大跨度鋼結構施工過程的結構分析方法研究

王 盈

（哈爾濱空調股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

一、大跨度鋼結構施工力學原理

大跨度鋼結構施工屬于連續化過程，其結構受力狀態存在著變化過程。在鋼結構上階段施工后，其結構內力與位移則會對下一階段剛階段內力與位移產生一定影響，為此，在大跨度鋼結構施工中應對每一個階段的內力與位移狀況進行跟蹤與計算，從而獲得準確的結構內力與結構位移累計效應。在大跨度鋼結構每一階段施工過程，均會產生一定的邊界約束條件變化、構件增刪、溫度變化與預應力變化等，在計算過程中充分考慮這些因素可以保證計算結果的準確性。在力學研究與分析中，拉格朗日列式是描述物體運動的常用公式。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上的相對運動。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。在虛功原理的基礎上應用拉格朗日列式獲得幾何非線性結構單元切線剛度矩陣：

其中{U}代表的是結構位移列向量，{F}代表的是結構荷載列向量，[K（U）]代表的是整體剛度矩陣，屬于位移向量函數。由此可以看出上公式為非線性公式，應用增量迭代法進行非線性有限元分析，可以獲得結構變形的整個過程。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，如結構構件增加，則結構剛度矩陣會發生相應變化，設N為當前結構剛度，N-1為前一狀態下結構剛度，則有：

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

應用有限元軟件對大跨度鋼結構施工過程進行結構分析，其處理邊界條件相對較為容易，處理構件增刪與預應力動態變化相對較難。通過應用ANSYS軟件中所具備的死活單元功能，借助計算機計算功能，開發出實現大跨度鋼結構全過程跟蹤分析的力學分析方法。

圖1 鋼結構施工過程中新增單元與節點示意圖

二、大跨度鋼結構施工力學分析方法

如圖1，為鋼結構施工過程中新增單元與節點示意圖。

在上圖中，水平直線代表的是設計位置，虛線則代表的是鋼結構安裝過程中變形后位置，點劃線代表新增構件。針對圖1中所標示的三種情況，確定以下原則：第一，如新增構件與已有構件沒有連接，則采取節點設計坐標為新的節點坐標。如圖a，新節點o坐標則可以在已有構件JK延長線方向與設計長度|KL|進行計算，圖b，JK屬于結構中新增構件，不存在新增節點，其構件長度則可以通過變形后J與K節點長度進行確定。應用有限元軟件，進行大跨度鋼結構分析，其計算方法主要為：如新增構件與已有構件不存在連接，則可以應用設計坐標單元激活方式直接進行計算；如采取兩節或三節為修正單位時，新增節點坐標則是應與設計位置重合；如新增單元向內合攏時，則新增節點坐標為設計位置沒采取單元激活方法進行計算。以上是針對新增構件情況的研究，如進行邊界變化情況、構件撤除等情況研究，則根據以上方法，應用有限元軟件，可以獲得其計算方法。通過這種方式，可以有效降低大跨度鋼結構施工力學研究與分析的復雜性及難度，提高計算效率。

三、大跨度鋼結構施工過程結構分析方法的實際應用

屋架鋼梁采取的是H150×8-254×4規格焊接工字鋼，應用Φ30圓鋼為下弦拉桿，對施工過程中內力與變形情況是進行跟蹤研究與分析。其研究過程主要分為兩部分，第一部分：對結構施加q=4kN/m均布荷載；結構出現內力與變形后增加圓鋼拉桿；設置集中向下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；對結構施加q=4kN/m均布荷載，并設置集中向下F=20kN荷載于鋼架跨中，去除F=20kN荷載，在均布荷載基礎上拆除圓鋼拉桿。

通過對不同狀態下鋼結構位移與內力數據變化的分析，可以發現第一部分所采取的方法其外荷載小于第二部分，但其變形與內力變形卻大于第二部分，說明圓鋼拉桿可以有效控制結構在外荷載作用下產生大的變形。

結語

在大型鋼結構施工過程中，對鋼結構施工的過程中其強度、剛度及穩定性存在著明確要求，進行鋼結構施工力學全過程分析是實現鋼結構施工安全可控的重要措施。本文在分析鋼結構施工結構力學分析原理的基礎上，對大跨度鋼結構施工力學分析方法與大跨度鋼結構施工過程結構分析方法的實際應用進行了分析。實踐證明，應用有限元對結構施工進行力學分析是可行且有效的。

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