大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)分析方法研究

孫 偉

（廈門(mén)工學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院 土木工程系，福建 廈門(mén) 361000）

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，對(duì)會(huì)影響結(jié)構(gòu)性能的各方面因素缺乏重視，對(duì)于跨度較小或底層的建筑來(lái)講，施工的最終結(jié)果同設(shè)計(jì)沒(méi)有太明顯的差異，但是對(duì)于跨度較大、樓層較高的建筑來(lái)說(shuō)，如果還沒(méi)有重視施工方法和施工過(guò)程會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響，就會(huì)導(dǎo)致建筑的最終狀態(tài)同設(shè)計(jì)存在差異.通過(guò)大量的實(shí)踐證實(shí)，必須要加強(qiáng)對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工中各個(gè)環(huán)節(jié)的計(jì)算分析，只有這樣才能保障建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性.

1 大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)概述

時(shí)變結(jié)構(gòu)力學(xué)可以分為以下三大方面：快速時(shí)變力學(xué)、慢速時(shí)變力學(xué)以及超慢速時(shí)變力學(xué)，而施工力學(xué)屬于慢速力學(xué)的范疇內(nèi)，隨著結(jié)構(gòu)的不斷變化可以進(jìn)行靜動(dòng)力分析，也就是要分析其工作時(shí)存在的各種狀態(tài)，研究該狀態(tài)中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.在進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工的過(guò)程中，通常情況下需要增設(shè)一些暫時(shí)的支撐體系，同原有的結(jié)構(gòu)相融合構(gòu)成工作系統(tǒng)，這些都是我們需要研究的.

對(duì)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工來(lái)講，要想結(jié)構(gòu)的最終效果同設(shè)計(jì)階段的標(biāo)準(zhǔn)相吻合，詳細(xì)的施工結(jié)構(gòu)分析以及計(jì)算是不可或缺的重要工作，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)制定最佳的施工方案，以此來(lái)保障施工整體的安全性和穩(wěn)定性.在最近幾年中，大跨度鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展是有目共睹的，但是在施工的過(guò)程中也不可避免的存在很多問(wèn)題，例如某體育館中平面桁架的整體吊裝，只有設(shè)置很多吊點(diǎn)才能保障桁架的各項(xiàng)指標(biāo)符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，否則桁架的穩(wěn)定性將不能保障，但是計(jì)算桁架吊裝穩(wěn)定性屬于一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，需要消耗大量的人力物力，類(lèi)似這種問(wèn)題有很多，所以必須要重視起來(lái).

在對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析的過(guò)程中，雖然結(jié)構(gòu)處于不斷變化的狀態(tài)中，但可以把結(jié)構(gòu)處理為慢速時(shí)變過(guò)程，采取時(shí)間凍結(jié)法進(jìn)行分析，依照有限元分析步驟重新進(jìn)行輸入和劃分，把前次的結(jié)果作為下次的輸入數(shù)據(jù)，但是這樣做最突出的缺點(diǎn)就在于計(jì)算的任務(wù)量大大提高，所以施工力學(xué)另外一項(xiàng)需要解決的任務(wù)就是如何增強(qiáng)計(jì)算的效率.目前施工力學(xué)已經(jīng)提出了很多種數(shù)據(jù)值方法，比較重要的分為以下三種：其一，一般單元法，通過(guò)單元的增減來(lái)實(shí)現(xiàn)求解區(qū)域的變化，該方法的缺點(diǎn)在于網(wǎng)格需要不斷的進(jìn)行剖分；其二，拓?fù)渥兓ǎㄟ^(guò)拓?fù)湓韺?shí)現(xiàn)求解區(qū)域隨時(shí)間的變化，其缺點(diǎn)在于時(shí)變的次數(shù)不能過(guò)多，否則會(huì)降低計(jì)算的效率；其三，時(shí)變單元法，離散網(wǎng)格保持不變，通過(guò)單元的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)求解區(qū)的變化，其缺點(diǎn)在于數(shù)值積分不夠穩(wěn)定.以上三種方法在求解鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)方面都存在或多或少的問(wèn)題，還需進(jìn)一步探討.

2 大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工特點(diǎn)

大跨度鋼結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的剛度，正是這種較強(qiáng)的剛度使得所發(fā)生變形的可能性較低，所以能夠從線(xiàn)性理論的角度來(lái)思考線(xiàn)性的變形，以此來(lái)解決力學(xué)方程，也就是說(shuō)在這種變形較為微弱的形勢(shì)之下來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力.索網(wǎng)、膜結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的抗彎抗剪能力比較低，其構(gòu)形取決于張拉力的分布情況.結(jié)構(gòu)體通過(guò)變形來(lái)避免外來(lái)荷載對(duì)自身產(chǎn)生的作用，該理論為物理結(jié)構(gòu)中非常重要的一個(gè)方面，剛性結(jié)構(gòu)、半剛性結(jié)構(gòu)以及柔性結(jié)構(gòu)都具有各自的特點(diǎn)，在受力方面也存在很大的不同，因此在施工時(shí)的結(jié)構(gòu)受力分析方法也是不同的.現(xiàn)如今隨著建筑行業(yè)的發(fā)展越來(lái)越快，大型鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也更加的廣泛，成為了未來(lái)建筑行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，因此當(dāng)前設(shè)計(jì)人員所面臨的一項(xiàng)重要工作就是把施工結(jié)構(gòu)分析方法應(yīng)用到實(shí)際工作中來(lái)，使結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加穩(wěn)定，保障施工的安全性，深入倆接結(jié)構(gòu)施工的特點(diǎn)，把分析方法同實(shí)際妥善的融合到一起，推動(dòng)施工工作順利的開(kāi)展.

3 大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工的力學(xué)原理及方法

3.1 大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工的力學(xué)原理

大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工是連續(xù)的，也就是說(shuō)鋼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)也是在不斷變化的，前階段的內(nèi)力和位移對(duì)下個(gè)階段會(huì)產(chǎn)生直接的影響，只有深入分析各個(gè)階段的內(nèi)力和位移才能保障其效益的準(zhǔn)確性；另外在各個(gè)階段的施工時(shí)，結(jié)構(gòu)各個(gè)方面的指標(biāo)都會(huì)發(fā)生邊變化，例如溫度、約束、預(yù)應(yīng)力等，只有通過(guò)嚴(yán)密的跟蹤才能反映出最準(zhǔn)確的結(jié)果.目前有限元的發(fā)展非常迅速，例如MSC、ANSYS等都能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的混合運(yùn)算，對(duì)各方面的計(jì)算分析也都相對(duì)完善，以此成立了一個(gè)更加強(qiáng)大的平臺(tái)，但由于該平臺(tái)不能直接實(shí)現(xiàn)對(duì)施工的跟蹤，所以利用該平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)是當(dāng)前一條急需發(fā)展的道路.

在力學(xué)分析中通常通過(guò)拉格朗日列式來(lái)描述運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，該描述方法在增量非線(xiàn)性分析中應(yīng)用的非常多，能夠跟蹤到物體各點(diǎn)的變化，結(jié)合虛功原理獲得結(jié)構(gòu)單元的切線(xiàn)剛度矩陣公式如下：[K]e=[K]e0+[K]e1+[K]eσ，通過(guò)左邊轉(zhuǎn)為獲得方式[K(U)]{U}={F},[K(U)]是位移向量，后二者分別為位移向量和荷載向量.對(duì)于工程施工來(lái)講，最重要的就是結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，當(dāng)構(gòu)件增加時(shí)剛度矩陣也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生改變，這時(shí)采用增量迭代的方式進(jìn)行計(jì)算，把增加構(gòu)件前的結(jié)構(gòu)狀態(tài)作為基礎(chǔ)，增加之后的狀態(tài)作為終態(tài)，這樣就能全面的分析增加構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的影響.相反，當(dāng)減少構(gòu)件時(shí)把減少前的狀態(tài)作為基礎(chǔ)，計(jì)算出減少構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)力，在減少之后把節(jié)點(diǎn)反力施加在原位置上進(jìn)行計(jì)算，即能獲得減少構(gòu)件后的結(jié)構(gòu)狀態(tài).當(dāng)外荷載發(fā)生改變時(shí)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外荷載也發(fā)生改變，例如溫度荷載等，處理的方式就是在原有荷載列陣中加入增加荷載的變化量，然后重新進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)外界因素發(fā)生改變時(shí)要進(jìn)行統(tǒng)一處理，實(shí)時(shí)調(diào)整位移列陣.

對(duì)于有限元軟件來(lái)講，相對(duì)容易的問(wèn)題是邊界的變化，但是對(duì)于構(gòu)件的改變處理則相對(duì)復(fù)雜，這時(shí)可以使用ANSYES軟件中的計(jì)算功能和單元功能來(lái)全過(guò)程跟蹤施工分析方法.所謂ANSYES就是一個(gè)大型有限元系統(tǒng)，其包含著多種形式的單元庫(kù)，基本每個(gè)單元都具有“激活”和“殺死”的能力，也就是所謂的死活單元功能，其具體功能如下：①“激活”單元，在當(dāng)前的受力狀態(tài)下激活結(jié)構(gòu)中的某個(gè)單元，如果結(jié)構(gòu)沒(méi)有心的荷載則內(nèi)力不會(huì)產(chǎn)生改變，如果存在新增的荷載則激活的單元也會(huì)發(fā)生改變；②“殺死”單元，所謂殺死單元就是把某些構(gòu)件從結(jié)構(gòu)中撤除，這時(shí)該構(gòu)件的內(nèi)力就會(huì)作用在結(jié)構(gòu)上，造成結(jié)構(gòu)的變形.

3.2 大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工的力學(xué)方法

新增構(gòu)件的情況可以分為四個(gè)方面，如圖1所示，圖中的直線(xiàn)代表原來(lái)的位置，虛線(xiàn)位置代表發(fā)生變形之后的位置，點(diǎn)劃線(xiàn)代表新增的構(gòu)件，針對(duì)圖1所示的幾種情況明確了下面幾點(diǎn)原則：①如果新添加的構(gòu)件沒(méi)有同原有的構(gòu)件相連，那么將采用節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)為新的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；②如圖1中的a，o為新節(jié)點(diǎn)的位置，結(jié)合構(gòu)件JK延長(zhǎng)線(xiàn)的方向以及|KL|來(lái)決定o的坐標(biāo)位置；③如圖1中的b，JK為新增的構(gòu)件，但是并不存在新增的節(jié)點(diǎn)，因此JK長(zhǎng)度就是J和K兩點(diǎn)之間的距離；④如圖1中的c，JO1和JO1為新增的構(gòu)件，但O1和O1為同一節(jié)點(diǎn)，因此要由O1和JO1來(lái)共同確定O的位置.

圖1 新增構(gòu)件情況分析圖

在四點(diǎn)原則中，通過(guò)前兩點(diǎn)原則能夠發(fā)現(xiàn)，新增構(gòu)件的大小同建模是保持相同的，而通過(guò)后兩點(diǎn)原則又能夠發(fā)現(xiàn)，新增構(gòu)件的長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生改變，所以在對(duì)構(gòu)件進(jìn)行施工的過(guò)程中必須要考慮到該問(wèn)題，如果考慮的不全面，將會(huì)直接造成構(gòu)件不能順利的安裝，而且還會(huì)產(chǎn)生大量的殘余內(nèi)力.總體來(lái)看該計(jì)算方法的效率比較高，但關(guān)于施工中對(duì)構(gòu)件矯正方面的內(nèi)容沒(méi)有涉及到，因此下面探討其它計(jì)算方法.

新增的構(gòu)件如果并沒(méi)有同原有構(gòu)件相連，那么應(yīng)用建立于設(shè)計(jì)坐標(biāo)的單元激活方式就能夠進(jìn)行計(jì)算.①如圖2中的a，JL同KJ幾乎在同時(shí)生成，但是生成之后的新增單元JL沒(méi)有密度虛設(shè)，剩余的參數(shù)保持不變，在新增單元添加之后還原其密度.②如圖2中的b，在生成IJ和KL的時(shí)候，新增單元JK也生成，但是JL沒(méi)有密度虛設(shè)，在新增單元添加之后要把密度和彈性模量還原才能計(jì)算.③如圖2中的c，通過(guò)O1和O2能夠明確O點(diǎn)的具體位置，但是通常情況下要使O點(diǎn)更接近O1，所以要通過(guò)計(jì)算來(lái)研究O1和O2哪個(gè)同設(shè)計(jì)位置更近，以此來(lái)作為O點(diǎn).上述的幾種情況并沒(méi)有考慮到實(shí)際的定位方法，所以又存在下面幾種情況.④如圖2中的a和b，當(dāng)修正單位分別為兩節(jié)或三節(jié)的時(shí)候，O點(diǎn)的坐標(biāo)要同設(shè)計(jì)時(shí)保持一致，負(fù)荷單元激活的理論；⑤如圖2中的的c，在兩個(gè)新增單元聚攏時(shí)，O點(diǎn)的位置也同設(shè)計(jì)的位置保持一致，也可以采用單元激活的方式.通過(guò)上述原理，利用ANSYS平臺(tái)進(jìn)行處理，一方面能夠降低施工力學(xué)研究的難度，另一方還能增強(qiáng)了計(jì)算的實(shí)用性.

圖2 新增構(gòu)件情況分析圖

4 總結(jié)

通過(guò)上述分析能夠看出，通過(guò)施工力學(xué)來(lái)分析大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工具有非常重要的價(jià)值和意義，不僅能夠保障大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工安全，還能保證建筑整體的安全性和穩(wěn)定性.因此設(shè)計(jì)人員必須要掌握鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)分析原理，對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程進(jìn)行分析，制定最佳的施工方案，使大跨度鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更加廣泛.

〔1〕田黎敏.大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程模擬分析及研究[D].西安建筑科技大學(xué),2010.

〔2〕洪彩玲.大跨度預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程分析與索力優(yōu)化研究[D].鄭州大學(xué),2013.

〔3〕王馳.大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)分析方法研究[J].中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu),2013,（10）:42.

〔4〕王盈.大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)分析方法研究[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2014,（01）:56.

〔5〕全豫晉.大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)分析方法研究[J].江西建材,2014,（13）:75+77.

〔6〕李貴平.淺談大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)分析方法[J].化學(xué)工程與裝備,2010,（05）:111-112+66.

〔7〕林志野.大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)滑移法施工全過(guò)程力學(xué)行為研究[D].沈陽(yáng)建筑大學(xué),2011.