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大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑施工力學(xué)問(wèn)題及分析方法
[摘要]鋼結(jié)構(gòu)在自重以及承重的結(jié)構(gòu)上，由于恒荷載作用從而產(chǎn)生內(nèi)力和形變，在與其他荷載效應(yīng)組合的過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。施工力學(xué)主要為幾何時(shí)變、材料時(shí)變和邊界時(shí)變。本文進(jìn)行分析與研究，以減少幾何、材料和邊界時(shí)變。
[關(guān)鍵詞]鋼結(jié)構(gòu);分析;力學(xué)
近年來(lái)，許多的大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)運(yùn)而生，如國(guó)家體育場(chǎng)“鳥(niǎo)巢”、國(guó)家大劇院、CCTV新臺(tái)址主樓等建筑，均屬于大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑。這些大型鋼結(jié)構(gòu)建筑，在施工過(guò)程中，其結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化的過(guò)程，十分復(fù)雜，施工的“路徑”以及“時(shí)間”效應(yīng)，在建筑完成時(shí)的受力狀態(tài)，以及幾何形態(tài)的影響是十分明顯。
一、施工力學(xué)問(wèn)題簡(jiǎn)述
大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑在施工過(guò)程中，施工人員很少對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行分析。實(shí)際上鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的自重、裝飾承載以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)等恒荷載，在施工過(guò)程中逐漸施加在建筑的結(jié)構(gòu)上，在施工結(jié)束時(shí)的恒荷載作用下，容易產(chǎn)生內(nèi)力變形，是由于施工過(guò)程依次累加形成的，這種恒荷載的大小與分布的規(guī)律，與施工“路徑”與“時(shí)間”有密切的聯(lián)系。所以在施工“路徑”與“時(shí)間”效應(yīng)下，其引起的內(nèi)力以及變形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較大時(shí)，尤其是那些大型的復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)建筑，容易引起十分嚴(yán)重的安全問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的時(shí)變、邊界的時(shí)變以及材料的時(shí)變，當(dāng)這些時(shí)變劇烈時(shí)，會(huì)引起結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的喪失，破壞建筑的結(jié)構(gòu)，甚至造成建筑坍塌事件。鋼結(jié)構(gòu)建筑施工過(guò)程中，整個(gè)結(jié)構(gòu)的鋼度、幾何形態(tài)、邊界、荷載等條件的形成，是依據(jù)先后的順序產(chǎn)生的，恒荷載隨著建筑成長(zhǎng)形成的，在這個(gè)過(guò)程中，“路徑”和“時(shí)間”效應(yīng)是影響施工與使用階段受力性能的重要因素。隨著我國(guó)許多的大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑的出現(xiàn)，這些建筑在施工過(guò)程中出現(xiàn)了許多新的亟待解決的力學(xué)問(wèn)題，這些問(wèn)題通過(guò)目前現(xiàn)有的方法無(wú)法得到有效解決，在理論上屬于學(xué)科前沿的問(wèn)題，在應(yīng)用的過(guò)程中，隨著工程技術(shù)的發(fā)展，是我國(guó)科技發(fā)展的一個(gè)重要研究方向。
二、施工力學(xué)分析及解決策略
2.1結(jié)構(gòu)施工跟蹤分析
大型建筑物的建筑過(guò)程，是動(dòng)態(tài)的，在這個(gè)過(guò)程中，建筑依次生成，材料依序成型，荷載也逐漸增強(qiáng)，邊界漸漸形成。竣工后，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形，是建筑物在施工過(guò)程中依次累加的結(jié)果，通過(guò)“路徑”與“時(shí)間”的效應(yīng)，相互之間產(chǎn)生密切關(guān)聯(lián)。在這個(gè)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)不斷變化，除了構(gòu)件以外，還需要安裝一些需要被拆除的臨時(shí)撐，隨著時(shí)間的推移，受力不斷增加或縮減，力學(xué)需要不斷的拓展，求解區(qū)域修改結(jié)構(gòu)的剛度矩陣。
2.2施工變形預(yù)調(diào)值
一些大型的傾斜高層鋼結(jié)構(gòu)建筑，或者是大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑，在施工過(guò)程中采用臨時(shí)支撐的方法，最大難題是在施工推進(jìn)過(guò)程中，已裝的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，這對(duì)于新裝構(gòu)件的安裝位置產(chǎn)生一定影響。為了在工程結(jié)束時(shí)結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)位形，在施工中各個(gè)構(gòu)件要在特定的位形上完成安裝，這些特定位置在施工之前是未知的，與設(shè)計(jì)位形有所不同。在對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行安裝與施工前要對(duì)位形進(jìn)行預(yù)測(cè)與預(yù)調(diào)，確定各個(gè)構(gòu)件的安裝位置，使鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝完成后能滿足目標(biāo)位形。
2.3大跨度鋼結(jié)構(gòu)拆撐
大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑，在施工中需要搭架臨時(shí)支撐，通過(guò)高空組裝或直接高空散裝的施工方式來(lái)完成，這些安裝技術(shù)的應(yīng)用，能減少安裝主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，增強(qiáng)安全性能。但是這種施工技術(shù)給施工與設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的難題，設(shè)計(jì)中需要考慮到臨時(shí)支撐、拆撐方案以及拆撐過(guò)程的設(shè)計(jì)，還要考慮到這些支撐帶來(lái)的主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的變化。通過(guò)對(duì)這些因素的合理設(shè)計(jì)，進(jìn)行全程模擬來(lái)確定內(nèi)力與變形的發(fā)展變化，確定最優(yōu)的臨時(shí)支撐設(shè)計(jì)方案與拆除方案，這是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)狀態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，為了保障拆撐的合理與主體結(jié)構(gòu)的安全性能，其中設(shè)計(jì)合理的拆撐方案十分重要。制定合理的拆撐方式、拆撐點(diǎn)以及拆撐順序，在拆撐施工中要保證主體結(jié)構(gòu)與臨時(shí)支撐內(nèi)力和位移的變化在緩慢的過(guò)程中進(jìn)行，完成平穩(wěn)過(guò)渡，拆撐主體與臨時(shí)支撐內(nèi)力與位移變化，要掌握在一定的幅度內(nèi)，使主體結(jié)構(gòu)不致于遭到破壞或失衡，在拆撐施工上，要分段進(jìn)行施工，分步拆撐，以保證主體結(jié)構(gòu)受力均勻，受力轉(zhuǎn)變緩慢，從而達(dá)到預(yù)定變形值。對(duì)大跨度結(jié)構(gòu)拆撐與鋼結(jié)構(gòu)吊裝可動(dòng)體系的施工力學(xué)，通過(guò)拆撐過(guò)程數(shù)值模擬方法千斤頂單元法，即將一個(gè)桿單元與一個(gè)梁?jiǎn)尾⒙?lián)起來(lái)，對(duì)拆撐過(guò)程進(jìn)行模擬，在千斤頂?shù)亩它c(diǎn)與主體結(jié)構(gòu)相連的節(jié)點(diǎn)間，設(shè)置一個(gè)兩節(jié)點(diǎn)間隙單元，將千斤頂單元與間隙單元串連起來(lái)，進(jìn)行拆撐過(guò)程的模擬。
2.4鋼結(jié)構(gòu)吊裝平衡
近年來(lái)，一些大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工項(xiàng)目，在施工過(guò)程中出現(xiàn)了許多結(jié)構(gòu)構(gòu)件的吊裝施工，構(gòu)件在吊裝過(guò)程中，其受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)分析中的數(shù)值不完全相同，構(gòu)件在施工過(guò)程中，吊裝中空間姿態(tài)的可調(diào)整性較差，所以構(gòu)件的精確性與安全性能十分重要，對(duì)吊裝過(guò)程進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)，確定合理的吊裝方案，對(duì)施工具有重要意義。結(jié)構(gòu)的吊裝方式大多采用索一滑輪裝置進(jìn)行，在吊裝過(guò)程中形成一整套的吊裝體系，吊裝體系由吊索、滑輪結(jié)構(gòu)組成，其力學(xué)特征包括剛體運(yùn)動(dòng)、索非線性、彈性變形與滑輪間的可滑移等。容易出現(xiàn)的問(wèn)題是吊點(diǎn)位置的確定與吊體的空間姿態(tài)，吊索的長(zhǎng)度索力，吊索的長(zhǎng)度確定與空間姿態(tài)的要求，吊結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度以及穩(wěn)定性驗(yàn)算等。其中被吊結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)是最不穩(wěn)定的，吊裝分析的關(guān)鍵點(diǎn)是吊裝平衡狀態(tài)的確定，而鋼結(jié)構(gòu)吊裝還存在高空拼裝和穩(wěn)定性試算等問(wèn)題。這些問(wèn)題，目前還沒(méi)有形成有效的簡(jiǎn)便的計(jì)算方式，也沒(méi)有形成精確且合理的計(jì)算模型，隨著科技的不斷進(jìn)步，人類施工技術(shù)的不斷發(fā)展，這些問(wèn)題都會(huì)逐漸得到解決。
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