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大型復雜鋼結(jié)構(gòu)建筑施工力學問題及分析方法
[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)組合的過程中，會導致較高的安全風險。施工力學主要為幾何時變、材料時變和邊界時變。本文進行分析與研究，以減少幾何、材料和邊界時變。
[關(guān)鍵詞]鋼結(jié)構(gòu);分析;力學
近年來，許多的大型復雜鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)運而生，如國家體育場“鳥巢”、國家大劇院、CCTV新臺址主樓等建筑，均屬于大型復雜鋼結(jié)構(gòu)建筑。這些大型鋼結(jié)構(gòu)建筑，在施工過程中，其結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化的過程，十分復雜，施工的“路徑”以及“時間”效應(yīng)，在建筑完成時的受力狀態(tài)，以及幾何形態(tài)的影響是十分明顯。
一、施工力學問題簡述
大型復雜鋼結(jié)構(gòu)建筑在施工過程中，施工人員很少對結(jié)構(gòu)的受力性能進行分析。實際上鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的自重、裝飾承載以及圍護結(jié)構(gòu)等恒荷載，在施工過程中逐漸施加在建筑的結(jié)構(gòu)上，在施工結(jié)束時的恒荷載作用下，容易產(chǎn)生內(nèi)力變形，是由于施工過程依次累加形成的，這種恒荷載的大小與分布的規(guī)律，與施工“路徑”與“時間”有密切的聯(lián)系。所以在施工“路徑”與“時間”效應(yīng)下，其引起的內(nèi)力以及變形對結(jié)構(gòu)的影響較大時，尤其是那些大型的復雜的鋼結(jié)構(gòu)建筑，容易引起十分嚴重的安全問題，會導致結(jié)構(gòu)的時變、邊界的時變以及材料的時變，當這些時變劇烈時，會引起結(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)建筑施工過程中，整個結(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形成的，在這個過程中，“路徑”和“時間”效應(yīng)是影響施工與使用階段受力性能的重要因素。隨著我國許多的大型復雜鋼結(jié)構(gòu)建筑的出現(xiàn)，這些建筑在施工過程中出現(xiàn)了許多新的亟待解決的力學問題，這些問題通過目前現(xiàn)有的方法無法得到有效解決，在理論上屬于學科前沿的問題，在應(yīng)用的過程中，隨著工程技術(shù)的發(fā)展，是我國科技發(fā)展的一個重要研究方向。
二、施工力學分析及解決策略
2.1結(jié)構(gòu)施工跟蹤分析
大型建筑物的建筑過程，是動態(tài)的，在這個過程中，建筑依次生成，材料依序成型，荷載也逐漸增強，邊界漸漸形成。竣工后，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形，是建筑物在施工過程中依次累加的結(jié)果，通過“路徑”與“時間”的效應(yīng)，相互之間產(chǎn)生密切關(guān)聯(lián)。在這個過程中，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撐，隨著時間的推移，受力不斷增加或縮減，力學需要不斷的拓展，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，在施工過程中采用臨時支撐的方法，最大難題是在施工推進過程中，已裝的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，這對于新裝構(gòu)件的安裝位置產(chǎn)生一定影響。為了在工程結(jié)束時結(jié)構(gòu)達到預(yù)期目標位形，在施工中各個構(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)計位形有所不同。在對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行安裝與施工前要對位形進行預(yù)測與預(yù)調(diào)，確定各個構(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支撐，通過高空組裝或直接高空散裝的施工方式來完成，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，增強安全性能。但是這種施工技術(shù)給施工與設(shè)計帶來了新的難題，設(shè)計中需要考慮到臨時支撐、拆撐方案以及拆撐過程的設(shè)計，還要考慮到這些支撐帶來的主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的變化。通過對這些因素的合理設(shè)計，進行全程模擬來確定內(nèi)力與變形的發(fā)展變化，確定最優(yōu)的臨時支撐設(shè)計方案與拆除方案，這是一個復雜的力學狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程。在這個過程中，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)計合理的拆撐方案十分重要。制定合理的拆撐方式、拆撐點以及拆撐順序，在拆撐施工中要保證主體結(jié)構(gòu)與臨時支撐內(nèi)力和位移的變化在緩慢的過程中進行，完成平穩(wěn)過渡，拆撐主體與臨時支撐內(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，從而達到預(yù)定變形值。對大跨度結(jié)構(gòu)拆撐與鋼結(jié)構(gòu)吊裝可動體系的施工力學，通過拆撐過程數(shù)值模擬方法千斤頂單元法，即將一個桿單元與一個梁單并聯(lián)起來，對拆撐過程進行模擬，在千斤頂?shù)亩它c與主體結(jié)構(gòu)相連的節(jié)點間，設(shè)置一個兩節(jié)點間隙單元，將千斤頂單元與間隙單元串連起來，進行拆撐過程的模擬。
2.4鋼結(jié)構(gòu)吊裝平衡
近年來，一些大型復雜鋼結(jié)構(gòu)施工項目，在施工過程中出現(xiàn)了許多結(jié)構(gòu)構(gòu)件的吊裝施工，構(gòu)件在吊裝過程中，其受力狀態(tài)與設(shè)計分析中的數(shù)值不完全相同，構(gòu)件在施工過程中，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，對吊裝過程進行分析與預(yù)測，確定合理的吊裝方案，對施工具有重要意義。結(jié)構(gòu)的吊裝方式大多采用索一滑輪裝置進行，在吊裝過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，其力學特征包括剛體運動、索非線性、彈性變形與滑輪間的可滑移等。容易出現(xiàn)的問題是吊點位置的確定與吊體的空間姿態(tài)，吊索的長度索力，吊索的長度確定與空間姿態(tài)的要求，吊結(jié)構(gòu)剛度、強度以及穩(wěn)定性驗算等。其中被吊結(jié)構(gòu)的力學狀態(tài)是最不穩(wěn)定的，吊裝分析的關(guān)鍵點是吊裝平衡狀態(tài)的確定，而鋼結(jié)構(gòu)吊裝還存在高空拼裝和穩(wěn)定性試算等問題。這些問題，目前還沒有形成有效的簡便的計算方式，也沒有形成精確且合理的計算模型，隨著科技的不斷進步，人類施工技術(shù)的不斷發(fā)展，這些問題都會逐漸得到解決。
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