大跨鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)研究發(fā)展現(xiàn)狀

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     大跨鋼結(jié)構(gòu)施工過程的復(fù)雜性決定了施工力學(xué)分析的必要性。我們系統(tǒng)地梳理了施工模擬普遍遇到的難點(diǎn)，以及當(dāng)前的解決方法，指出了尚需研究的若干問題。
     近些年隨著經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，建筑形式呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢，為了追求強(qiáng)烈的建筑效果，以及實(shí)現(xiàn)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(fù)雜，這對結(jié)構(gòu)施工與跟蹤模擬帶來挑戰(zhàn)。在施工過程中，空間結(jié)構(gòu)從無到有、從單根桿件到局部成形再到完整結(jié)構(gòu)，整個體系的形態(tài)、荷載、邊界條件不斷變化，呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)時變、材料時變和邊界時變的特性，其“路徑”和“時間”效應(yīng)直接影響施工階段及使用階段結(jié)構(gòu)的受力性能。
     大跨鋼結(jié)構(gòu)施工過程的時變性要求設(shè)計者不但要考慮設(shè)計結(jié)構(gòu)本身，同時需要研究不同施工階段內(nèi)力與變形的相互影響，對施工過程中結(jié)構(gòu)及工程介質(zhì)的分析，形成了與工程建設(shè)密切相關(guān)的新的工程力學(xué)學(xué)科分支——施工力學(xué)。施工力學(xué)是力學(xué)理論與土木工程學(xué)科相結(jié)合的產(chǎn)物，研究的對象為施工過程中不斷變化的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，包括結(jié)構(gòu)內(nèi)部參數(shù)(如幾何形狀、物理特性、邊界狀態(tài)等)以及外部參數(shù)(如施加的荷載、環(huán)境溫度)，因此施工力學(xué)是以物性為基礎(chǔ)，耦合了時間與空間的多維力學(xué)問題。
   
    大跨鋼結(jié)構(gòu)施工分析必要性與目標(biāo)
   
     隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工程建設(shè)進(jìn)一步向大型化、復(fù)雜化發(fā)展，建成了一批體型復(fù)雜的大跨鋼結(jié)構(gòu)或混合結(jié)構(gòu)，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(jī)場航站樓、國家大劇院、國家體育場鳥巢等。這些復(fù)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(chǎn)生的內(nèi)力和變形由各施工步效應(yīng)依次累積而成，其最終的大小與分布規(guī)律與實(shí)際施工過程密切相關(guān)。同時，在結(jié)構(gòu)建造的某些階段，需要增加支持體系與可變結(jié)構(gòu)組成一個共同工作的系統(tǒng)，這時支持系統(tǒng)的支撐與拆卸影響到整個結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)，因此若不考慮施工過程的影響而采用一次成形的設(shè)計方法，就會與實(shí)際情況產(chǎn)生差別，對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)而言尤為明顯，可能會在施工過程中由于部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞、剛度退化或穩(wěn)定性失效造成整個結(jié)構(gòu)的坍塌，也可能會使竣工狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力或變形未達(dá)到設(shè)計狀態(tài)的合理要求，而造成較低的安全儲備。
     據(jù)國家有關(guān)部門的不完全統(tǒng)計，在我國有大約三分之二以上的工程結(jié)構(gòu)倒塌事故發(fā)生在施工期間，究其原因，設(shè)計時未考慮施工過程的復(fù)雜性，未進(jìn)行施工過程分析占了很大比例，傳統(tǒng)的施工方式越來越不能適應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的需要。
     時變結(jié)構(gòu)可分為三種工作狀態(tài)：快速時變結(jié)構(gòu)力學(xué)、慢速時變結(jié)構(gòu)力學(xué)、超慢速時變結(jié)構(gòu)力學(xué)。施工力學(xué)屬于慢速時變力學(xué)范疇，可以采用離散時間凍結(jié)來近似處理，把施工狀態(tài)當(dāng)作一序列時不變結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力或動力分析，在每個狀態(tài)中不考慮結(jié)構(gòu)的變化來分析結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。
     目前，國內(nèi)外很多學(xué)者對建筑結(jié)構(gòu)施工力學(xué)問題進(jìn)行了大量研究，初步確立了施工力學(xué)分析的總體目標(biāo)：一、對施工各階段的內(nèi)力、變形予以跟蹤分析，保證結(jié)構(gòu)施工階段的承載力與穩(wěn)定性。二、將考慮施工過程的成型狀態(tài)和設(shè)計狀態(tài)的內(nèi)力與變形進(jìn)行對比分析，評估施工過程對結(jié)構(gòu)最終狀態(tài)的影響，優(yōu)化施工方案，保證結(jié)構(gòu)在使用中的安全性。
   
    施工過程模擬分析的難點(diǎn)
   
     在結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中，根據(jù)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(tài)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(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)是，整個結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)、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(jié)構(gòu)上所承受的荷載，不可能在未裝結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生影響，已裝結(jié)構(gòu)相對于新裝結(jié)構(gòu)來講具有某種初變形和初內(nèi)力，而后裝結(jié)構(gòu)將影響已有結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，新裝構(gòu)件和新加荷載一旦形成，結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)及剛度將隨之改變。整個施工過程需經(jīng)歷一系列準(zhǔn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)才能達(dá)到竣工狀態(tài)，期間結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、剛度與時間(施工步驟)在某種程度上表現(xiàn)出了一定的非線性關(guān)系，稱之為狀態(tài)非線性。伴隨著施工步驟的進(jìn)行，結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件往往會發(fā)生較大的位移但應(yīng)變?nèi)匀惠^小，即發(fā)生大位移小應(yīng)變的幾何非線性現(xiàn)象，所以施工力學(xué)分析中應(yīng)考慮幾何與狀態(tài)兩大非線性的耦合效應(yīng)。