王麗麗

（甘肅鋼鐵職業(yè)技術學院，甘肅 嘉峪關 735100）

大型復雜鋼結構施工力學問題及分析方法

王麗麗

（甘肅鋼鐵職業(yè)技術學院，甘肅 嘉峪關 735100）

本文以工程結構施工力學分析方法為切入點，就其在大型復雜鋼結構施工力學問題中的求解思路與研究手段，做細致的探究思考，期望為大型復雜鋼結構施工力學問題的有效分析應對，以及預防施工中安全事故的發(fā)生，提供有益的參考。

大型復雜鋼結構；施工；力學問題；分析方法

建筑工程結構在施工進程中的幾何形態(tài)、剛度與負載等特征都是依照特定條件逐漸形成的，其結構的力學物理量也處于不斷變化的過程中，對結構施工力學的分析包含在施工力學的研究范圍內(nèi)。其是力學理論與建筑工程施工實踐相結合，而交叉發(fā)展出的新型學科領域，主要探究工程結構的幾何、物理與邊界等參數(shù)的問題。由于傳統(tǒng)的工程結構設計思想，只注重對結構在使用環(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構的安全與穩(wěn)定，但是缺乏對結構在施工進程中其力學特性的變動情況的分析，忽視施工操作給工程結構帶來的影響，使得相當多的施工安全事故，均是因缺乏相應施工力學問題的分析準備而導致的。因此筆者以結構施工力學分析方法作為研究出發(fā)點，對其在大型復雜鋼結構施工力學問題中的研究與應用，做詳細的探討分析。

1　施工力學問題分析方法探究

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

由此將施工過程跟蹤模擬分析法，應用在大型復雜鋼結構施工力學問題上，就存在著模擬上的難點。比如對工程結構隨時間變化的模擬，由于結構在建筑流程中是處于不斷變動的狀態(tài)，各類構建的安裝拆卸，都會給整個結構的受力狀態(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確模擬。此外，伴隨有限單元法在各力學領域的應用推廣，當前許多工程結構分析人員也使用單元“生死”法，對其結構隨時間變化的情形進行研究求解。即通過建立整個工程結構的模型，在依照原本設計好的結構施工流程，做逐步的模擬施工，以此分析在加入新裝構件與新負荷后，工程結構的受力性能變化。但對于復雜鋼結構來說，使用單元“生死”法并不能有效控制模擬作業(yè)進程中各構件的安裝位形，模擬中必須新加約束條件，才能確保新裝構件處于設定位形上。一旦位形控制不當，將會使所模擬的結構狀態(tài)結果與實際施工發(fā)生偏差，造成分析求解錯誤，甚至失敗。因此，對大型復雜鋼結構力學問題的分析不能僅使用某一類分析方法，而應依照具體的結構受力問題，選取適宜、有效的分析手段做求解應對。

2　大型復雜鋼結構力學問題及分析方法研究

（1）柔性結構成型進程中的力學問題與分析方法。柔性結構是指以拉索和撐桿為主要構成部分的工程承壓結構，其結構特性在于只有在拉索張拉預應力之后，才能開始形成結構剛度。柔性結構最具代表性的形式即是索穹頂結構，其結構張拉成型后需要符合工程所涉及到的位形標準，同時還需要其拉索張拉預應力也達到所規(guī)劃的數(shù)值范圍。由于其預應力的張拉進程與結構形狀、預應力發(fā)生形式與順序、以及預應力發(fā)生期間結構的自我平衡調(diào)整，都存在著關聯(lián)影響。因此不同的拉索張拉方式與次序，將會影響柔性結構在成型時的預應力、幾何形狀以及剛度等力學特性。所以在設計位形條件下就預應力的分布與張拉次序的合理規(guī)劃，就成為進行柔性結構施工、實現(xiàn)其有效成型的關鍵力學問題。

該問題需要施工分析人員探索、實驗各類可行的預應力張拉與結構成型計劃，并在確保成型施工效果的前提下進一步降低施工成本，否則不合理的施工方案，將影響柔性結構在張拉作用下達到預先設計的形狀，或是導致其剛度、承載性能達不到工程設計需求。對柔性結構張拉形態(tài)的分析主要有兩類思路策略，一是先行給定柔性結構內(nèi)預應力的分布情況，之后進行求解，找出能達到該預應力條件的張拉結構形態(tài)，其分析方法也可稱為找形分析。二是先行給定柔性結構張拉后的形狀，以此進行分析求解，得出適合該造型需求的預應力狀態(tài)，其分析方法也可稱為找態(tài)分析。因找態(tài)分析是由結構幾何狀態(tài)進行反推，得出預應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構為出發(fā)點，經(jīng)由設定施加的預應力求解出符合需求的結構幾何形狀，其數(shù)值上的分析運算相對簡便，因此當前對柔性結構的力學問題分析，通常都是采用找形分析的方法進行求解。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構的原始幾何狀態(tài)后，經(jīng)由對其支座的位移情況的分析計算，求解出相應的預應力分布結果。力密度法則是指以所選取的設計桿內(nèi)力與桿長之比，作為任一柔性結構力平衡方程的已知數(shù)值，求解出在節(jié)點坐標下的線性方程組，進而算出各節(jié)點坐標得出結構幾何形狀，并且也能求出相應的形狀變化與內(nèi)力。基于拉索張拉結構本身的幾何非線性特點，可使用非線性有限單元法來處理，分析張拉結構的形態(tài)。

（2）溫度變化在施工進程中的力學影響問題與分析方法。溫度的變動與影響是工程結構設計與施工中，必須要考慮到的重要因素之一，尤其是對大型復雜鋼結構來說，溫度變化對其結構的影響更為巨大。基于鋼結構施工流程較長，作業(yè)周期漫長的特點，該期間內(nèi)溫度的變化也就會對結構產(chǎn)生更為嚴重的變形偏差影響，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致工程構件安裝困難，或是在強制安裝下引發(fā)較大的裝配應力。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、預防溫度變化給構建安裝與應力帶來的影響，就需要依據(jù)各類鋼結構工程施工溫度環(huán)境條件，做具體問題的分析研究。例如，國家體育場（鳥巢）的屋蓋結構，其整個施工建設規(guī)模大，并且結構還需按區(qū)作業(yè)，施工工期較長，同時各個分區(qū)的原始安裝溫度與最終主結構合攏時的溫度也存在著較大的差別。整個工程結構的溫差作用顯著，其溫差作用不但會改變工程結構的設計位形，還會在其結構內(nèi)部產(chǎn)生出相應的溫度應力，進而危害到工程結構的質(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構合攏斷面的具體位置，以及溫度負載的邊界條件，研究求解出主結構合攏時斷面的桿件，在溫差影響下的變形值，并得出在合攏斷面中應留出的間隙空間具體數(shù)值等信息。

3　結語

在大型復雜鋼結構施工中，對現(xiàn)有常見力學問題分析方法做探究思考，并對各具體結構力學問題及求解思路做詳細的闡述研究，希望為力學分析方法的進步革新，以及鋼結構施工技術與設計的優(yōu)化，帶來一定的建議與參考。

[1] 王士朝.大型復雜鋼結構施工力學問題及分析方法[J].工程技術：引文版，2016(49).

[2] 陳偉.大型復雜鋼結構施工力學問題與分析方法研究[J].智能城市，2016(3).

[3] 馮曉勇.淺談大型復雜鋼結構施工力學問題及分析方法[J].建筑工程技術與設計，2015(18).

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1671-0711（2016）09（上）-0134-02