多高層鋼結構若干施工力學問題研究

文/賈延玲、魯紹寧、韓蕾 山東凱文科技職業學院 山東濟南 250200

1、前言

隨著工程技術和經濟的發展，高層鋼結構，其施工期間和施工的復雜性也在增加。不斷增長的同時，建筑事故，由于沒有考慮施工過程設計中各種因素對結構內力的影響最終導致占相當大的比例。分析結構與傳統結構設計(只有在使用階段的結構在不同負載情況下機器組合效應分析)是不夠的。恒定負載的實際重量的結構施工與施工步驟的過程中逐漸推進結構，當它在固定負載下完成施工步驟產生的內力和變形積累的影響，反過來，它的大小和分布及施工過程的“路徑”和“時間”效應有密切相關性。因此，高層鋼結構施工過程力學問題，分析尤為重要。

2、施工過程分析及其理論基礎

施工過程中結構的受力特點是，整個結構的幾何形態、剛度及其荷載和邊界條件按一定的次序先后形成，建造過程中已裝結構上所承受的荷載，不可能在未裝結構上產生影響，已裝結構相對于新裝結構來講具有某種初變形和初內力，而后裝結構將影響已有結構的受力狀態，新裝構件和新加荷載一旦形成，結構的受力狀態將隨之改變。整個施工過程需經歷一系列準結構狀態才能達到竣工狀態，期間結構的受力狀態與時間(施工步驟)在某種程度上表現出了一定的非線性關系，稱之為狀態非線性。施工過程跟蹤分析的難點主要是：

1)結構時變的模擬施工過程中的結構在不斷變化，除了構件的安裝還可能有構件(臨時支撐)被拆除，分析對象的求解區域隨時間的推進不斷地增加或縮減，即使求解區域沒有變化，結構的受力性能也可能發生較大的改變(柔性結構的張拉)。

2)材料時變的模擬施工過程中鋼材的性能基本不會變化，而對于混凝土等時間依存性材料，其性能在不斷地變化，表現出了較強的非線性。

3)邊界條件時變的模擬施工過程中結構的邊界條件經常會發生變化。對于大跨度結構，在施工的初始階段釋放掉某些自由度(拱腳水平位移)，在施工的后續階段或成型后再施加約束，可減少拱腳支撐結構的內力。對于采用臨時支撐進行施工的結構，隨著支撐的拆除，結構的邊界條件不斷變化。

3、計算模型

設計的計算模型是將荷載一次性地加到結構最終的幾何模型圖上，而施工力學分析的計算模型是根據實際施工過程，隨著結構幾何模型的變化而不斷變化。同時，結構的自重荷載也是逐步施加，并且只作用于已施工完成的結構上，對上部未建結構的內力沒有影響。

高層鋼結構的施工力學分析中結構所承受的豎向荷載主要是自重荷載和施工荷載。由于在施工期間遭遇大自然災害的概率較小，所以風荷載可以考慮取為常遇荷載。與此同時，考慮溫度荷載作用，并可以不考慮地震的作用。高層鋼結構的施工與安裝，無論采用何種施工方案及措施，施工及安裝完成后的結構必須滿足2個條件：①結構位形滿足目標位形(設計位形)的要求；②鎖定在結構內部的裝配內力與其它荷載的組合需滿足結構的承載力要求。因此，對大型復雜鋼結構工程進行施工全過程跟蹤模擬分析，計算結構在成型過程中變形和內力的變化和發展狀況，可以正確地評價施工方案對結構安全的影響。

編制有限元軟件時，可采用分層法，跟蹤模擬高層鋼結構施工的整個過程。分層法的核心內容就是，用靜態結構設計方法模擬動態的施工過程，只對結構每增加一層時，不同的結構形態，不同的邊界條件，進行非線性增量法迭代分析。雖然這種方法比較粗略，但是從計算量和實際工程應用考慮，已經完全達到工程計算精度要求。

對于支座條件，完全剛接和完全鉸接的情況都是不存在的，半剛性節點可用兩端帶彈簧的單元進行模擬。對于兩個單元節點有偏心的情況，可采用帶剛臂的單元進行模擬。

4、施工變形預調值的確定

對于傾斜高層鋼結構的施工，最大的難題是隨著施工步的推進，已裝結構在不斷地變形，對新裝構件的安裝位形有較大的影響。為使竣工時的結構能夠達到期望的目標位形，施工過程中各構件須在一系列特定的位形上進行加工和安裝，而這些特定的位形是未知的，且與目標位形存在一定的差別。因此必須對結構構件的安裝位形進行預測和預調，找到各階段構件的安裝位形，確定構件合理正確的加工尺寸和安裝坐標，從而使得安裝完成后，結構的位形滿足目標位形。

鋼結構施工的變形預調值包括構件的加工預調值和安裝預調值。構件的加工預調值等于構件的加工長度與設計長度的差值，用來補償施工過程中構件的軸向壓縮或拉伸所產生的變形，其大小取決于竣工時構件的軸向應力水平。構件的安裝預調值等于構件節點的安裝坐標與設計坐標的差值，用來補償施工過程中構件節點所產生的位移，其大小取決于竣工時節點相對安裝位置的位移。

對于大型復雜鋼結構建筑，結構在竣工完成后要滿足兩個基本條件：一是變形不超限；二是鎖定結構的內力在一定范圍內。設計人員需要了解結構的成型過程及其分析方法，需要時可以根據其結構受力要求提出特定的施工方案，且對施工過程及方案進行分析及評價；同時施工技術人員需要了解結構和建筑設計師的設計意圖，也需要研究施工過程中結構內力和變形的發展及變化情況，以保證施工過程中結構的安全性和可靠性，并且使得竣工時，結構的受力狀態滿足設計要求。

結語：

高層鋼結構施工過程顯示許多機械問題及其解決方案和分析方法進行了討論。首先闡述了機械的施工過程仿真分析基礎上，然后鎖在施工的內力和變形分析方法、結構等建設方面確定預設值的概念和方法進行了分析。提出的概念分層的方法，為進一步研究不僅可以促進建筑力學的發展，和高層鋼結構的施工技術有著重要的作用。