大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)探討

陸思杰++劉松濤

摘 要：結(jié)構(gòu)施工學(xué)是時(shí)間的函數(shù)，結(jié)構(gòu)施工的過(guò)程中路徑以及時(shí)間效應(yīng)會(huì)對(duì)所構(gòu)建的結(jié)構(gòu)的受力性能起到較大程度的影響?，F(xiàn)代建設(shè)的大型工程項(xiàng)目通常都要求設(shè)計(jì)人員對(duì)工程項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)施工過(guò)程做出一定的分析，并且要求施工人員對(duì)結(jié)構(gòu)的變形發(fā)展有一定的預(yù)測(cè)以及控制能力，以此來(lái)保證施工過(guò)程中的安全性以及所建結(jié)構(gòu)的實(shí)用性。本文對(duì)大型復(fù)雜剛結(jié)構(gòu)施工力學(xué)進(jìn)行了一定探討。

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

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(guò)程中一步步形成的，并且用來(lái)描述其結(jié)構(gòu)狀態(tài)的物理量是隨時(shí)在變化的。對(duì)施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行理論分析預(yù)測(cè)是十分有必要的，若施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)效應(yīng)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(qiáng)度破壞，呈現(xiàn)較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 施工過(guò)程結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析以及施工方案的選擇

復(fù)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(jì)的過(guò)程中要著重考慮，并且人們通過(guò)實(shí)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(yù)定的施工方案對(duì)結(jié)構(gòu)施工全程進(jìn)行跟蹤分析，要對(duì)施工時(shí)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(jìn)行合理的預(yù)測(cè)，使得建筑能夠在與其他荷載進(jìn)行組合的情況下滿足對(duì)結(jié)構(gòu)的受力要求。

對(duì)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(guò)較長(zhǎng)的時(shí)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(shí)間差所造成的變形差會(huì)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(duì)內(nèi)外筒的施工方案的設(shè)計(jì)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(guò)不同的施工方案來(lái)進(jìn)行建設(shè)，其中不同的施工方案會(huì)影響到施工過(guò)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工過(guò)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(yù)調(diào)值的確定

運(yùn)用無(wú)支撐大跨度鋼結(jié)構(gòu)的建造施工最需要解決的問(wèn)題是隨著施工的進(jìn)行已經(jīng)構(gòu)建的結(jié)構(gòu)會(huì)不斷發(fā)生變形，這就會(huì)對(duì)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(dá)到預(yù)期的目標(biāo)就要求對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安裝位形進(jìn)行預(yù)調(diào)，預(yù)測(cè)并確定構(gòu)件的安裝坐標(biāo)，使得最終結(jié)構(gòu)能夠與預(yù)期相吻合。

鋼結(jié)構(gòu)的變形預(yù)調(diào)值分為加工預(yù)調(diào)值以及安裝預(yù)調(diào)值，其中加工預(yù)調(diào)值是構(gòu)件的加工長(zhǎng)度以及其預(yù)先設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的差值，其大小與完工后構(gòu)件具有的軸向應(yīng)力水平相關(guān)聯(lián)，而安裝預(yù)調(diào)值的大小決定于建筑完成后節(jié)點(diǎn)的安裝位置的位移。變形預(yù)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(jì)算思路需要針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的不同施工設(shè)計(jì)方案來(lái)確定。而在某些大跨度空間結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)預(yù)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(guò)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(yù)應(yīng)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(yīng)當(dāng)滿足設(shè)計(jì)位形的要求，而且結(jié)構(gòu)當(dāng)中的拉索預(yù)應(yīng)力應(yīng)當(dāng)控制在預(yù)先設(shè)計(jì)的數(shù)值范圍之內(nèi)。不同的張拉過(guò)程會(huì)導(dǎo)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(duì)一定位形下的合理預(yù)應(yīng)力的分布模式進(jìn)行探討，要在施工隊(duì)的經(jīng)濟(jì)成本最低的情況下使其取得最佳的施工效果。若對(duì)柔性結(jié)構(gòu)的拉索張拉預(yù)應(yīng)力的預(yù)先設(shè)計(jì)不夠準(zhǔn)確就可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)無(wú)法張拉成為預(yù)期的幾何形狀，也可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)具有的預(yù)應(yīng)力發(fā)布不均勻，使得結(jié)構(gòu)的剛度以及承載力都無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

要對(duì)張拉結(jié)構(gòu)的形態(tài)進(jìn)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(yù)應(yīng)力分布情況對(duì)滿足其內(nèi)部預(yù)應(yīng)力的邊界條件的結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行求解計(jì)算，而找態(tài)分析是根據(jù)結(jié)構(gòu)的形狀對(duì)滿足該形狀的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行求解計(jì)算。

要對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的張拉進(jìn)行合理的模擬可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行虛擬張拉過(guò)程，對(duì)于張拉過(guò)程的力學(xué)分析是使得模擬更加真實(shí)的關(guān)鍵之處。

4 施工時(shí)溫度變化造成的影響

無(wú)論是在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中還是對(duì)結(jié)構(gòu)施工或安裝過(guò)程中都要考慮溫度的變化情況，溫度對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響實(shí)際上是十分重要的。在結(jié)構(gòu)施工或安裝的周期當(dāng)中溫度的變化會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的安裝造成一定程度的變形，這種變形會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件難以安裝或安裝后出現(xiàn)一定程度的裝配應(yīng)力。而溫度的影響主要來(lái)源于日照以及季節(jié)的溫差。要消除溫度對(duì)構(gòu)件安裝時(shí)可能出現(xiàn)的差錯(cuò)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(duì)施工的過(guò)程進(jìn)行一定的預(yù)測(cè)分析。

5 構(gòu)件焊接殘余應(yīng)力分析

由于在焊接過(guò)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(huì)出現(xiàn)受熱膨脹，而由于相鄰鋼材會(huì)對(duì)其產(chǎn)生約束作用，焊件內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)較大的溫度應(yīng)力，部分區(qū)域還會(huì)因此而產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)焊接結(jié)束之后，冷卻后的構(gòu)件內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)十分復(fù)雜的殘余應(yīng)力，這種力是自平衡力系，它會(huì)使構(gòu)件中的一些部位提前進(jìn)入塑性變形的階段，這會(huì)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(huì)導(dǎo)致較為嚴(yán)重的殘余應(yīng)力的出現(xiàn)，這會(huì)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(yīng)力的影響就要采用合理的焊接技術(shù)。

6 結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì)大型復(fù)雜剛結(jié)構(gòu)建筑的施工方案時(shí)，要求設(shè)計(jì)人員對(duì)結(jié)構(gòu)的成型過(guò)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(shí)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及其變形的發(fā)展，以保證施工過(guò)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐建民，沈祖炎.圓形平面軸對(duì)稱索穹頂結(jié)構(gòu)施工過(guò)程跟蹤計(jì)算[J].土木工程學(xué)報(bào)，1998，31（05）：24-32.

[2]陳麗敏，陳思作.基于ANSYS軟件的焊接工字型截面梁殘余應(yīng)力的有限元分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2003，18（02）：45-47.

[3]郭彥林，王永海，劉學(xué)武等.首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)A380機(jī)庫(kù)整體提升一體化建模分析[J].工業(yè)建筑，2007，37（09）：35-40.endprint