大型復雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學探討

陸思杰++劉松濤

摘 要：結(jié)構(gòu)施工學是時間的函數(shù)，結(jié)構(gòu)施工的過程中路徑以及時間效應會對所構(gòu)建的結(jié)構(gòu)的受力性能起到較大程度的影響。現(xiàn)代建設(shè)的大型工程項目通常都要求設(shè)計人員對工程項目的結(jié)構(gòu)施工過程做出一定的分析，并且要求施工人員對結(jié)構(gòu)的變形發(fā)展有一定的預測以及控制能力，以此來保證施工過程中的安全性以及所建結(jié)構(gòu)的實用性。本文對大型復雜剛結(jié)構(gòu)施工力學進行了一定探討。

關(guān)鍵詞：復雜鋼結(jié)構(gòu)；內(nèi)力；變形；施工力學

工程結(jié)構(gòu)所具有的幾何形態(tài)、剛度以及邊界條件是在建造過程中一步步形成的，并且用來描述其結(jié)構(gòu)狀態(tài)的物理量是隨時在變化的。對施工過程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行理論分析預測是十分有必要的，若施工過程中結(jié)構(gòu)效應受到一定程度的影響就很容易使結(jié)構(gòu)喪失其穩(wěn)定性，可能大致結(jié)構(gòu)發(fā)生強度破壞，呈現(xiàn)較高的安全風險。

1 施工過程結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析以及施工方案的選擇

復雜鋼結(jié)構(gòu)在建造中采用分步成型與一次成型的方式所受到的內(nèi)力具有較大程度的差別，因此在設(shè)計的過程中要著重考慮，并且人們通過實踐總結(jié)得到一次成型的建造方法并不十分適用，因此逐漸將其舍棄，這就使得結(jié)構(gòu)的建造需要按照事先預定的施工方案對結(jié)構(gòu)施工全程進行跟蹤分析，要對施工時結(jié)構(gòu)的內(nèi)力發(fā)展以及其位形的可能變化情況和建造完成后結(jié)構(gòu)的內(nèi)力大小進行合理的預測，使得建筑能夠在與其他荷載進行組合的情況下滿足對結(jié)構(gòu)的受力要求。

對于具有筒中筒高層鋼結(jié)構(gòu)的建筑，其混凝土的部分需要經(jīng)過較長的時間才能構(gòu)建完成，然而建筑的鋼結(jié)構(gòu)外框架卻能很快完成施工變形，這兩者的構(gòu)建時間差所造成的變形差會給后序工程造成較大的難度。要保證工程能夠順利完成就要求對內(nèi)外筒的施工方案的設(shè)計要建立在整體的結(jié)構(gòu)工程分析基礎(chǔ)上。

相同的結(jié)構(gòu)能夠通過不同的施工方案來進行建設(shè)，其中不同的施工方案會影響到施工過程中的安全性以及結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，要選擇最有利于施工的方案就要求對結(jié)構(gòu)進行施工過程的模擬分析，尤其是建造完成之后結(jié)構(gòu)中被鎖定的內(nèi)力的大小。

2 施工變形預調(diào)值的確定

運用無支撐大跨度鋼結(jié)構(gòu)的建造施工最需要解決的問題是隨著施工的進行已經(jīng)構(gòu)建的結(jié)構(gòu)會不斷發(fā)生變形，這就會對新裝構(gòu)件的安裝位形受到一定程度的影響。要使得結(jié)構(gòu)在建造完成后能夠達到預期的目標就要求對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安裝位形進行預調(diào)，預測并確定構(gòu)件的安裝坐標，使得最終結(jié)構(gòu)能夠與預期相吻合。

鋼結(jié)構(gòu)的變形預調(diào)值分為加工預調(diào)值以及安裝預調(diào)值，其中加工預調(diào)值是構(gòu)件的加工長度以及其預先設(shè)計長度的差值，其大小與完工后構(gòu)件具有的軸向應力水平相關(guān)聯(lián)，而安裝預調(diào)值的大小決定于建筑完成后節(jié)點的安裝位置的位移。變形預調(diào)值的設(shè)置能夠在一定程度上影響結(jié)構(gòu)的形式，其大小的計算思路需要針對不同結(jié)構(gòu)的不同施工設(shè)計方案來確定。而在某些大跨度空間結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)預調(diào)值不僅與安裝位形以及加工位形有關(guān)，還與結(jié)構(gòu)的安裝方案有關(guān)。

3 柔性結(jié)構(gòu)成型過程分析

柔性結(jié)構(gòu)的特殊之處在于其只有在拉索張拉預應力后才能夠出現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度。柔性結(jié)構(gòu)在張拉成型之后應當滿足設(shè)計位形的要求，而且結(jié)構(gòu)當中的拉索預應力應當控制在預先設(shè)計的數(shù)值范圍之內(nèi)。不同的張拉過程會導致成型之后結(jié)構(gòu)的幾何形狀和結(jié)構(gòu)剛度的不同，所以就要對一定位形下的合理預應力的分布模式進行探討，要在施工隊的經(jīng)濟成本最低的情況下使其取得最佳的施工效果。若對柔性結(jié)構(gòu)的拉索張拉預應力的預先設(shè)計不夠準確就可能導致結(jié)構(gòu)無法張拉成為預期的幾何形狀，也可能導致結(jié)構(gòu)具有的預應力發(fā)布不均勻，使得結(jié)構(gòu)的剛度以及承載力都無法達到設(shè)計要求。

要對張拉結(jié)構(gòu)的形態(tài)進行合理的分析可以采用找形分析以及找態(tài)分析，其中找形分析指的是按照結(jié)構(gòu)內(nèi)部的預應力分布情況對滿足其內(nèi)部預應力的邊界條件的結(jié)構(gòu)形狀進行求解計算，而找態(tài)分析是根據(jù)結(jié)構(gòu)的形狀對滿足該形狀的預應力狀態(tài)進行求解計算。

要對預應力鋼結(jié)構(gòu)的張拉進行合理的模擬可以運用計算機技術(shù)進行虛擬張拉過程，對于張拉過程的力學分析是使得模擬更加真實的關(guān)鍵之處。

4 施工時溫度變化造成的影響

無論是在對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的過程中還是對結(jié)構(gòu)施工或安裝過程中都要考慮溫度的變化情況，溫度對于結(jié)構(gòu)的影響實際上是十分重要的。在結(jié)構(gòu)施工或安裝的周期當中溫度的變化會對結(jié)構(gòu)的安裝造成一定程度的變形，這種變形會導致構(gòu)件難以安裝或安裝后出現(xiàn)一定程度的裝配應力。而溫度的影響主要來源于日照以及季節(jié)的溫差。要消除溫度對構(gòu)件安裝時可能出現(xiàn)的差錯以及構(gòu)件內(nèi)力的變化就要求根據(jù)不同的溫度狀況對施工的過程進行一定的預測分析。

5 構(gòu)件焊接殘余應力分析

由于在焊接過程中構(gòu)件的溫度變化處于不均勻的狀態(tài)，溫度更高的部位就會出現(xiàn)受熱膨脹，而由于相鄰鋼材會對其產(chǎn)生約束作用，焊件內(nèi)部就會出現(xiàn)較大的溫度應力，部分區(qū)域還會因此而產(chǎn)生塑性變形，當焊接結(jié)束之后，冷卻后的構(gòu)件內(nèi)部會出現(xiàn)十分復雜的殘余應力，這種力是自平衡力系，它會使構(gòu)件中的一些部位提前進入塑性變形的階段，這會在很大程度上降低構(gòu)件具有的承載力。不合理的焊接技術(shù)可能會導致較為嚴重的殘余應力的出現(xiàn)，這會降低結(jié)構(gòu)具有的延性，在很大程度上影響結(jié)構(gòu)的抗震能力。要降低殘余應力的影響就要采用合理的焊接技術(shù)。

6 結(jié)語

在設(shè)計大型復雜剛結(jié)構(gòu)建筑的施工方案時，要求設(shè)計人員對結(jié)構(gòu)的成型過程做到一定的了解，并且能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同受力條件提出合理的施工方案。施工技術(shù)人員要研究施工時的結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及其變形的發(fā)展，以保證施工過程中具有一定的安全性，使得所建結(jié)構(gòu)具有更高的可靠性。

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