大型復雜鋼結構建筑施工力學問題及分析方法

張立柱

摘 要：由鋼制材料組成的建筑結構，因其獨特的材料特點與恒荷載作用，易產生建筑內力及形變。在自重和承重方面來看，鋼結構在與其它荷載效應組合的過程中，這種內力及形變會導致建筑承載著較高的安全風險。幾何時變、材料時變和邊界時變是鋼結構在施工力學中存在的主要問題。本文通過對以上問題的研究與分析提出了解決方法，減少時變，降低安全風險。

關鍵詞：鋼結構；建筑施工；力學；結構問題；結構分析

1 引言

鋼結構在實際建筑建設使用中，設計、施工及經濟方面都比其它建設具有顯著的優勢。因此，越來越多的大型建筑都開始運用鋼結構進行搭建。大型復雜鋼結構在施工時的結構內力變化不是一個簡單的過程，施工時采取的路徑以及各項目施工的時間，對建筑完成后的影響十分明顯。這種影響體現在建筑外部的幾何形態和內部受力狀態上，因此，施工力學問題是大型復雜鋼結構建筑施工中重要的一項。

2 鋼結構建筑施工力學問題簡述

我國現代建筑多以混凝土結構為主，因此從事施工的施工人員對大型復雜鋼結構的建筑施工比較生疏，很少有施工人員會在施工過程中對結構的受力性能進行分析。而在施工過程中，鋼結構在建筑中的自身重量、作為裝飾的承載以及作為圍護結構等的恒荷載，都會逐步隨著這個過程施加至建筑。建筑施工完成后，在這些恒荷載的作用下，鋼結構容易因施工時累加而形成的內力變形。

施工時采取的路徑與各項目施工時間，密切影響著恒荷載的大小與分布規律。在這樣的施工效應下，若是過程中引起的內力或是形變對鋼結構的影響較大，極易引發大型復雜鋼結構建筑的安全問題。這些影響可能會導致鋼結構的特性、邊界、材料隨著時間的推移而發生性質上的變化，當時變的變動達到一定程度，鋼結構的穩定性會發生變化。一旦鋼結構喪失了其穩定性，建筑的原有結構就會被破壞，甚至會造成建筑坍塌。

鋼結構具有結構與施工“路徑”密切關聯的特性，即在建筑的施工過程中，會依據先后的順序產生剛度、幾何形態、邊界、荷載等條件。荷載又是隨著建筑的搭建而逐步形成的，在形成過程中，施工的路徑和各部分施工的時間都在每一步的工作中影響著階段受力性能的使用。由于鋼結構具有其它建設無法超越的優勢，我國大型復雜鋼結構在建筑中的使用越來越廣泛，此類施工也在逐步增多，在施工過程中出現的力學問題，成為了急需解決的重要問題。然而現階段，大型復雜鋼結構建筑施工力學問題暫時屬于建筑學科的前沿發展問題，以目前研究來說無法得到徹底有效的解決。在大型復雜鋼結構建筑逐步落實應用的過程中，力學問題的解決成為了工程施工發展的一個重要方向。

3 鋼結構建筑施工力學問題分析

3.1 結構施工跟蹤分析

所有大型建筑物的建筑過程都是一個動態過程，大型復雜鋼結構建筑也不例外。在這個動態過程中，材料依照設計堆砌，荷載隨之加強，建筑逐漸落成，邊界也逐漸成型。在建筑完成后，鋼結構內部的力量與變形，都是在施工過程中一步步累加形成的，建筑過程中每一部分的完工時間、每一個步驟的先后順序，都對結果產生著不可逆的影響。

3.2 施工變形預調值分析

在大型建筑物的建筑中，如大跨度的鋼結構建筑，常常需要將搭建的每一部分組合為最終建筑物，或是在建筑時大跨度進行施工，這種施工過程需采用臨時支撐的方式進行搭建。在鋼結構的安裝過程中，臨時支撐能夠承載鋼結構在施工過程中產生的荷載和鋼結構的自重，但是最大的難題也因此出現：在逐步施工過程中，已經搭建的結構可能會由于各種原因產生不可預料的變形，對下一步需要搭建構件的安裝位置產生或大或小的影響。

3.3 大跨度鋼結構拆撐分析

大跨度鋼結構建筑的搭建需由局部到整體，在整個結構尚未成型之前，搭建的局部無法靠自身已搭建的部分維持穩定。因此在大跨度鋼結構建筑中，臨時支撐成為了施工過程中重要的一部分。臨時支撐的搭架需要通過高空組裝或是直接高空散裝的施工方式來完成，它可以使搭建的大跨度鋼結構建筑局部維持穩定，減少其內力和變形。但是臨時支撐也存在著弊端，即在施工過程中，施工人員需規劃考慮臨時支撐的搭建方案、拆撐方案、拆撐過程；同時還需預測、計算好臨時支撐的搭建和拆除給建筑主體的內力、形變帶來的重大影響。

3.4 鋼結構吊裝平衡分析

除了臨時支撐，吊裝施工也是大型復雜鋼結構施工中常用的施工方式。吊裝施工用起重設備將施工時所需的結構構件吊起并安裝固定至設計位置，在這個過程中，構件的受力狀態在可預測范圍內，但無法與設計分析中的數值完全相同。在吊裝施工過程中，構件的空間姿態無法準確控制。

4 鋼結構建筑施工力學問題分析解決

4.1 結構施工跟蹤問題

經分析，在大型復雜放結構建筑施工過程中，鋼結構的力學狀態是不斷變化的，因此除了構件安裝設計需精確之外，還需要安裝一些用過后可被拆除的臨時支撐。隨著施工方向的不斷拓展，鋼結構的受力也不斷的增加或是縮減，因此力學分析也需要跟隨這個變化進行深層次設計，計算出能夠區域性修改剛結構的剛度矩陣。及時對施工進度及鋼結構建筑狀態進行跟蹤，使用合適的方式解決每一步搭建的力學問題。

4.2 施工變形預調值問題

使用臨時支撐進行施工時，不能影響建筑搭建結束時的預期目標位形。為了達到這樣的目標，施工時各個構件必須要在設計好的特定位置和形態上完成安裝。大型復雜鋼結構建筑施工中，已搭建的建筑因內力等原因會與原設計產生不同，這些特定位形也應隨著施工進度而調整，或許與最初的設計位形有所差異。每一個結構構架安裝前，都應有施工人員對其位形進行預測和預調，確保構件安裝位置的準確度，保證構件安裝后鋼結構能夠完成目標位形。

4.3 大跨度鋼結構拆撐問題

在大型復雜鋼結構建筑施工中，考慮到臨時支撐給主體鋼結構帶來的內力和形變的變化，應將變化因素進行合理修改設計，預想所有內力與變形的發展變化并進行全程模擬，從而確定最合適的臨時支撐使用方案。臨時支撐的使用是涉及到施工多方面的復雜力學狀態轉變過程，在使用過程中，需要保證臨時支撐的架構拆除的合理性及主體結構的安全性。因此，合理拆撐方案的設計是達成施工目標的保障。

拆撐過程不可追求施工速度，應緩慢進行從而平穩的完成主體鋼結構與臨時支撐內力和位移的過度，這就要求施工前需制定合理的拆撐點、順序和方式。要保證拆撐的穩定性，不對主體鋼結構造成破壞或使其失衡；在拆撐步驟上，要采取分段進行的方式，每一步都保證主體結構內力及位移的緩慢轉換，使其均勻受力，從而將變形控制在預定范圍之內。

4.4 鋼結構吊裝平衡問題

構件在吊裝過程中姿態較為難控，這就要求構件的安全性和精確性。吊裝前，施工人員需對吊裝過程做出預測，對所有預測結果進行分析，由此選擇最優的吊裝方案。一般大型復雜鋼結構建筑的施工中，吊裝方式常常采用一套吊裝體系來進行，包括吊索和滑輪結構。在這樣的吊裝體系中，吊體的空間姿態、吊機構剛度、強度及穩定性驗算都是容易出現問題的地方。在吊裝過程中，還存在著一些暫時沒有簡便計算方式或是計算模型的問題，如高空拼裝的穩定性試算，但是隨著工程技術的不斷進步，這些問題會逐步擁有最優解。

5 結束語

大型復雜鋼結構建筑施工過程中，力學的變化非常復雜。通過對施工過程的分析，本文總結出施工過程中常見的力學問題有結構施工跟蹤、施工變形預調、大跨度鋼結構拆撐和鋼結構吊裝平衡等問題，并提出了相應的解決方案。

參考文獻：

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