大跨空間結構卸載施工力學的研究現狀與展望

饒曉文

（廣西機電職業技術學院，廣西 南寧 530007）

大跨空間結構卸載施工力學的研究現狀與展望

饒曉文

（廣西機電職業技術學院，廣西 南寧 530007）

文章明確大跨空間結構卸載過程施工力學研究的意義，對其力學基礎、數學基礎和數值方法等做了較為詳細的闡述，探討大跨空間結構卸載施工力學分析的研究現狀，為其研究方向和發展趨勢提供參考。

鋼結構；大跨空間結構；卸載；臨時支撐；施工力學

隨著社會經濟的發展和人們生活水平的提高，人類從事生產和社會活動對更大跨度的空間提出了需要，如大型的飛機庫、體育館以及表演、集會、展覽的多功能大廳，跨度需要做到100～200米，甚至更大。 大跨空間結構是目前發展最快的結構類型，正因為該結構類型的不斷創新、發展并采用大量新材料、新工藝、新技術，已經對現代建筑產生了重大影響，成為反映一個國家建筑科學技術水平的重要標志，大跨空間結構也成為一個朝氣蓬勃的研究領域。大跨空間結構的發展，促使相關分析、理論研究日益深入，軟件設計、施工建造技術迅速發展，但是人們也逐漸意識到，由于設計中未考慮施工過程或者對施工中的復雜情況沒有進行應有的受力分析而發生事故的不在少數，因此大跨空間結構施工力學分析是工程技術發展亟待解決且體現科技與經濟相結合的一個重要研究方向。

大跨空間結構為了適應施工技術要求，有時不得不在施工過程中增加一些臨時措施，如對未成型的結構體系施加臨時支撐、臨時約束等，待某些階段的施工完成后再予以解除。當主體結構安裝完成后拆除臨時支撐、臨時約束等，即卸載。卸載過程中結構體系、內力、邊界等都處于一個不斷的變化過程，與成型結構有很大不同，如果對其受力性能認識不充分，設計分析欠缺理論指導，偏差較大，就會導致施工中事故的發生而造成嚴重后果。大跨空間結構卸載過程施工力學的研究，對結構的施工安全性、施工方案優化，成型結構施工質量控制等都具有重要意義。

1 大跨空間結構卸載過程施工力學分析的基礎

1.1 施工力學的提出與基本研究課題

工程與科學技術的發展，在20世紀己基本解決了工程結構物本身分析的有關方法與技術，并相對成熟。眾所周知，這種分析均以設計圖紙上完整(竣工后)結構物承受所設計(使用)載荷為依據，而由于工程規模日益擴大，建設有一個漫長的施工過程，且日趨復雜、情況多變，這期間有一個逐步變化(包括幾何形狀與物理特性)的不完整結構(工程)承受不斷變化的施工荷載的受力過程。這種隨時間變異的結構與工程分析，無論在理論還是應用上目前仍十分薄弱，而隨工程規模擴大，將日顯重要。因此施工過程中，結構物及工程介質的分析，形成了與工程建設密切相關的新的工程力學學科分支——施工力學[1]。

土木工程施工中有一系列科學與技術問題，曹志遠將其與力學分析相關的基本課題歸納為十類。在大跨空間結構卸載過程中，內力分析主要涉及到其中的三類課題：（1）在施工荷載作用下結構內力重分布與時空最大值的確定。大跨空間結構卸載過程中，首先作用的不是使用荷載，臨時支撐逐漸拆除的過程中，施工載荷的數值與位置隨時間發生變化；其次，隨著臨時支撐的卸載和拆除，結構的形狀也會發生變化。這兩種因素使得整個結構在卸載過程中，每個構件的施工內力一直在發生變化，而其最大值發生時刻，對系統中每個構件來說又是不一樣的。因此在設計計算中，應同時考慮常規竣工結構在使用荷載下分析，以及結構施工過程中內力時空變化影響。（2）結構與工程介質非線性特性引起施工路徑效應。大跨空間結構卸載過程中，由于結構跨度大，會涉及到幾何非線性問題，同時由于臨時支撐卸載完成時，會與上部結構產生脫離，所以又存在邊界非線性問題。不同的拆撐路徑，就會造成某點應力路徑不同，其最終應力狀態是不一樣的。因此不同拆撐路線，即使是同一最后狀態，但其形成的最終應力場是不一樣的。（3）施工流程與方式的優化。卸載過程的力學分析結果，不但和最后竣工對象本身有關還和拆撐路線有密切關系。選擇適當的路線，會減少結構和臨時支撐的內力和變形，提高安全性能和經濟效益。

1.2 卸載過程施工力學分析的力學基礎——時變力學

傳統的工程設計分析對象為恒定結構物，與經典力學（材料力學、結構力學、彈塑性力學、巖土力學等）相對應。王光遠在其文中提出，施工力學分析在于研究對象隨時間發生變化，其基礎為時變力學[2]。

近幾十年的研究成果顯示，雖然時變力學研究在各方面仍處于起步階段，與經典力學的研究水平相比還落后很多，但我們已經慢慢看到了該學科分支的若干一般性規律和成果。在大跨空間結構卸載施工力學分析中，邊界(及其耦合)時變力學問題解可應用原經典力學方法對時變每個時刻進行常規分析再簡單集合即為時變力學時空解，針對每個時刻，因為一般施工卸載周期大大超過系統自振周期，可不計慣性力效應，仍按靜力進行計算。但是對于卸載過程中存在的幾何非線性問題，由于結構的剛度與應力---應變變化路徑有關，造成不同的力學狀態結果，這即為時變力學的“路效”。路徑問題也表現出過程相關性，需要研究相應的求解方法。

1.3 卸載過程施工力學分析的數學基礎——時變數學

大跨空間結構在卸載過程中的幾何參數（形狀）、邊界參數（邊界坐標）是時間的函數，控制方程為變系數（常、偏）微分方程（組）或時變邊值條件屬時變數學范疇，主要還是通過數值化的方法進行求解。離散方程中的剛度矩陣、質量矩陣等，系數不再為常系數而是時間變量函數。

1.4 卸載過程施工力學分析的數值方法

施工力學分析的數值方法主要包括有限元法、時變單元法、拓撲變化、一般單元法及神經算法等。最常采用的數值方法分析主要是有限元法，這基于有限元法具有域內全離散特點，便于單元集合時采取增減單元辦法來實現解域的時變，但這類方法可能存在運算矩陣奇異問題，而且由于結構形狀、邊界條件不斷變化，因而分析時網格剖分與數據輸入是要不斷重新進行的，給工程人員增加了很大的工作量。時變單元法特點在于解域時變時，其離散網格不變，而是通過單元大小隨時間變異來實現解域時變，因此可克服方程奇異問題，但也存在數值積分的穩定性問題，這可通過采用辛算法等加以解決。拓撲變化法則應用拓撲學原理，用數值手段實現解域隨時間變化，可以不重復求解數值方程得到解域變化的結果，但是要求時變次數不能太多，否則計算效率不高。一般單元法是利用單元增減來實現求解區域的變化，也是存在運算矩陣奇異和網格不斷重新劃分的問題。神經計算法是在施工內力分析中用一套網格進行計算分析，求解區域的變化通過單元物理參數的變化來實現。實際工程數值分析大都采用計算機通用有限元軟件，但目前幾乎所有大型工程計算軟件，都是建立在經典力學基礎上，即未考慮研究對象時變因素，故不能直接應用于施工內力分析。因此通過施工力學、時變力學數值方法研究及建立相應施工力學分析工程軟件，是一個重要與迫切的任務，也是從根本上解決上木工程施工力學實際應用的主要手段。

2 大跨空間結構卸載過程施工力學的研究現狀

曹志遠提出土木工程施工力學分析的研究方向，施工力學分析的基礎為時變力學，對施工力學的基本課題、特征及力學、數學基礎與方法做了較為詳細的論述，最后結合工程實踐說明研究的重要性與發展前景。其研究成果為大跨空間結構卸載過程施工力學分析奠定了一定的基礎。曹志遠等還提出采用超級有限元——有限元耦合法來模擬不同的施工過程；郭彥林、劉學武對大型復雜鋼結構施工過程中表現出的諸多關鍵施工力學問題及其求解思路進行研究，其中包括大跨度鋼結構拆撐過程中的相關問題，作者對千斤頂的模擬，臨時支撐與主體結構脫離、接觸的模擬，以及臨時支撐回彈等問題進行了探討，可以說對大跨空間鋼結構施工卸載過程進行了較為深入的剖析。郭彥林、劉學武在考慮結構時變以及耦合幾何非線性因素后，剖析了單元生死技術模擬施工過程的基本原理，從數學和物理上揭示了單元“殺死”、“漂移”和“激活”的機理。探討了施工過程模擬的分步建模技術。對單元生死技術和分步建模技術的計算模型和精度進行了對比研究，分析研究表明，該方法用于施工過程分析是可行的；崔曉強、郭彥林對大跨度復雜鋼結構安裝過程中需要解決的力學及技術問題進行分類并論述其重要性及解決方法，開發了適用于大跨度鋼結構施工過程分析的有限元方法和程序，可以建立在一些大型通用的有限元平臺上，分析中考慮了結構施工步驟、施工荷載、支撐條件變化，拆撐過程等的影響，對結構施工進行全過程的跟蹤模擬分析；崔曉強、高振峰、李子旭等對大型復雜臨時支撐簡化進行了研究，使得大規模永久結構和臨時結構的計算能夠得到簡化；趙啟林、卓家壽研究了利用神經算法進行矩陣運算的基本原理，探討了在施工力學中應用神經算法的可行性。引入虛、實單元的概念，在整個施工力學分析過程中保持有限元網格不變，通過物理參數的變化反映求解區域的變化，可以提高施工力學中多重分析的計算效率。饒曉文、李鴻晶、伍小平分析卸載過程施工內力計算所面臨的困難和相關研究現狀，探討臨時支撐卸載的非線性時變力學過程和目前常用的兩種有限元分析模型，并在此基礎上提出了適用于卸載過程分析的位移荷載時變模型。以多跨連續梁為研究對象，對多個臨時支撐的卸載過程進行研究，考慮卸載的非線性和時變性，假定各種不同的卸載次序，分析和比較不同的卸載次序對結構和臨時支撐施工內力的影響，探討其中的規律并提出了一些相對合理、可供參考的卸載次序和原則；伍小平、高振峰、李子旭等通過多次計算分析，最終確立了國家大劇院的卸載技術路線，并對該卸載路線進行了分析研究，實踐證明該方案是可行的；騰念管對上海新國際博覽中心空間鋼桁架施工方案進行研究，介紹了該工程施工中采用的拼裝單元劃分、支撐點設置和支架卸落等方面的施工方法，給出了選用這些方法的理論依據；陳國棟應用ANSYS軟件對廣州市新體育館主場館鋼屋蓋結構進行了安裝過程的動態跟蹤分析，優化吊裝和拆撐方案，為安裝提供理論依據；承宇針對南京奧體中心體育場鋼屋蓋安裝的特點，結合施工現場情況，選擇合理、可靠的支撐胎架體系，并分析、優化胎架形式，布置方案及卸載方案等；王伯成利用ANSYS程序，詳細分析了網架結構分段施工的安全性，并確定網架結構在臨時支架拆除時的安全狀況；田黎敏、郝際平等采用施工力學方法對三個大跨度復雜鋼結構工程進行施工過程跟蹤模擬分析，并在此基礎上給出一些關于大跨度復雜鋼結構施工的建議和意見[1,3-16]。

從以上文獻可以看出，對大跨空間結構臨時支撐卸載的研究主要還是集中在施工方法、技術的探討上，對卸載階段的力學過程研究還不夠深入，用于模擬分析的模型還較為粗糙，相應的軟件在這一塊的分析能力還有待完善。工程技術人員雖然也能將實際工程利用有限元軟件建模，計算臨時支撐和永久結構的內力反應并跟蹤、監控整個施工過程，但是應該說整個模擬分析過程還缺乏理論體系的指導，分析結果還存在一定的誤差。

3 大跨空間結構卸載過程施工力學研究展望

相關工程技術研究人員對大跨空間結構卸載過程施工力學分析已進行了初步研究，但在很多方面還需要進一步開展工作。

（1）臨時支撐是柔性的，對于永久結構來說卸載過程中支撐點位置下降，支撐反力減小，但是對于支撐體系來說，由于永久結構對支撐點的反力減小，該支撐點的位置又會有所回彈，這一過程中涉及到永久結構、支撐體系及二者的聯系橋梁—千斤頂的耦合分析，受力比較復雜，還有待深入研究和探討。

（2）針對大跨空間卸載過程施工力學分析，目前的研究和有限元模擬，有時會將空間結構簡化為平面結構進行分析，平面結構的卸載問題相對簡單一些，它與空間結構的卸載過程有何不同？這樣的簡化對計算的精度有多大影響？因此對于空間結構的卸載問題還需要進一步研究。

（3）一般來說，實際的大跨空間結構各臨時支撐桿件間是存在側向連接的，在卸載過程中如何考慮這一因素對上部永久結構和臨時支撐施工內力的影響，需要進一步探討。

（4）研究當前支撐點位置如何變化，將使得永久結構(如大跨度空間網殼結構)與臨時結構(支撐體系)的受力狀態始終最優，這里涉及到一個最優標準問題，這個問題比較復雜。一般而言，在卸載過程中，必須始終保證永久結構與臨時結構內力的轉換要相對平順，位移協調等等，這些都是定性的，如何能提出一個比較定量的指標，需要進一步探討和研究。

（5）一些商業有限元軟件中已經涵蓋了施工力學問題分析的模塊，但是這些軟件未對該部分的理論基礎，算法原理和流程做明確說明，其分析結果的可靠性、計算精度以及適用范圍也有待考究，且在實際施工力學問題的解決中通常需要在其平臺上進行改進，這對工程技術人員來說也是一項復雜且耗費很多精力和時間的任務。如何能使得通用軟件中有更多便于操作的模塊，可以專門應用于大跨空間卸載過程施工力學分析，需要進一步研究和開發。

[1] 曹志遠.土木工程分析的施工力學和時變力學基礎[J].土木工程學報,2001,34(3): 41-46.

[2] 王光遠.論時變結構力學[J].土木工程學報,2000,33(6): 105-108.

[3] 曹志遠.空間結構分析的超級有限元法[J].空間結構,1995, 1(1): 24-28.

[4] 郭彥林,劉學武.大型復雜鋼結構施工力學問題及分析方法[J].工業建筑,2007,37(9): 1-8.

[5] 郭彥林,劉學武.鋼結構施工力學狀態非線性分析方法[J].工程力學, 2008, 25(10): 19-24.

[6] 崔曉強,郭彥林,葉可明. 大跨度鋼結構施工過程的結構分析方法研究[J].工程力學,2006, 23(5): 83-88.

[7] 崔曉強,高振峰,李子旭,等.大型復雜臨時支撐簡化分析方法[J].空間結構,2005,11(1): 45-50.

[8] 趙啟林,卓家壽. 神經算法在施工力學中的應用[J].計算力學學報,2001,18(1): 108-110.

[9] 饒曉文,李鴻晶,伍小平.大跨空間結構臨時支撐卸載的施工內力分析及非線性時變模型的探討[J].四川建筑科學研究,2013, 39(3):361-367.

[10] 饒曉文,李鴻晶,伍小平.大跨空間結構施工臨時支撐卸載次序研究[J].施工技術,2014, 43(11):122-126.

[11] 伍小平,高振峰,李子旭.國家大劇院鋼殼體施工全過程模擬分析[J]. 建筑結構, 2005,26(5): 40-45.

[12] 滕念管,黃靖宇,吳欣之,等. 上海新國際博覽中心空間鋼桁架施工技術[J]. 鋼結構, 2005,17(2): 20-22.

[13] 陳國棟,郭彥林,葉浩文,等. 廣州市新體育館吊裝及拆撐過程動態分析[J]. 建筑施工,2002,17(2):13-18.

[14] 承宇.南京奧體中心主體育場鋼屋蓋安裝關鍵性技術研究[D].南京:東南大學,2004.

[15] 王伯承.大跨度鋼網架結構分段吊裝技術的研究與應用[D].重慶:重慶大學,2004.

[16] 田黎敏,郝際平,鄭江,等. 大跨度復雜鋼結構施工力學模擬的研究與應用[J].西安建筑科技大學學報,2012,44(3): 324-330.

Research on status and prospect of unloading construction mechanics of long-span spatial structures

Clear of research significance of unloading process in construction of long-span spatial structures, the mechanical basis, mathematical basis and numerical methods are discussed in detail. Study on the current situation of unloading construction mechanics of long-span spatial structures, provide a reference for the further research direction and development trend.

steel structures; long-span spatial structures; unloading; temporary supports; construction mechanics

TU393.3;TU745.2

A

1008-1151(2015)03-0056-03

2015-02-10

廣西高校科學技術研究項目（2013LX188）。

饒曉文（1982－），女，廣西機電職業技術學院副教授，從事空間結構研究。