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鋼結構大跨施工力學研究發展現狀與前景
瀏覽次數:280次發布時間:2017-04-20 09:56:57

大跨鋼結構施工過程的復雜性決定了施工力學分析的必要性。我們系統地梳理了施工模擬普遍遇到的難點,以及當前的解決方法,指出了尚需研究的若干問題。

近些年隨著經濟水平的發展,建筑形式呈現出多樣化的發展趨勢,為了追求強烈的建筑效果,以及實現一些特殊的建筑功能,愈來愈多的建筑突破原有模式而日趨復雜,這對結構施工與跟蹤模擬帶來挑戰。在施工過程中,空間結構從無到有、從單根桿件到局部成形再到完整結構,整個體系的形態、荷載、邊界條件不斷變化,呈現出結構時變、材料時變和邊界時變的特性,其“路徑”和“時間”效應直接影響施工階段及使用階段結構的受力性能。

大跨鋼結構施工過程的時變性要求設計者不但要考慮設計結構本身,同時需要研究不同施工階段內力與變形的相互影響,對施工過程中結構及工程介質的分析,形成了與工程建設密切相關的新的工程力學學科分支——施工力學。施工力學是力學理論與土木工程學科相結合的產物,研究的對象為施工過程中不斷變化的結構系統,包括結構內部參數(如幾何形狀、物理特性、邊界狀態等)以及外部參數(如施加的荷載、環境溫度),因此施工力學是以物性為基礎,耦合了時間與空間的多維力學問題。

大跨鋼結構施工分析必要性與目標

隨著經濟的發展,工程建設進一步向大型化、復雜化發展,建成了一批體型復雜的大跨鋼結構或混合結構,如中央電視臺新臺址主樓、西班牙馬德里“歐洲之門”雙斜塔、浦東機場航站樓、國家大劇院、國家體育場鳥巢等。這些復雜建筑的幾何、材料和邊界等條件在施工過程中往往存在著劇烈的變化,竣工時荷載作用下所產生的內力和變形由各施工步效應依次累積而成,其最終的大小與分布規律與實際施工過程密切相關。同時,在結構建造的某些階段,需要增加支持體系與可變結構組成一個共同工作的系統,這時支持系統的支撐與拆卸影響到整個結構的作用效應,因此若不考慮施工過程的影響而采用一次成形的設計方法,就會與實際情況產生差別,對大型復雜結構而言尤為明顯,可能會在施工過程中由于部分結構強度破壞、剛度退化或穩定性失效造成整個結構的坍塌,也可能會使竣工狀態下的結構內力或變形未達到設計狀態的合理要求,而造成較低的安全儲備。

據國家有關部門的不完全統計,在我國有大約三分之二以上的工程結構倒塌事故發生在施工期間,究其原因,設計時未考慮施工過程的復雜性,未進行施工過程分析占了很大比例,傳統的施工方式越來越不能適應建筑結構發展的需要。

時變結構可分為三種工作狀態:快速時變結構力學、慢速時變結構力學、超慢速時變結構力學。施工力學屬于慢速時變力學范疇,可以采用離散時間凍結來近似處理,把施工狀態當作一序列時不變結構進行靜力或動力分析,在每個狀態中不考慮結構的變化來分析結構的強度、剛度和穩定性。

目前,國內外很多學者對建筑結構施工力學問題進行了大量研究,初步確立了施工力學分析的總體目標:一、對施工各階段的內力、變形予以跟蹤分析,保證結構施工階段的承載力與穩定性。二、將考慮施工過程的成型狀態和設計狀態的內力與變形進行對比分析,評估施工過程對結構最終狀態的影響,優化施工方案,保證結構在使用中的安全性。

施工過程模擬分析的難點

在結構力學分析中,根據形成原因可分為三大類非線性:材料非線性、幾何非線性和狀態非線性。施工過程中鋼材的性能基本不會變化,且施工過程中材料通常處于彈性階段,因此施工模擬可不考慮材料非線性的影響。

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,結構的受力狀態及剛度將隨之改變。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、剛度與時間(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。伴隨著施工步驟的進行,結構中的構件往往會發生較大的位移但應變仍然較小,即發生大位移小應變的幾何非線性現象,所以施工力學分析中應考慮幾何與狀態兩大非線性的耦合效應。

鑒于此施工過程模擬的難點可能存在于:與狀態非線性相伴的結構幾何構型及體系變化的模擬——施工過程不僅存在結構構件的增刪,而且由于各階段可能存在的結構可變性,往往需要臨時支撐的安裝和隨后的拆卸。研究對象的可變性導致求解域的可變性,加之結構受力性能的可變,導致方程的建立與時變域的求解困難。結構剛度變化的模擬——結構剛度的變化主要表現在構件數量變化與初始預應力變化兩個方面。構件的增加與減少與幾何構型及體系密切相關;初始預應力的施加前后直接改變了結構剛度的大小及應力應變分布,進而改變結構的受力狀態。結構邊界條件變化的模擬——施工過程的動態性,決定了其邊界條件的多變性,包括邊界位置的變化與邊界約束形式的變化以及在施工的前后兩階段邊界的約束、釋放、再約束。

施工過程模擬分析中的若干問題

“生死”單元的漂移——目前很多大型商用計算軟件利用單元生死技術來實現對時變域的求解。通過“殺死”或“激活”選擇的單元來模擬有限元模型中構件的刪除與添加。其一般步驟為:1)一次性建立結構整體模型,如有支撐構件,必要時應一并建模。2)將施工過程分為N個階段,劃分的施工階段必須足以反映施工過程中的主要變化。3)殺死所有單元,按施工步驟依次激活相應施工步內的構件,并施加對應階段的施工荷載(包括邊界條件的改變)。4)按施工步驟最終“激活” 所有單元,實現整個施工過程的力學模擬。至此各階段施工步內力與變形等數值求解完畢。采用單元“生死”法模擬施工過程時,因“死”單元剛度矩陣的極小化 (一般為10-6),導致“死”單元產生漂移現象,使得再“激活”時下一施工階段內的構件位形可能遠偏離設計狀態位形,一者使得施工模擬結果沒有實際意義;二者“漂移”現象的產生經常會使得結構剛度矩陣的過度病態而導致求解失敗。

力學分析中,建立剛度矩陣方程一般采用拉格朗日列式來描述物體的運動,此時涉及到新增桿件的重新定位問題,建筑工程施工過程中,節點坐標是動態變化的,新增節點坐標的定位必須以當前結構分析所得的狀態參量為標準,對應于一般大型軟件施工力學耦合幾何非線性的U.L描述法。新增構件應基于兩個基準點予以安裝:一是與已安裝結構連接的公共節點應以已安裝結構的當前位形為安裝基準點;二是未與已安裝結構連接的節點,張其林在分析大跨懸臂預應力鋼結構時借鑒橋梁施工中通常的3種定位原則提出新的節點坐標理論,這3種定位原則時在橋梁工程中較為普遍,并且符合生死單元法中安裝構件在“漂移”位形上被激活的條件,因此可直接用于施工模擬中,但大多時候情況下,按已安裝構件切線方向延長線和構件設計長度來確定安裝位形是麻煩的,特別是復雜鋼結構工程中不易實現。

大跨剛性鋼結構施工預變形的確定——因受結構安裝過程及施工荷載的影響,實際成形后的結構均會與設計位形產生一定差別。很久以來,人們已知道桁架拼裝要預起拱,但對大跨鋼結構而言,因跨度較大,體型復雜,受P-Delta效應等非線性影響較大,必須通過力學模擬來確定結構的預變形值以消除施工變形帶來的不利影響,否則可能會影響結構外觀形狀和使用功能,嚴重時更會影響到結構安全性。

復雜鋼結構竣工狀態的位形直接與施工過程息息相關,這也決定了預變形分析的復雜性?,F階段復雜剛性鋼結構預變形的計算方法主要分為:一般迭代法、正裝迭代法、倒拆迭代法、分階段綜合迭代法和局部位形約束正裝迭代法。預變形的確定是以施工過程模擬為基礎的,除了一般迭代法外,其余三種方法在計算手段上均采用了單元生死技術或其改進方法來進行分析計算。

施工階段的預變形分析不僅應考慮構件在施工荷載、自重作用下的形變,隨著結構體型的加大,施工工期的延長,溫度效應愈發明顯。當前柔性構件溫度效應被人們關注,認為溫度作用對剛柔性結構預變形的確定不可忽略。對全剛性結構預變形分析較少考慮溫度,有資料顯示在夏日日照條件下鋼拱的溫度應力可以達到鋼材強度設計值的30%以上,可見有必要依據施工進度在常規荷載的基礎上引入溫度作用,研究環境溫度對結構不同區域和安裝構件的影響,進而得出構件預變形和最佳安裝時機。范重、王酩等進行了國家體育場合龍溫度研究,強調了關鍵施工階段環境溫度對結構合龍的影響。

大跨鋼結構體型復雜,結構有主次之分,施工有先后之別,環境溫度隨不同區域存在差異,只有保證分析過程與施工過程高度吻合,預變形分析才能準確。

建筑索結構找形分析及預應力張拉控制——根據建筑索結構近年來的發展,按其組成和受力特點可分為:懸索結構、管內預應力結構、張弦結構、拉索結構、斜拉結構、索拱結構、吊掛結構。建筑索結構的形態分析分為找形分析和找態分析,考慮數值分析的易實現性,大都采用找形分析:從結構的初始零狀態開始,通過施加預應力來尋求結構的幾何設計位形。找形過程力學分析中張拉過程是模擬的關鍵,目前的分析方法主要有正分析法、反分析法和混合法。

對于大型預應力鋼結構,應根據工程情況,考慮施工階段錨固與摩擦的預應力損失,建立精細化模型,將其引入拖工模擬中,只有這樣才能更準確地跟蹤施工中索、桿件內力的變化,為工程中預應力損失的避免提供參考依據,杜絕可能的安全隱患,真正實現結構最終態與設計態的高度吻合。

大跨度鋼結構的整體提(頂)升與拆撐分析——大跨空間結構的施工安裝方法通常分為:高空散裝法、分條或分塊吊裝法、整體吊裝法、整體提(頂)升法、分條或分塊滑移法、整體滑移法、攀達穹頂法及折疊展開法等,其中整體提(頂)升法在A380機庫屋蓋等一大批新建項目中得到廣泛應用,存在提(頂)升過程邊界條件時變等難點;不論整體法還是吊裝法都存在拆撐的臨界狀態模擬問題。

提升是一個慢速時變過程,因上只需對每一個提升高度下的結構進行常規靜力分析,其結果便能準確反映提升過程中結構受力的變化。借鑒此原理,郭彥林等提出了模擬各提升高度的自動提升迭代算法,并將其應用于首都國際機場屋蓋一體化建模整體提升分析中。

大跨度鋼結構施工過程中臨時支撐的設置,一方面減小了安裝過程中主體結構的內力和變形,使得結構安全系數加強,但一方面附屬構件的添刪加劇了施工過程的內力變化,對結構前期的預測性設計和施工模擬提出挑戰。拆撐過程力學分析的難點在于千斤頂的模擬,臨時支撐與主體結構脫離、接觸和相對錯動的模擬以及臨時支撐變形分析。

目前,大跨鋼結構拆撐過程數值分析的主要方法有支座位移法、等效桿端位移法、千斤頂單元法、千斤頂——間隙單元法、千斤頂接觸單元法和溫控千斤頂單元法等。支座位移法通過施加支座強制位移來實現千斤頂的模擬,程序實現簡單,但不能模擬臨時支撐與主體結構間的脫離以及變形,模擬準確性較差。高穎等采用“只壓”特性連接單元對濟南奧體中心體育場千斤頂群等距卸載過程進行了模擬,同時分析了卸載過程意外工況的敏感性。等效桿端位移法利用有限元軟件只壓不拉的單元特性,雖然可以模擬臨時支撐與主體結構脫離及臨時支撐的變形,但不能模擬聯合支撐的情況,且不能模擬臨時支撐與主體結構間的相對錯動。

千斤頂單元法巧妙地將ANSYS軟件中LINK10和BEAM4單元在同一位置并聯,兩個單元點線位移自由度耦合在一起形成新的組合單元。LINK10單元提供無限大的軸向剛度模擬千斤頂,BEAM4單元設置抗彎剛度模擬千斤頂的抗彎能力。千斤頂——間隙單元法、千斤頂接觸單元法是在千斤頂單元法的基礎上改進而來,更好地模擬了千斤頂、臨時支撐與主體結構的脫離和相互錯動的真實拆撐過程。千斤頂的模擬不是一成不變的,鄭江、郝際平在解決大運會主體育場鋼屋蓋拆撐模擬分析中,考慮工程實際情況,判斷出千斤頂僅提供向上的支撐力,由此去除BEAM4單元,增加部分LINK8單元模擬安裝結構進行約束的臨時固定措施,取得了良好的效果。整體提(頂)升技術,通過支撐的設置使初始可變體系逐步成形,隨后對支撐的拆除使體系逐步承擔工況荷載,最終成為完整的結構。支撐中伴隨臨時次構件的拆除,拆撐中伴隨臨時次構件的頂升,支撐與拆撐本質為一體化的受力過程,拆撐卸載前的初始工況應力來源于支撐后期工況的加載。整體提 (頂)升與拆撐分析實質上都是分析結構的約束向上或向下移動的過程,當前研究主要考慮支撐塔架、吊索或千斤頂與結構的相互作用,一般不考慮攬風繩、水平向約束構件等重要附屬設施的作用。某門式剛架輕鋼結構廠房施工中,在風力作用下中間柱晃動引起結構連鎖反應,最終整體倒塌。攬風繩不僅受到風荷載作用,而且還受到不均勻提升引起的結構傾斜對攬風繩的作用,施工模擬中應考慮附屬結構在提升中所受影響,尤其是提升點之間位移差最不利工況的影響。

大跨鋼結構建筑結構體系的日益復雜化,使得工程建設迫切需要更為精確的模擬分析,但由于施工過程與結構形式、施工方案的緊密相關性,導致目前大多工程的施工模擬都有其獨特性,局限性。我們結合對大跨鋼結構施工模擬普遍遇到的難點及解決方法的討論,指出了尚有若干問題值得深入研究,相信施工力學會進一步迅速發展。段學科 張毅剛

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