大型復雜鋼結構施工力學探討

陸思杰++劉松濤

摘 要：結構施工學是時間的函數，結構施工的過程中路徑以及時間效應會對所構建的結構的受力性能起到較大程度的影響。現代建設的大型工程項目通常都要求設計人員對工程項目的結構施工過程做出一定的分析，并且要求施工人員對結構的變形發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構的實用性。本文對大型復雜剛結構施工力學進行了一定探討。

關鍵詞：復雜鋼結構；內力；變形；施工力學

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

1 施工過程結構內力分析以及施工方案的選擇

復雜鋼結構在建造中采用分步成型與一次成型的方式所受到的內力具有較大程度的差別，因此在設計的過程中要著重考慮，并且人們通過實踐總結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，這就使得結構的建造需要按照事先預定的施工方案對結構施工全程進行跟蹤分析，要對施工時結構的內力發展以及其位形的可能變化情況和建造完成后結構的內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構的受力要求。

對于具有筒中筒高層鋼結構的建筑，其混凝土的部分需要經過較長的時間才能構建完成，然而建筑的鋼結構外框架卻能很快完成施工變形，這兩者的構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外筒的施工方案的設計要建立在整體的結構工程分析基礎上。

相同的結構能夠通過不同的施工方案來進行建設，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構的受力狀態，要選擇最有利于施工的方案就要求對結構進行施工過程的模擬分析，尤其是建造完成之后結構中被鎖定的內力的大小。

2 施工變形預調值的確定

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

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

3 柔性結構成型過程分析

柔性結構的特殊之處在于其只有在拉索張拉預應力后才能夠出現結構剛度。柔性結構在張拉成型之后應當滿足設計位形的要求，而且結構當中的拉索預應力應當控制在預先設計的數值范圍之內。不同的張拉過程會導致成型之后結構的幾何形狀和結構剛度的不同，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。若對柔性結構的拉索張拉預應力的預先設計不夠準確就可能導致結構無法張拉成為預期的幾何形狀，也可能導致結構具有的預應力發布不均勻，使得結構的剛度以及承載力都無法達到設計要求。

要對張拉結構的形態進行合理的分析可以采用找形分析以及找態分析，其中找形分析指的是按照結構內部的預應力分布情況對滿足其內部預應力的邊界條件的結構形狀進行求解計算，而找態分析是根據結構的形狀對滿足該形狀的預應力狀態進行求解計算。

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

4 施工時溫度變化造成的影響

無論是在對結構進行設計的過程中還是對結構施工或安裝過程中都要考慮溫度的變化情況，溫度對于結構的影響實際上是十分重要的。在結構施工或安裝的周期當中溫度的變化會對結構的安裝造成一定程度的變形，這種變形會導致構件難以安裝或安裝后出現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的溫差。要消除溫度對構件安裝時可能出現的差錯以及構件內力的變化就要求根據不同的溫度狀況對施工的過程進行一定的預測分析。

5 構件焊接殘余應力分析

由于在焊接過程中構件的溫度變化處于不均勻的狀態，溫度更高的部位就會出現受熱膨脹，而由于相鄰鋼材會對其產生約束作用，焊件內部就會出現較大的溫度應力，部分區域還會因此而產生塑性變形，當焊接結束之后，冷卻后的構件內部會出現十分復雜的殘余應力，這種力是自平衡力系，它會使構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件具有的承載力。不合理的焊接技術可能會導致較為嚴重的殘余應力的出現，這會降低結構具有的延性，在很大程度上影響結構的抗震能力。要降低殘余應力的影響就要采用合理的焊接技術。

6 結語

在設計大型復雜剛結構建筑的施工方案時，要求設計人員對結構的成型過程做到一定的了解，并且能夠根據結構的不同受力條件提出合理的施工方案。施工技術人員要研究施工時的結構內力以及其變形的發展，以保證施工過程中具有一定的安全性，使得所建結構具有更高的可靠性。

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