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大跨钢结构施工力学研究发展现状
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//www.lgmi.com 发表日期：2013-8-27 15:27:26
兰格钢铁 |
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大跨钢结构施工过程的复杂性决定了施工力学分析的必要性。我们系统地梳理了施工模拟普遍遇到的难点，以及当前的解决方法，指出了尚需研究的若干问题。
近些年随着经济水平的发展，建筑形式呈现出多样化的发展趋势，为了追求强烈的建筑效果，以及实现一些特殊的建筑功能，愈来愈多的建筑突破原有模式而日趋复杂，这对结构施工与跟踪模拟带来挑战。在施工过程中，空间结构从无到有、从单根杆件到局部成形再到完整结构，整个体系的形态、荷载、边界条件不断变化，呈现出结构时变、材料时变和边界时变的特性，其“路径”和“时间”效应直接影响施工阶段及使用阶段结构的受力性能。
大跨钢结构施工过程的时变性要求设计者不但要考虑设计结构本身，同时需要研究不同施工阶段内力与变形的相互影响，对施工过程中结构及工程介质的分析，形成了与工程建设密切相关的新的工程力学学科分支——施工力学。施工力学是力学理论与土木工程学科相结合的产物，研究的对象为施工过程中不断变化的结构系统，包括结构内部参数(如几何形状、物理特性、边界状态等)以及外部参数(如施加的荷载、环境温度)，因此施工力学是以物性为基础，耦合了时间与空间的多维力学问题。
大跨钢结构施工分析必要性与目标
随着经济的发展，工程建设进一步向大型化、复杂化发展，建成了一批体型复杂的大跨钢结构或混合结构，如中央电视台新台址主楼、西班牙马德里“欧洲之门”双斜塔、浦东机场航站楼、国家大剧院、国家体育场鸟巢等。这些复杂建筑的几何、材料和边界等条件在施工过程中往往存在着剧烈的变化，竣工时荷载作用下所产生的内力和变形由各施工步效应依次累积而成，其最终的大小与分布规律与实际施工过程密切相关。同时，在结构建造的某些阶段，需要增加支持体系与可变结构组成一个共同工作的系统，这时支持系统的支撑与拆卸影响到整个结构的作用效应，因此若不考虑施工过程的影响而采用一次成形的设计方法，就会与实际情况产生差别，对大型复杂结构而言尤为明显，可能会在施工过程中由于部分结构强度破坏、刚度退化或稳定性失效造成整个结构的坍塌，也可能会使竣工状态下的结构内力或变形未达到设计状态的合理要求，而造成较低的安全储备。
据国家有关部门的不完全统计，在我国有大约三分之二以上的工程结构倒塌事故发生在施工期间，究其原因，设计时未考虑施工过程的复杂性，未进行施工过程分析占了很大比例，传统的施工方式越来越不能适应建筑结构发展的需要。
时变结构可分为三种工作状态：快速时变结构力学、慢速时变结构力学、超慢速时变结构力学。施工力学属于慢速时变力学范畴，可以采用离散时间冻结来近似处理，把施工状态当作一序列时不变结构进行静力或动力分析，在每个状态中不考虑结构的变化来分析结构的强度、刚度和稳定性。
目前，国内外很多学者对建筑结构施工力学问题进行了大量研究，初步确立了施工力学分析的总体目标：一、对施工各阶段的内力、变形予以跟踪分析，保证结构施工阶段的承载力与稳定性。二、将考虑施工过程的成型状态和设计状态的内力与变形进行对比分析，评估施工过程对结构最终状态的影响，优化施工方案，保证结构在使用中的安全性。
施工过程模拟分析的难点
在结构力学分析中，根据形成原因可分为三大类非线性：材料非线性、几何非线性和状态非线性。施工过程中钢材的性能基本不会变化，且施工过程中材料通常处于弹性阶段，因此施工模拟可不考虑材料非线性的影响。
施工过程中结构的受力特点是，整个结构的几何形态、刚度及其荷载和边界条件按一定的次序先后形成。建造过程中已装结构上所承受的荷载，不可能在未装结构上产生影响，已装结构相对于新装结构来讲具有某种初变形和初内力，而后装结构将影响已有结构的受力状态，新装构件和新加荷载一旦形成，结构的受力状态及刚度将随之改变。整个施工过程需经历一系列准结构状态才能达到竣工状态，期间结构的受力状态、刚度与时间(施工步骤)在某种程度上表现出了一定的非线性关系，称之为状态非线性。伴随着施工步骤的进行，结构中的构件往往会发生较大的位移但应变仍然较小，即发生大位移小应变的几何非线性现象，所以施工力学分析中应考虑几何与状态两大非线性的耦合效应。
鉴于此施工过程模拟的难点可能存在于：与状态非线性相伴的结构几何构型及体系变化的模拟——施工过程不仅存在结构构件的增删，而且由于各阶段可能存在的结构可变性，往往需要临时支撑的安装和随后的拆卸。研究对象的可变性导致求解域的可变性，加之结构受力性能的可变，导致方程的建立与时变域的求解困难。结构刚度变化的模拟——结构刚度的变化主要表现在构件数量变化与初始预应力变化两个方面。构件的增加与减少与几何构型及体系密切相关；初始预应力的施加前后直接改变了结构刚度的大小及应力应变分布，进而改变结构的受力状态。结构边界条件变化的模拟——施工过程的动态性，决定了其边界条件的多变性，包括边界位置的变化与边界约束形式的变化以及在施工的前后两阶段边界的约束、释放、再约束。
施工过程模拟分析中的若干问题
“生死”单元的漂移——目前很多大型商用计算软件利用单元生死技术来实现对时变域的求解。通过“杀死”或“激活”选择的单元来模拟有限元模型中构件的删除与添加。其一般步骤为：1)一次性建立结构整体模型，如有支撑构件，必要时应一并建模。2)将施工过程分为N个阶段，划分的施工阶段必须足以反映施工过程中的主要变化。3)杀死所有单元，按施工步骤依次激活相应施工步内的构件，并施加对应阶段的施工荷载(包括边界条件的改变)。4)按施工步骤最终“激活”所有单元，实现整个施工过程的力学模拟。至此各阶段施工步内力与变形等数值求解完毕。采用单元“生死”法模拟施工过程时，因“死”单元刚度矩阵的极小化(一般为10-6)，导致“死”单元产生漂移现象，使得再“激活”时下一施工阶段内的构件位形可能远偏离设计状态位形，一者使得施工模拟结果没有实际意义；二者“漂移”现象的产生经常会使得结构刚度矩阵的过度病态而导致求解失败。
力学分析中，建立刚度矩阵方程一般采用拉格朗日列式来描述物体的运动，此时涉及到新增杆件的重新定位问题，建筑工程施工过程中，节点坐标是动态变化的，新增节点坐标的定位必须以当前结构分析所得的状态参量为标准，对应于一般大型软件施工力学耦合几何非线性的U.L描述法。新增构件应基于两个基准点予以安装：一是与已安装结构连接的公共节点应以已安装结构的当前位形为安装基准点；二是未与已安装结构连接的节点，张其林在分析大跨悬臂预应力钢结构时借鉴桥梁施工中通常的3种定位原则提出新的节点坐标理论，这3种定位原则时在桥梁工程中较为普遍，并且符合生死单元法中安装构件在“漂移”位形上被激活的条件，因此可直接用于施工模拟中，但大多时候情况下，按已安装构件切线方向延长线和构件设计长度来确定安装位形是麻烦的，特别是复杂钢结构工程中不易实现。
大跨刚性钢结构施工预变形的确定——因受结构安装过程及施工荷载的影响，实际成形后的结构均会与设计位形产生一定差别。很久以来，人们已知道桁架拼装要预起拱，但对大跨钢结构而言，因跨度较大，体型复杂，受P-Delta效应等非线性影响较大，必须通过力学模拟来确定结构的预变形值以消除施工变形带来的不利影响，否则可能会影响结构外观形状和使用功能，严重时更会影响到结构安全性。
复杂钢结构竣工状态的位形直接与施工过程息息相关，这也决定了预变形分析的复杂性。现阶段复杂刚性钢结构预变形的计算方法主要分为：一般迭代法、正装迭代法、倒拆迭代法、分阶段综合迭代法和局部位形约束正装迭代法。预变形的确定是以施工过程模拟为基础的，除了一般迭代法外，其余三种方法在计算手段上均采用了单元生死技术或其改进方法来进行分析计算。
施工阶段的预变形分析不仅应考虑构件在施工荷载、自重作用下的形变，随着结构体型的加大，施工工期的延长，温度效应愈发明显。当前柔性构件温度效应被人们关注，认为温度作用对刚柔性结构预变形的确定不可忽略。对全刚性结构预变形分析较少考虑温度，有资料显示在夏日日照条件下钢拱的温度应力可以达到钢材强度设计值的30%以上，可见有必要依据施工进度在常规荷载的基础上引入温度作用，研究环境温度对结构不同区域和安装构件的影响，进而得出构件预变形和最佳安装时机。范重、王酩等进行了国家体育场合龙温度研究，强调了关键施工阶段环境温度对结构合龙的影响。
大跨钢结构体型复杂，结构有主次之分，施工有先后之别，环境温度随不同区域存在差异，只有保证分析过程与施工过程高度吻合，预变形分析才能准确。
建筑索结构找形分析及预应力张拉控制——根据建筑索结构近年来的发展，按其组成和受力特点可分为：悬索结构、管内预应力结构、张弦结构、拉索结构、斜拉结构、索拱结构、吊挂结构。建筑索结构的形态分析分为找形分析和找态分析，考虑数值分析的易实现性，大都采用找形分析：从结构的初始零状态开始，通过施加预应力来寻求结构的几何设计位形。找形过程力学分析中张拉过程是模拟的关键，目前的分析方法主要有正分析法、反分析法和混合法。
对于大型预应力钢结构，应根据工程情况，考虑施工阶段锚固与摩擦的预应力损失，建立精细化模型，将其引入拖工模拟中，只有这样才能更准确地跟踪施工中索、杆件内力的变化，为工程中预应力损失的避免提供参考依据，杜绝可能的安全隐患，真正实现结构最终态与设计态的高度吻合。
大跨度钢结构的整体提(顶)升与拆撑分析——大跨空间结构的施工安装方法通常分为：高空散装法、分条或分块吊装法、整体吊装法、整体提(顶)升法、分条或分块滑移法、整体滑移法、攀达穹顶法及折叠展开法等，其中整体提(顶)升法在A380机库屋盖等一大批新建项目中得到广泛应用，存在提(顶)升过程边界条件时变等难点；不论整体法还是吊装法都存在拆撑的临界状态模拟问题。
提升是一个慢速时变过程，因上只需对每一个提升高度下的结构进行常规静力分析，其结果便能准确反映提升过程中结构受力的变化。借鉴此原理，郭彦林等提出了模拟各提升高度的自动提升迭代算法，并将其应用于首都国际机场屋盖一体化建模整体提升分析中。
大跨度钢结构施工过程中临时支撑的设置，一方面减小了安装过程中主体结构的内力和变形，使得结构安全系数加强，但一方面附属构件的添删加剧了施工过程的内力变化，对结构前期的预测性设计和施工模拟提出挑战。拆撑过程力学分析的难点在于千斤顶的模拟，临时支撑与主体结构脱离、接触和相对错动的模拟以及临时支撑变形分析。
目前，大跨钢结构拆撑过程数值分析的主要方法有支座位移法、等效杆端位移法、千斤顶单元法、千斤顶——间隙单元法、千斤顶接触单元法和温控千斤顶单元法等。支座位移法通过施加支座强制位移来实现千斤顶的模拟，程序实现简单，但不能模拟临时支撑与主体结构间的脱离以及变形，模拟准确性较差。高颖等采用“只压”特性连接单元对济南奥体中心体育场千斤顶群等距卸载过程进行了模拟，同时分析了卸载过程意外工况的敏感性。等效杆端位移法利用有限元软件只压不拉的单元特性，虽然可以模拟临时支撑与主体结构脱离及临时支撑的变形，但不能模拟联合支撑的情况，且不能模拟临时支撑与主体结构间的相对错动。
千斤顶单元法巧妙地将ANSYS软件中LINK10和BEAM4单元在同一位置并联，两个单元点线位移自由度耦合在一起形成新的组合单元。LINK10单元提供无限大的轴向刚度模拟千斤顶，BEAM4单元设置抗弯刚度模拟千斤顶的抗弯能力。千斤顶——间隙单元法、千斤顶接触单元法是在千斤顶单元法的基础上改进而来，更好地模拟了千斤顶、临时支撑与主体结构的脱离和相互错动的真实拆撑过程。千斤顶的模拟不是一成不变的，郑江、郝际平在解决大运会主体育场钢屋盖拆撑模拟分析中，考虑工程实际情况，判断出千斤顶仅提供向上的支撑力，由此去除BEAM4单元，增加部分LINK8单元模拟安装结构进行约束的临时固定措施，取得了良好的效果。整体提(顶)升技术，通过支撑的设置使初始可变体系逐步成形，随后对支撑的拆除使体系逐步承担工况荷载，最终成为完整的结构。支撑中伴随临时次构件的拆除，拆撑中伴随临时次构件的顶升，支撑与拆撑本质为一体化的受力过程，拆撑卸载前的初始工况应力来源于支撑后期工况的加载。整体提(顶)升与拆撑分析实质上都是分析结构的约束向上或向下移动的过程，当前研究主要考虑支撑塔架、吊索或千斤顶与结构的相互作用，一般不考虑揽风绳、水平向约束构件等重要附属设施的作用。某门式刚架轻钢结构厂房施工中，在风力作用下中间柱晃动引起结构连锁反应，最终整体倒塌。揽风绳不仅受到风荷载作用，而且还受到不均匀提升引起的结构倾斜对揽风绳的作用，施工模拟中应考虑附属结构在提升中所受影响，尤其是提升点之间位移差最不利工况的影响。
大跨钢结构建筑结构体系的日益复杂化，使得工程建设迫切需要更为精确的模拟分析，但由于施工过程与结构形式、施工方案的紧密相关性，导致目前大多工程的施工模拟都有其独特性，局限性。我们结合对大跨钢结构施工模拟普遍遇到的难点及解决方法的讨论，指出了尚有若干问题值得深入研究，相信施工力学会进一步迅速发展。 |
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