土木工程施工技術研究

李婧

【摘 要】目前，由于土木工程施工時間長、工藝復雜，從而在施工過程中施工工序對結構內力存在一定的影響。針對這一特殊情況，文章首次提出根據施工不同階段定義結構形態，并從力學的角度分析施工過程存在殘余應力和殘余變形的必然性，指出了施工工序的不同時其殘余應力和變形的差異，明確了施工力學研究內容及方法，進一步提出對特殊結構進行施工控制的必要性，并根據大量土木工程實踐，提出了解決問題的方法和途徑。

【關鍵詞】土木工程；施工技術；力學應力

【Abstract】At present， due to the long construction time and complicated process of civil engineering， the construction process has a certain influence on the structural internal forces during the construction process. In view of this particular situation， the paper first proposed the definition of structural patterns according to different stages of construction， and analyzed the necessity of residual stress and residual deformation in the construction process from the point of view of mechanics. It pointed out the difference of residual stress and deformation at different time of construction process. The research content and methods of construction mechanics， and further proposed the necessity of construction control for special structures， and based on a large number of civil engineering practices， put forward methods and approaches to solve problems.

【Key words】Civil Engineering；Construction Technology；Mechanical Stress

1. 土木工程施工技術的現狀

1.1 工程控制理論最早應用于軍事工程和航天工程。近幾十年來，隨著現代控制理論、大系統理論、智能化控制的出現，這一理論不僅僅局限于高尖端的技術領域的應用，其已逐步應用到社會、經濟、規劃、管理等社會生活的各個領域。日本是較早將工程控制理論應用到土木工程的國家，特別是應用在地下工程中隧道、盾構以及大跨度橋梁的施工上。利用工程控制理論，主要是對工程中關鍵位結構的應力、撓度等參數進行測試，通過對測試結果的分析，最后返回現場指導施工。

1.2 上世紀90年代，隨著我國大量工程項目的出現，人們越來越意識到施工過程的控制對工程質量、安全的重要作用，提出了對地下工程進行信息化施工、對高層建筑進行施工力學分析、對大跨空間結構尋形分析、對橋梁工程進行施工控制的思想和方法。特別是在橋梁施工的應用方面，較為系統的利用現代控制理論進行施工控制，取得了不少成功的經驗，在地下工程中，盡管沒有引人施工控制概念，但仍是按照工程控制理論的思想指導施工，總結出“理論導向、經驗判斷、嚴密監控、適度反算”的信息化施工理論。在高層建筑的施工中，已經開始考慮混凝土材料的收縮、徐變對施工的影響。

1.3 國外土木工程施工控制技術的研究和應用主要存在以下問題：

（1）理論研究還不能適應工程建設的需要，由于施工控制涉及多個學科領域，特別是非線性分析、反饋分析、最優控制、系統識別、材性分析等。目前既有一般性基礎理論的研究，又有應用性理論的研究，但缺乏系統的集成和有價值的應用。

（2）缺少驗收標準與規范。一些領域對施工控制缺乏概念和思維方式，更無標準可言。也有一些領域有一般性的標準，但對大多的創造第一的工程仍缺少足夠的科研準備。對于施工控制的標準如何提出，不僅涉及到長期發展問題，也涉及到一個可操作性的問題。但有一點就是要對沒有經驗借鑒的工程必須全面貫徹施工控制，避免出現重大決策的錯誤。

（3）管理體制問題。主要存在的問題是多頭管理，管理責任不能落實，缺乏對施工控制的高度重視，對特大型工程前期研究不夠，對工程的解剖不夠細致。要想解決這類問題，唯一的辦法就是實現設計、施工總承包的管理思想，使管理責任明確并得到落實。強調施工單位應采取主動控制，使責、權、利能夠達到系統的統一。

2. 土木工程施工技術的特點

土木工程的施工是一個耗時比較大，操作工藝復雜，環境不斷變化的過程。它不同于設計完成后的受力狀態。因此，有必要要對其發生的不同狀態進行定義。

2.1 基本形態的定義。

2.1.1 結構零狀態：是指建筑物外型的坐標狀態，結構此時未承受任何荷載，其狀態是一種理想結構狀態。

2.1.2 結構初態：是指結構經施工后形成了完整的結構狀態，此時結構已包含了由于施工過程產生的殘余應力以及殘余變形，結構承重，自重和部分施工荷載等。

2.1.3 結構終態：是指工程竣工后的狀態，此時結構包括從結構初態到竣工后產生的殘余應力和變形以及工程竣工時結構的各種自重。

2.1.4 施工狀態：是從工程建造開始，以設計建筑結構的外型為目標，經過每一步施工步序，最終達到工程竣工的過程。由于施工工藝的不同，施工最終在結構初態和結構終態產生的殘余內應力和殘余變形不相同。為了便于分析，將施工狀態的分析稱之為施工力學，它不同于一般的工程靜力學和動力學，其具有其獨特的技術特征。

2.2 施工過程技術特征分析。

施工過程的力學特征與永久受力特征具有很大的區別，設計人員多數是從工程竣工狀態（結構終態）考慮結構體系的受力，對施工過程可能產生的殘余內力和變形往往忽略不計。對于一般的結構體系不考慮施工階段引起的誤差并沒有多少影響。但對一些特殊結構體系，其影響十分顯著，必須引起足夠的重視。

2.2.1 施工過程殘余應力和變形的存在。

如果是鋼結構框架，傳統的設計方法思路，根據受力狀態確定結構的截面，不考慮施工過程可能帶來的影響。

2.2.2 施工過程中邊界條件等外部環境因素變化引起的殘余應力和變形。

（1）除施工過程可以引起殘余應力和變形外，其邊界條件外部環境也都會引起結構殘余應力和變形的存在。例如，外界溫度的變化引起的應力是大跨度結構中不容忽視的。除此之外，邊界條件的變化也可以引起結構的殘余應力和變形，利 用不同狀態的邊界條件變化可以達到降低殘余應力和變形的存在。因此，合理使用工序的變化和邊界條件的變化可以起到降低殘余應力和殘余變形的目的。

（2）實際工程中，由于施工工序的不同或邊界條件變化在結構中會產生內力的變化。結構僅承受重力作用，實際施工是將其分為三個階段。首先施工兩懸臂段，最后施工中間段。為了說明問題，此處僅比較在第三階段施工由于邊界條件變化而產生的影響。

2.2.3 結構內部的單元隨施工變化。

比如索結構預應力的張拉，預應力在其施加張力的同時其原長在縮短，深基坑工程中的預應力鋼支撐，其千斤頂在斷伸長等等。這些單元的變化是目前有限元分析中很難從嚴密的理論來解決的問題，也是理論分析與工程實際誤差的關鍵。

2.2.4 材料的時間依存特征。

混凝土依賴于時間的性質有徐變、收縮、強度、彈模等的變化。土的力學性質具有蠕變和流變性質。這些材料隨時間變化的性質，特別當不同材料、不同混凝土配合比、不同土質條件形式的結構工程其影響更為顯著。

2.2.5 施工工藝多樣性特征與優化由于施工工藝的多樣性，故結構終態構成的內力和變形存在較大的差異，施工僅是工程的完成，還應該使最終控制其殘余變形和內力達到合理的范圍之內。施工過程中由于存在著上述特征，對施工序的分析以及特征的研究，本文稱為施工力學。

2.3 控制理論的技術特征。

2.3.1 施工狀態的分析構成施工控制的基礎，是預測分析的關鍵，而控制理論是一個由測試、分析、反饋、調整構成的控制環，其主要內容有：（1）測試系統；（2）參數識別系統；（3）誤差分析系統；（4）狀態預測系統；（5）綜合調優系統。

2.3.2 施工模擬的程序應盡可能準確，其步驟盡可能要小，這樣才能使理論與實際情況更為接近。但如果完全按實際施工過程模擬其計算分析工作量太大，故應掌握其關鍵工況并與測試、反分析結果相一致。施工控制的主要目的和任務是對施工過程中永久結構和臨時結構的結構（1）形狀控制；（2）應力控制；（3）穩定控制。

3. 結束語

總之，土木工程施工技術在近十年雖然有了飛速發展，但是土木工程施工至今仍以手工操作、半機械作業為主，勞動效率遠低于其它產業部門，還屬于勞動力密集型產業，現代土木工程施工技術的發展方向，除了要有滿足當前土木工程建設需要而與之配套的施工技術，還要向高效率，高質量的方向發展。

參考文獻

[1] 向中富，《橋梁施工控制技術》，人民交通出版社，2001年.

[2] 徐君蘭，《大跨度橋梁施工控制》，人民交通出版社，2000年.

[文章編號]1619-2737（2018）03-01-698