大跨結(jié)構(gòu)施工力學(xué)問(wèn)題的淺析

陳小才，秦 文

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

1 施工力學(xué)問(wèn)題的重要性及研究意義

在人類的發(fā)展史上從來(lái)沒(méi)有什么階段像過(guò)去的半個(gè)多世紀(jì)那樣，通過(guò)科學(xué)技術(shù)給人類社會(huì)帶來(lái)巨大變化，極大地促進(jìn)了人類文明的發(fā)展。建筑行業(yè)也順應(yīng)了歷史發(fā)展的潮流飛速發(fā)展，其中大跨空間結(jié)構(gòu)體系作為近幾十年來(lái)出現(xiàn)的新型結(jié)構(gòu)體系成為建筑結(jié)構(gòu)方面最活躍的研究領(lǐng)域，同時(shí)大跨空間結(jié)構(gòu)的技術(shù)水平體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家土木建筑行業(yè)的水平和世界各國(guó)高度重視大跨空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，大量大型公共建筑如體育館、游泳館、展覽館、會(huì)堂、劇院、車站候車樓、飛機(jī)庫(kù)和超大空間建筑物都采用這種結(jié)構(gòu)形式，極大地促進(jìn)了空間結(jié)構(gòu)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?nèi)f化、千姿百態(tài)，結(jié)構(gòu)形式的不斷創(chuàng)新，空間跨度的無(wú)限追求，結(jié)構(gòu)體系日益復(fù)雜。建筑造型上的新奇，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜化，有時(shí)不合理的結(jié)構(gòu)受力體系和構(gòu)造方式也時(shí)有出現(xiàn)，這樣傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法、構(gòu)造做法和施工技術(shù)就不再適應(yīng)，要求設(shè)計(jì)師們進(jìn)行新的設(shè)計(jì)方法和新的施工技術(shù)嘗試和改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)適用、堅(jiān)固、美觀。

傳統(tǒng)上人們將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工作為兩個(gè)相互獨(dú)立的過(guò)程完成，設(shè)計(jì)人員通常不參與結(jié)構(gòu)的施工計(jì)算，在設(shè)計(jì)過(guò)程中也較少考慮施工因素。隨著現(xiàn)代工程建設(shè)規(guī)模日益大型化、形態(tài)新異化、體系復(fù)雜化，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工已經(jīng)緊密相關(guān)，相互影響。施工方法的不同將對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形將產(chǎn)生完全不同的影響，有時(shí)甚至是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。因此，設(shè)計(jì)必須同時(shí)考慮施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的力學(xué)形態(tài)。目前，對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工過(guò)程力學(xué)原理的分析和施工技術(shù)的研究成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)課題之一。

2 施工力學(xué)問(wèn)題的研究動(dòng)態(tài)

施工力學(xué)屬于應(yīng)用型學(xué)科，是解決工程中的實(shí)際問(wèn)題而提出的，也是實(shí)際工程中力學(xué)問(wèn)題的體現(xiàn)，是所有施工問(wèn)題的統(tǒng)一體。結(jié)構(gòu)體系在動(dòng)態(tài)的施工過(guò)程中內(nèi)力變化和變形變化與傳統(tǒng)的計(jì)算分析結(jié)果并不相符。對(duì)于許多大型復(fù)雜工程，施工過(guò)程“路徑”和“時(shí)間”效應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)狀態(tài)下成型結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和幾何形態(tài)的影響較大，因此，結(jié)構(gòu)施工過(guò)程力學(xué)問(wèn)題的研究凸顯重要，正確認(rèn)識(shí)和解決施工過(guò)程中力學(xué)問(wèn)題事關(guān)工程建設(shè)的成敗。結(jié)構(gòu)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(rèn)識(shí)和對(duì)待，施工階段和使用階段中質(zhì)量與安全事故的風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)增加，對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系尤其應(yīng)引起重視。目前，結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的力學(xué)問(wèn)題及其分析方法引起國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的重視，并對(duì)其進(jìn)行了大量研究。現(xiàn)就學(xué)界的研究歸為3類：第一類是解決施工力學(xué)理論問(wèn)題，用什么理論去指導(dǎo)施工力學(xué)問(wèn)題的解決；第二類是尋找施工力學(xué)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜施工項(xiàng)目，介紹自己成功的經(jīng)驗(yàn)。施工過(guò)程就是一個(gè)將想象圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)物的實(shí)踐過(guò)程，隨著建筑師們對(duì)建筑不斷追求“新、奇、特”及建設(shè)工程的大型化，施工技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越受到工程技術(shù)界的關(guān)注。實(shí)踐需要以理論為指導(dǎo)，當(dāng)前大跨空間結(jié)構(gòu)施工力學(xué)理論并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，基本上是學(xué)者們?cè)诮鉀Q具體工程中提煉出來(lái)的，為統(tǒng)一共識(shí)還有很多工作要做，對(duì)問(wèn)題要進(jìn)一步深入研究。

3 大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工中存在的力學(xué)問(wèn)題

一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程，從結(jié)構(gòu)體系無(wú)到有、小到大、簡(jiǎn)單到復(fù)雜，經(jīng)歷了巨大的變化，盡管相對(duì)結(jié)構(gòu)的生命周期來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)施工過(guò)程是短暫的，但這一變化過(guò)程，對(duì)結(jié)構(gòu)的受力形態(tài)產(chǎn)生影響巨大，不可忽視。設(shè)計(jì)人員不僅要對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，而且對(duì)結(jié)構(gòu)的成型過(guò)程也要進(jìn)行計(jì)算以確保成型后的結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，施工技術(shù)人員也要了解結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)狀態(tài)及結(jié)構(gòu)受力性能，以便正確選擇經(jīng)濟(jì)、安全、可行的施工方法。對(duì)于大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)，其施工過(guò)程一般體現(xiàn)的主要力學(xué)和技術(shù)問(wèn)題有以下幾類：

（1）結(jié)構(gòu)施工單元的劃分及其力學(xué)形態(tài)。在鋼結(jié)構(gòu)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑侠淼膭澐謫卧獙?duì)施工過(guò)程控制至關(guān)重要。

（2）主體結(jié)構(gòu)在施工中臨時(shí)支撐的布置和分析及其對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。對(duì)設(shè)置支撐的施工方案，主體結(jié)構(gòu)中與支撐相近的部分構(gòu)件其內(nèi)力分布與設(shè)計(jì)狀態(tài)完全不同，因?yàn)槠渑c設(shè)計(jì)考慮的荷載不同，這樣可能造成臨時(shí)支撐點(diǎn)處及附近區(qū)域的桿件內(nèi)力加大，結(jié)構(gòu)構(gòu)件在安裝過(guò)程中破壞，所以必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算以確保結(jié)構(gòu)在增加臨時(shí)支撐后的安全。

（3）對(duì)結(jié)構(gòu)在吊裝過(guò)程中的安全性進(jìn)行計(jì)算。吊裝過(guò)程結(jié)構(gòu)可能使準(zhǔn)結(jié)構(gòu)局部桿件強(qiáng)度破壞或變形過(guò)大失穩(wěn)，所以必須通過(guò)合理的計(jì)算和分析來(lái)確定吊裝順序及考慮結(jié)構(gòu)在吊裝過(guò)程中可能受到作用給結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響。

（4）對(duì)結(jié)構(gòu)在落架過(guò)程中的安全性進(jìn)行計(jì)算。拆除臨時(shí)支撐的過(guò)程也即落架過(guò)程，是結(jié)構(gòu)受力逐漸轉(zhuǎn)移及內(nèi)力重分布的過(guò)程，保證結(jié)構(gòu)逐漸趨近設(shè)計(jì)狀態(tài)，不允許結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)永久變形。

（5）結(jié)構(gòu)實(shí)際內(nèi)力與變形及理論設(shè)計(jì)狀態(tài)的差異。施工過(guò)程是一個(gè)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)力和位移都在不斷地發(fā)生變化的過(guò)程，在此過(guò)程中，所有變化都是隨機(jī)的、動(dòng)態(tài)的，及時(shí)了解結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在此過(guò)程中的受力狀態(tài)，以確保結(jié)構(gòu)施工的安全。

大跨空間結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展給技術(shù)和科研人員帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)，如何有效地建立大型空間結(jié)構(gòu)施工全過(guò)程計(jì)算理論與方法及在該理論中指導(dǎo)制定簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可行的施工方案成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

4 施工過(guò)程力學(xué)模擬的具體方法

大跨結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程是一個(gè)結(jié)構(gòu)自身不斷變化的過(guò)程，其受力形態(tài)也在不斷改變，在結(jié)構(gòu)成型過(guò)程中結(jié)構(gòu)一直處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，伴隨著構(gòu)件的增刪、材料本構(gòu)關(guān)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(duì)于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力動(dòng)態(tài)施加等變化，為了得到結(jié)構(gòu)真實(shí)、正確的結(jié)果，這些在跟蹤計(jì)算中都應(yīng)準(zhǔn)確反映。目前，時(shí)變單元法、拓?fù)渥兓坝邢迒卧ò耸┕ちW(xué)問(wèn)題分析的主要方法。其中有限單元法理論推導(dǎo)嚴(yán)密，易于程序化，在現(xiàn)階段施工力學(xué)模擬分析大多以此為理論進(jìn)行，但是傳統(tǒng)的有限元法并沒(méi)有提供解決施工力學(xué)問(wèn)題的相應(yīng)公式，而兩種方法研究應(yīng)用較少且存在一些問(wèn)題。所以，在求解大型結(jié)構(gòu)施工力學(xué)方面的運(yùn)用方法上在工程界意見不統(tǒng)一，需要對(duì)其進(jìn)行一定的改進(jìn)。求力學(xué)問(wèn)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(yīng)用，但其理論、方法、結(jié)論還有許多問(wèn)題有待進(jìn)一步考究。施工過(guò)程力學(xué)模擬的具體方法主要有：生死單元法、施工階段內(nèi)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(tái)上進(jìn)行改進(jìn)，可用來(lái)解決實(shí)際施工力學(xué)問(wèn)題施工模擬方法；施工階段內(nèi)力與變位疊加法是在理論方面對(duì)傳統(tǒng)有限元法作改進(jìn)，能有效地進(jìn)行全過(guò)程跟蹤分析的施工力學(xué)分析方法；幾何控制法是全過(guò)程幾何控制，將整個(gè)施工過(guò)程都納入了控制系統(tǒng)，實(shí)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(jié)構(gòu)整個(gè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、可行的施工。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)施工過(guò)程中力學(xué)問(wèn)題的重要性進(jìn)行了闡述，對(duì)施工過(guò)程中體現(xiàn)的力學(xué)問(wèn)題，工程技術(shù)人員應(yīng)高度重視，應(yīng)結(jié)合具體工程實(shí)例，在實(shí)踐中提升理論及豐富對(duì)施工力學(xué)問(wèn)題的研究，并對(duì)施工過(guò)程力學(xué)分析方法進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)也為類似工程施工力學(xué)分析積累經(jīng)驗(yàn)，為問(wèn)題的解決提供有益的嘗試。