計(jì)坐標(biāo)單元激活方式直接進(jìn)行計(jì)算；如采取兩節(jié)或三節(jié)為修正單位時，新增節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)則是應(yīng)與設(shè)計(jì)位置重合；如新增單元向內(nèi)合攏時，則新增節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為設(shè)計(jì)位置沒采取單元激活方法進(jìn)行計(jì)算。以上是針對新增構(gòu)件情況的研究，如進(jìn)行邊界變化情況、構(gòu)件撤除等情況研究，則根據(jù)以上方法，應(yīng)用有限元軟件，可以獲得其計(jì)算方法。通過這種方式，可以有效降低大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)研究與分析的復(fù)雜性及難度，提高計(jì)算效率。

三、大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過程結(jié)構(gòu)分析方法的實(shí)際應(yīng)用

屋架鋼梁采取的是H150×8-254×4規(guī)格焊接工字鋼，應(yīng)用Φ30圓鋼為下弦拉桿，對施工過程中內(nèi)力與變形情況是進(jìn)行跟蹤研究與分析。其研究過程主要分為兩部分，第一部分：對結(jié)構(gòu)施加q=4kN/m均布荷載；結(jié)構(gòu)出現(xiàn)內(nèi)力與變形后增加圓鋼拉桿；設(shè)置集中向下F=20kN荷載于鋼架跨中；第二部分為：在不施工荷載情況下，組裝鋼架與圓鋼拉桿；對結(jié)構(gòu)施加q=4kN/m均布荷載，并設(shè)置集中向下F=20kN荷載于鋼架跨中，去除F=20kN荷載，在均布荷載基礎(chǔ)上拆除圓鋼拉桿。

通過對不同狀態(tài)下鋼結(jié)構(gòu)位移與內(nèi)力數(shù)據(jù)變化的分析，可以發(fā)現(xiàn)第一部分所采取的方法其外荷載小于第二部分，但其變形與內(nèi)力變形卻大于第二部分，說明圓鋼拉桿可以有效控制結(jié)構(gòu)在外荷載作用下產(chǎn)生大的變形。

結(jié)語

在大型鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，對鋼結(jié)構(gòu)施工的過程中其強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性存在著明確要求，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)全過程分析是實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)施工安全可控的重要措施。本文在分析鋼結(jié)構(gòu)施工結(jié)構(gòu)力學(xué)分析原理的基礎(chǔ)上，對大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)分析方法與大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過程結(jié)構(gòu)分析方法的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了分析。實(shí)踐證明，應(yīng)用有限元對結(jié)構(gòu)施工進(jìn)行力學(xué)分析是可行且有效的。

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