综 述
大型复杂钢结构施工力学问题及分析方法
郭彦林 刘学武
(清华大学土木工程系 北京 100084)
摘 要:结构施工过程的力学分析属于施工力学的范畴,是力学理论与土木工程实践相结合而交汇发展起来的新型交叉学科,主要特征在于研究对象的几何参数、物理参数、边界参数,是时间的函数,是耦合时间与空间的四维力学问题。施工过程“路径”和“时间”效应直接影响施工阶段及使用阶段结构的受力性能。现代大型项目的建设要求设计人员须对结构的施工过程进行分析,同时施工人员须预测和控制施工过程中结构内力和变形的发展和变化,以保证施工过程中结构的安全性以及竣工状态结构的内力和位形满足设计要求。通过对大型复杂钢结构施工过程中表现出的诸多亟待解决的施工力学问题及其求解思路与分析方法的探讨,为施工力学学科的研究与发展奠定一定的基础。 关键词:钢结构 变形 内力 施工力学
CONSTRUCTION MECHANICAL PR OBLEMS A ND C OMPUTATIONAL METHODS
OF C OMPLEX STEEL STRUC TURES
Guo Yanlin Liu Xuewu
(Department of Civil Engineering ,Tsinghua University Beijin g 100084)
Abstract :The construction mechanic combines structure mechanic and construction technology together .Its main feature is that the geometry profiles ,the physical properties and the boundary conditions of a research object will change with construction duration .It is evident that the different construction processes and procedures will lead to different deformation and internal force distribution locked within a structure after the construction is ended .Therefore a structural design state must be estimated accurately if a construction -finished structure meets the design and service req uirements .It will be focused on the construction mechanic problems which are explored from many large and complex steel structure construction and erection processes currently .The ten key construction mechanic problems have been pointed out ,and they are analyzed and discussed comprehensively .The discuss ion on these problems has of great importance to further developing construction mechanics and engineering application .
Keywords :steel structure deformation internal force construction mechanics
第一作者:郭彦林 男 1958年10月出生 教授 博士生导师
E -mail :gyl @tsinghua .edu .cn
收稿日期:2007-05-28
0 引 言
工程结构在建造过程中整个结构的几何形态、刚度及其荷载和边界条件按照一定次序先后形成,描述结构状态的各物理量在不断变化,呈现出结构时变、材料时变和边界时变的特性,其“路径”和“时间”效应直接影响施工阶段及使用阶段结构的受力性能。结构施工过程的力学分析属于施工力学的范畴,是力学理论与土木工程实践相结合而交汇发展起来的新型交叉学科,主要特征在于研究对象的几何参数、物理参数、边界参数,是时间的函数,是耦合
时间和空间的四维力学问题
[1]
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传统结构设计理论只对使用阶段的结构在不同
荷载工况及其组合作用下的效应进行分析,以此来保证建筑结构具有一定的安全性和适用性。而实际结构的自重等恒荷载是在施工过程中随着施工步的推进逐渐施加在结构上的,竣工时恒荷载作用下所产生的内力和变形由各施工步的效应依次累积而成,其大小和分布规律与施工过程“路径”和“时间”
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Industrial Construction Vol .37,No .9,2007
工业建筑 2007年第37卷第9期 DOI :10.13204/j .gyjz2007.09.013
效应存在某种密切的相关性。因此,不考虑施工过程影响的结构设计理论分析所得到的结果与实际情况存在一定的差别。当施工过程对结构效应影响较大时,特别是结构、材料和边界时变剧烈的大型复杂结构,可能会在施工过程中由于结构丧失稳定性或发生强度破坏而导致工程坍塌事故,也可能会在竣工状态下结构内力和变形过大而导致其在使用阶段与其他荷载效应组合以后呈现较高的安全风险。统计表明,在我国有60%以上的工程结构倒塌事故发生在施工期间,究其原因,相当比例是由于没有考虑施工过程的力学分析[1,2]。
近年来我国涌现出了越来越多的大型复杂钢结构建筑,如CCTV新台址主楼和国家体育场“鸟巢”等项目。对于这些大型工程,施工过程对竣工时结构内力和位形状态的影响更大,须加以考虑和控制。结构施工完成后须满足两个基本条件:一是变形不超限,二是锁定结构的内力保持在一定范围内,使其与其他荷载效应的组合满足结构承载力要求。因此,现代大型复杂工程结构的建设要求设计人员不仅需要了解结构的建造过程和方法,还需对施工过程进行力学分析,同时施工技术人员不仅需要了解结构和建筑设计师的设计意图,也需要了解施工过程中结构内力和变形的发展情况,以保证施工过程中结构的安全性以及竣工后结构的位形和受力状态满足设计要求。
施工力学问题求解的控制方程为变系数微分方程或时变边值条件,材料力学、结构力学和弹塑性力学等经典力学不能直接用来求解施工力学问题,其分析的难点主要在于结构时变、材料时变和边界时变的模拟,通常只能获得数值解。此外,施工过程中的结构通常还伴有几何、材料和边界非线性问题,以致施工力学问题的求解非常困难。施工力学分析方法的研究最初主要集中在对桥梁和张拉结构成型过程的分析上,并取得了一定的成果[3-9]。20世纪80年代开始,钢筋混凝土结构施工力学问题及其分析引起了科研工作者和工程师的广泛关注,研究主要集中在混凝土结构在浇筑和拆模等施工过程的安全性分析上[2]。其后随着钢结构以及钢-混凝土组合结构的发展,施工力学问题更加突出,很多学者也做了大量的研究[10-16]。另外,虽然现有的某些商业有限元软件包含了施工模拟分析模块,但是实际工程建设中的诸多施工力学问题需要在其平台上进行改进或构造新的算法才能得到有效解决。施工力学问题及其求解方法的研究在理论上属学科前沿,在应用上是工程技术发展亟待解决、体现科技发展程度的一个重要研究方向。施工力学学科内容丰富,涵盖面广。广义上来讲,在项目建设中只要与“过程”相关的结构力学分析均属于施工力学的范畴。施工力学属于应用型学科,注重实际问题的解决,也可以看作是若干实际工程力学问题的有机统一体。
文献[17]建议将时变结构力学分为快速、慢速和超慢速时变结构力学三大领域,其中慢速时变结构力学主要研究施工力学问题,可通过采用离散性时间冻结的近似处理,把它当作一序列时不变结构进行静力或动力分析。施工力学问题现有的分析方法主要包括有限单元法、时变单元法和拓扑变化法[1]。有限单元法是利用单元的增减实现求解区域的时变,存在运算矩阵奇异和网格不断重新剖分的缺点。与常规有限单元法相比,时变单元法的离散网格不变,通过单元大小的变化来实现求解区域的时变,但存在数值积分稳定问题。拓扑变化法应用拓扑学原理用数值手段实现求解区域随时间的变化,但要求时变次数不能太多,否则计算效率不高。
本文对现代大型复杂钢结构施工过程中表现出的诸多亟待解决的施工力学问题进行归纳总结,并对其求解思路和分析方法进行探讨。
1 施工过程跟踪模拟分析及其理论基础
施工过程中结构的受力特点是,整个结构的几何形态、刚度及其荷载和边界条件按一定的次序先后形成,建造过程中已装结构上所承受的荷载,不可能在未装结构上产生影响,已装结构相对于新装结构来讲具有某种初变形和初内力[18],而后装结构将影响已有结构的受力状态,新装构件和新加荷载一旦形成,结构的受力状态将随之改变。整个施工过程需经历一系列准结构状态才能达到竣工状态,期间结构的受力状态与时间(施工步骤)在某种程度上表现出了一定的非线性关系,称之为状态非线性。
施工过程跟踪分析的难点主要是:
1)结构时变的模拟。施工过程中的结构在不断变化,除了构件的安装还可能有构件(临时支撑)被拆除,分析对象的求解区域随时间的推进不断地增加或缩减,即使求解区域没有变化,结构的受力性能也可能发生较大的改变(柔性结构的张拉)。
2)材料时变的模拟。施工过程中钢材的性能基本不会变化,而对于混凝土等时间依存性材料,其性能在不断地变化,表现出了较强的非线性特性。
3)边界条件时变的模拟。施工过程中结构的边界条件经常会发生变化。对于大跨度结构,在施工的初始阶段释放掉某些自由度(拱脚水平位移),在
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施工的后续阶段或成型后再施加约束,可减少拱脚支撑结构的内力。对于采用临时支撑进行施工的结构,随着支撑的拆除,结构的边界条件不断变化。
随着结构非线性理论的发展,有限单元法在固体力学等领域得到了广泛的应用,日渐成熟。目前,大多数结构分析商用软件利用单元“生死”法来实现求解区域的时变。利用单元“生死”法可一次性建立整个结构的模型,然后按拟定的施工顺序,依次“激活”相应施工阶段的构件组,施加相应阶段的荷载,即可跟踪模拟分析施工全过程。对于大型复杂结构体系,采用单元“生死”法模拟结构的施工过程时构件安装位形的可控制性差,需附加约束条件才可完全保证构件“激活”时处于预定的位形上,且有时会由于“死”单元的“漂移”过大,而导致单元“激活”时的位形处于一种“畸变”的状态而与实际不符,甚至会出现结构的刚度矩阵过度病态而导致求解失败。
作者基于非线性问题求解的增量法,研究了状态非线性有限单元法求解施工力学问题的基本原理,单元“生死”法模拟施工过程的具体步骤及原理,研究确定了单元“生死”系数的取值,提出了一种新的分析方法———分步建模法(具体内容将在另文中阐述)。分步建模法按施工步骤依次形成各施工阶段结构的刚度矩阵并施加相应的荷载,可精确控制施工过程中构件的安装位形,未安装构件的单元在整体刚度矩阵中不出现,不存在由于“死”单元的“漂移”而导致刚度矩阵病态的问题。但是,分步建模法的边建模边求解的分析过程,需要把通常有限元软件的前处理、求解和后处理三大模块有机统一起来编制新的有限元程序,或在现有软件的平台上进行改进,算法实现比较困难。
2 施工过程锁定内力分析及施工方案优化
对于形式复杂的结构或施工过程中结构受力状态有较大转变的,如CCTV新台址主楼悬臂段的安装以及北京电视台的“下托上挂”桁架的安装等,分步成型和一次成型下的内力差别将比较大,设计分析中必须加以考虑,而通常所采用的一次成型法将不再适用[15-19],需按照拟定的施工方案对建筑的施工进行全过程跟踪分析,合理、准确地确定施工过程中结构内力发展和位形变化的情况以及竣工时锁定在结构的内力大小,使其与其他荷载的组合满足结构的受力要求。同时建造过程中需以上述分析结果为指导,采取合理的施工方法和措施来保证各状态结构的内力和位形满足设计要求。
一般筒中筒高层钢结构建筑,其外筒是钢结构框架、内筒是混凝土核心筒,内外筒由伸臂桁架连接而成。这种结构的混凝土部分由于收缩徐变需要较长时间才能完成,而钢结构外框架施工变形很快就能结束,二者的变形差给悬伸桁架的安装带来很大的难度。要保证整体结构施工完成后内外筒连接楼层基本在一个水平面上,同时保证在伸臂桁架内不产生较大的附加内力,内外筒的施工方案必须建立在整体结构施工分析的基础之上,在混凝土徐变基本完成后再连接伸臂桁架腹杆的预留段。
同一结构可以有不同的施工方案,不同的施工方案将直接影响施工过程中构件加工和安装的难度、施工的安全性、使用阶段结构的受力状态以及施工的费用,如何优化选择结构的施工方案,需通过对结构进行施工过程模拟分析来评估,特别要分析施工完成后锁定在结构中的内力大小。如CCTV新台址主楼(图1),其结构具有“塔楼倾斜”、“空间连体”及“大悬臂”三大构成特点,在总包投标过程中,三家国内施工公司分别推出三个不同的施工方案,其重点都在大悬臂的安装方案上,如图2所示。方案一为大悬臂下设置恒力支承塔架,构件可以根据设计位形进行加工和安装,若使卸载后的位形不产生下挠,也可以设置预变形。由于不存在合拢对接的问题,施工难度大大降低,但是需要架设庞大的临时支撑塔架。方案二为大悬臂转换桁架整体提升,悬臂“L”形桁架先在地面拼装完成,然后借助两个塔楼提升上去,安装后再在桁架上搭建悬臂。由于“L”形桁架的不规则性,使得提升难度较大。方案三为悬臂段采用块体扩大逐步悬伸的方法,其造价较低,但是增加了悬臂段对接的难度,需要对施工过程中的位形进行控制。很显然,三个安装方案对结构形成不同的锁定内力。综合考虑施工过程中结构的安全、施工费用以及成型结构的可靠性等各方面因素,专家推荐使用逐步悬伸的对接施工方案(方案三)
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图1 CCTV新台址主楼施工分析模型
Fig.1 Anal ys is model for c onstruction si mulation of
the ne w CCTV headquarters
3 施工变形预调值的确定
3
大型复杂钢结构施工力学问题及分析方法———郭彦林,等
图2 CCTV新台址主楼大悬臂安装
Fig.2 Erection of the cantilever in the ne w CCTV headquarters
对于倾斜高层钢结构或采用无支撑大跨度钢结构的施工,最大的难题是随着施工步的推进已装结构在不断地变形,对新装构件的安装位形有较大的影响。为使竣工时的结构能够达到期望的目标位形,施工过程中各构件须在一系列特定的位形上进行加工和安装,而这些特定的位形是未知的,且与目标位形存在一定的差别。因此必须对结构构件的安装位形进行预测和预调,找到各阶段构件的安装位形,确定构件合理正确的加工尺寸和安装坐标,从而使得安装完成后结构的位形满足目标位形。
钢结构施工的变形预调值包括构件的加工预调值和安装预调值。构件的加工预调值等于构件的加工长度与设计长度的差值,用来补偿施工过程中构件的轴向压缩或拉伸所产生的变形,其大小取决于竣工时构件的轴向应力水平。构件的安装预调值等于构件节点的安装坐标与设计坐标的差值,用来补偿施工过程中构件节点所产生的位移,其大小取决于竣工时节点相对安装位置的位移。对于不同形式的结构,其变形预调值的设置方案不同。即使对于同一结构,由于施工方案和顺序的不同,其变形预调值的设置方案也不同,即变形预调值的设置与结构的形式及其施工方案存在着密切的相关性。
对于钢结构施工变形预调值的计算和确定,需基于施工过程模拟分析的单元“生死”法和分步建模法等,针对不同结构及其不同施工方案采取不同的分析思路和方法,才能得到合理、精确的结果。作者借鉴桥梁施工过程分析的方法,提出了钢结构施工变形预调值计算的一般迭代法、正装迭代法、倒拆迭代法和分阶段综合迭代法[20,21],其中,一般迭代法可用来计算满堂脚手架法施工的结构变形预调值,但不能计算悬臂施工法等情况下的结构变形预调值,而正装迭代法、倒拆迭代法和分阶段综合迭代法可以计算任意结构和任何施工方案下的变形预调值。对于大型复杂钢结构,如施工过程中变形较大且复杂,采用正装迭代法可能会出现因“死”单元漂移过大或发生畸变而导致算法不收敛的现象,倒拆迭代法和分阶段综合迭代法可以避免因“死”单元畸变而导致算法不收敛的问题,但倒拆迭代法的计算量较大。
对于单栋倾斜高层结构,其变形预调值采用倒拆迭代法或正装迭代法均容易确定。但对于像C CTV这种倾斜的闭环结构(图1),当采用无塔架支承的施工安装方案时,施工过程中结构合拢前后的变形趋势不同,从而导致其变形预调值的计算异常复杂,具体计算见文献[21]。
对于大跨度空间结构,结构预调值的概念与结构设计位形或目标位形、安装位形以及加工位形相关联,也与结构的安装方案有关。如果采用满堂脚手架安装方案,则安装预调值与加工预调值完全相同。要保证拆除支承后,屋盖结构满足设计位形或目标位形的要求,就必须对屋盖进行找形分析,确定结构安装位形与加工位形的三维坐标,作为构件加工下料与安装定位的依据。
但是,对于某些曲面钢结构屋盖,如球面和椭球面屋盖,由于落架后的屋盖仍然是一个曲面,从视觉效果上看不出其落架前后的变形差异,施工时可以把结构设计位形定为安装和加工位形,落架后的位形定义为目标位形。特别注意的是,对于主次结构按不同施工阶段安装的曲面屋盖,如主结构落架后再安装次结构,则次结构的安装位形和加工位形与设计位形完全相同。这时,次结构的安装位形和加工位形应该是主结构落架后的目标位形。尽管国家体育场钢结构屋盖采用这一安装方案,但是次结构仍然按照主结构落架前的位形(设计位形)进行加工,没有考虑主结构落架后位形的影响,给次结构安装带来一定的困难。
4 柔性结构成型过程分析
柔性结构主要指以拉索与撑杆组成的承载结构体系,它的主要特点是仅在拉索张拉预应力后才能形成结构刚度。柔性结构是其拓扑、外形和刚度的有机统一体[6],最典型的结构形式是索穹顶结构,亚特兰大乔治亚索穹顶就是一个典型的工程实例。柔性结构张拉成型后要满足设计位形的要求,同时结构中拉索的预应力要控制在设计值的要求范围内。柔性结构刚度的预应力过程是一个与结构拓扑和外形形状、预应力产生方式和次序以及预应力产生期间结构发生的自平衡都有关联的系统过程[6]。不同的张拉过程和顺序,成型时结构的应力、几何形状以及结构的刚度均不同,且张拉过程中后张拉的索会对先张拉的索力产生影响。因此,寻求一定位形下合理的预应力分布模式和施加次序是设计和施工的
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关键技术。这就要求施工技术人员探索及研究各种可能的施工成型方案及预应力张拉方案,在保证施工成本最低的条件下取得最佳的施工效果,否则结构可能无法张拉成预定的几何造型,或即使能张拉成预定的形状,但结构的预应力分布可能不均匀,导致其刚度和承载力不满足设计要求。
张拉结构的形态分析有两种不同的分析思路:一是,先给定结构内预应力分布状态,然后求解满足该预应力状态边界条件的结构形状,称为找形分析;二是预先给定结构的形状,然后求解满足该几何形状要求的自平衡应力状态,称为找态分析[22]。找态分析中,由几何状态反推结构预应力的状态及其施加顺序,数值分析难以进行;而找形分析从结构零状态开始,通过施加预应力来寻求结构的设计几何形状,数值计算相对比较容易。目前柔性结构的分析方法大多用找形分析的思路,主要有支座位移法、力密度法和动力松弛法等[6]。其中,支座位移法在给出结构(索网、膜)的初始曲面(几何状态)后,通过支座的位移求得其预应力分布值。力密度法通过选择所预期的杆内力与杆长之比作为一个任意索网结构力平衡方程的已知值,就可得到节点坐标的线性方程组,求出节点的坐标(几何外形),同时可以求出节点的位移以及索元的内力。动力松弛法把初始形状离散化为线单元或面单元,假定各节点围绕其平衡点的振动,然后逐时(时间上)、逐步(空间上)地跟踪体系的振动过程,直到由于阻尼的影响,各个节点最终达到静力平衡状态。由于索的存在张拉结构表现出了很强的几何非线性特性,伴随着计算机的发展和应用,非线性有限单元法已越来越多地用来分析张拉结构,并取得了一定的成果[6,22]。
为了模拟预应力钢结构的张拉过程,文献[23]引入了虚拟张拉技术,可以直观真实地在计算机中再现整个张拉过程中结构几何状态及其受力状态的变化情况,其中张拉过程的力学分析是仿真的关键点和难点,目前的分析方法主要有顺序法、逆序法和混合法[7-9,23-25]。顺序法以拟定的张拉过程的正序进行分析,从而得到各个阶段的索力;逆序法以与实际张拉过程相反的顺序进行分析,根据结构的终态逐渐放松相应的拉索来获得各阶段的索力;混合法结合上述两种方法,先对结构进行逆序分析,然后再进行正序分析。
5 大跨度钢结构拆撑过程分析
大跨度钢结构在施工过程中设置临时支撑塔架时采用了分段拼装、高空组装或直接高空散装的施工方法,这些方法可以减小安装过程中主体结构的内力和变形,安全性强,在诸多大型项目的建设中得到了应用,如国家大剧院和国家体育场“鸟巢”等(图3)。但采用临时支撑的施工方法也给设计和施工带来了一些新的课题和挑战,主要问题有临时支撑设计、拆撑方案制定以及拆撑过程中临时支撑和主体结构内力与变形的控制。这些问题的解决须对拆撑进行全过程模拟,预测临时支撑和主体结构内力与变形的发展及变化情况,进而确定合理和最优的临时支撑设计和拆除方案
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图3 国家体育场拆撑过程分析模型
Fig.3 Anal ys is model for removing temporary
s upports of the National Stadium
拆撑过程是主体结构和临时支撑相互作用的复杂力学状态转变过程,是荷载由临时支撑承担逐渐转为由主体结构本身承担的过程。对于主体结构则是加载过程,而对于临时支撑则是卸载过程。拆撑过程数值模拟的难点是:
1)千斤顶的模拟。千斤顶只能承受压力而不能承受拉力,轴向刚度无限大,轴向变形很小,具有一定的抗弯能力,下端与临时支撑固定而上端与主体结构可接触、脱离和滑移。
2)临时支撑与主体结构脱离和接触的模拟。拆撑过程中随着千斤顶的下降,荷载逐渐转变为由主体结构承担,当接触点处千斤顶累积下降量大于主体结构累积位移量时,临时支撑与主体结构脱离。而与主体结构脱离的临时支撑,随着后续周围临时支撑的卸载,主体结构的变形继续增大,已脱离的临时支撑还有可能再次与主体结构接触。在拆撑过程中各阶段各个千斤顶均可能与主体结构脱离和接触,主体结构变形大时还有可能产生相对错动,其相互作用的数值模拟非常困难。
3)临时支撑回弹分析。在拆撑的初始状态,荷载主要由临时支撑承担,其内力和变形比较大,拆撑过程中随着千斤顶的卸载,临时支撑所承担的荷载总体趋势在减小,会产生一定的回弹。因此,在拆撑的各个阶段千斤顶下降量与主体结构位移量不同,控制千斤顶下降量与控制主体结构变形也不等同。同时当临时支撑轴力变化较大时,其回弹对主体结
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大型复杂钢结构施工力学问题及分析方法———郭彦林,等
构的内力和变形会产生一定的影响,须加以考虑。
支座位移法的应用较早,但是不能模拟临时支撑与主体结构脱离以及临时支撑回弹;在其基础上发展起来的等效杆端位移法可以模拟临时支撑与主体结构脱离以及临时支撑回弹,但是不能用于模拟联合临时支撑情况,且不能模拟临时支撑与主体结构间的相对错动。基于大型有限元软件ANSYS,作者利用其模块中的具有只压不拉特性的杆单元Link 10,在相同位置上并联一个梁单元Beam4,两个单元节点线位移自由度耦合在一起形成一个新的组合单元,称之为千斤顶单元[26]。把该单元下端固定在临时支撑上,上端与主体结构相应接触点的竖向自由度耦合,其他自由度释放,可满足千斤顶受力的边界条件。千斤顶轴向刚度无限大是通过给Link10单元刚度矩阵乘以一大数α=10n(n为正整数)来实现,称之为刚化系数。而通过给Beam4单元轴向刚度乘以一小数β=10-m(m为正整数)来消除其对千斤顶轴向刚度的贡献,称之为软化系数。通过对千斤顶单元冷冻和升温来模拟千斤顶的缩短和伸长。由两个不同类型单元组合而成的新单元,可用来模拟拆撑过程中千斤顶的工作机理以及临时支撑与主体结构的接触和脱离。
6 索-滑轮体系力学问题的求解
索在结构工程中扮演着非常重要的角色,如索道、悬索结构、斜拉结构等中拉索都是非常活跃的单元[27]。拉索的连接节点在工程应用中可以分为两种形式,一种是不滑动的,即索与索或索与构件之间的连接是死结,它们不会产生相对滑移;另一种是索在节点处可以产生相对滑移,如在钢结构吊装中的滑轮组,通过索的滑移使结构调整位形可以达到内外力平衡,又如索托结构中拉索与滑轮的连接处理[28]。索-滑轮结构体系中的索在节点处可以相对滑移,即为第二种情况,其受力分析比较复杂,涵盖了弹性力学、刚体运动学、滑轮力学和结构力学等。索-滑轮结构体系为滑轮、穿过滑轮的拉索及结构形成的可动体系,其受力特点是,由某一初始位形释放结构体系,结构体系在不平衡力系作用下最终达到它的平衡状态及位形。该体系具有双重非线性:1)索的非线性;2)索和滑轮接触的非线性。
结构在吊装或提升过程中是典型的索-滑轮体系,在吊装过程中存在两个问题:一个是被吊结构及结构体系的稳定性问题;另一个是被吊结构在索-滑轮体系中获得平衡位形和中心的确定问题。被吊结构的吊点位置及数量选择要满足三个条件:一是要使被吊结构的内力和变形比较均匀,二是要保证被吊结构不会发生失稳或强度破坏,三是被吊结构的变形能保证结构方便安装就位。在制定大跨度桁架结构的吊装方案时,仅凭经验确定吊点及其分布是不够的,必须依靠必要的分析和计算。
不滑动索的分析相对简单,国内外很多学者对索单元进行了研究,但是对具有滑动索节点的索-滑轮结构体系的研究比较少。其中,文献[28]提出了滑移索单元法;文献[29]在处理荷载缓和体系时提出了能量搜索法和动力松弛法,但只能处理索端张力已知的问题;文献[30]创建了索-轮单元,并推导了单元的算法,该单元可以通过自动调整滑轮两侧索段的长度使单元处于平衡状态;文献[27]提出了由滑动索系结构分析的冷冻-升温方法,该方法简单有效。目前对于多索轮组结构体系的分析,还没有一套有效的解决方法,有待进一步的研究。
7 施工过程温度变化的影响分析
温度变化的影响不仅在结构设计过程中要考虑,而且在结构施工及安装过程中也要考虑,特别对于钢结构工程,温度作用对结构的影响非常重要。结构施工及安装往往有较长的周期,构件加工也需要一定周期,期间的温度变化对结构的安装会产生较大的变形偏差。如果不考虑这一偏差的影响,可能造成现场安装不上,或者即使强迫安装,也会形成较大的装配应力。温度变化的影响主要来自日照温差和季节温差的影响,如何消除温度作用对构件安装偏差的影响以及由此产生的内力变化,需要根据各种温度条件对施工过程进行分析预测和评价。
国家体育场屋盖结构施工过程规模大、难度高。主结构按照不同的分区进行施工,时间跨度长,每个分区的初始安装温度与最后主结构合拢时的温度存在较大差异,温度作用对主结构能否顺利合拢有很大影响,因此须对主结构的合拢进行温度影响分析。需依据合拢断面位置及温度荷载条件,计算合拢断面处的杆件温度变形值,以确定合拢断面间的预留间隙等技术问题。温度变化不仅影响结构的位形,更重要的是会在结构内部出现温度应力,直接威胁结构安全。
CCTV新台址主楼悬臂段的对接是整个施工过程的关键技术和难题之一,由于日照以及环境温度的影响,两塔楼的变形不尽相同。根据对接时的结构状态以及温度荷载的条件,通过分析确定合理的对接时间,计算悬臂安装合拢对接时段内接口处构件的强度及变形,计算接口处连接构件的数量及其
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连接强度,才能确保合拢对接的顺利进行。
8 构件及节点焊接残余应力分析
近年来,高强度厚钢板(t≥80mm)在一些大型复杂钢结构工程项目中开始广泛应用,如中央电视台新台址主楼钢结构工程中“米”形节点及“目”形截面钢构件、国家体育场钢结构工程立柱及柱脚等大多采用了厚度大于80mm厚的高强钢,其施焊工艺和顺序对节点承载性能及延性有重要的影响。焊接过程中构件的温度变化不均匀,温度高的部位受热膨胀,但受到相邻钢材的约束,从而在焊件内引起较高的温度应力,并且在焊接过程中不断地变化,部分区域甚至产生塑性变形,焊接完成,钢材冷却后构件内将产生复杂的残余应力[20]。
残余应力是一种自平衡力系,承载过程中,外载的应力与参与应力叠加,构件的某些部位将提前达到屈服强度,进入塑性变形阶段,进而大大降低构件的承载力[20]。不合理的施焊工艺和顺序可能产生严重的残余应力和不利的两向或三向拉应力分布,进而降低结构的延性,对抗震性能极其不利。为了制定合理的焊接工序,减小构件成型时的焊接残余应力,或降低焊接残余应力的不利影响,可通过ANSYS、ABAQUS或MARC等有限元分析软件,模拟施焊过程中热流动及扩散的分布规律,确定残余应力的分布和大小,并依次作为评价焊接工艺和顺序合理性的依据。
9 次构件安装位形的确定
对于大跨度和倾斜高层钢结构,由于施工过程中结构在不断地变形,次构件以及电梯等辅助设施的安装位形未知,须通过分析来确定。如国家体育场次结构与膜结构的安装以及CCTV新台址主楼玻璃幕墙和电梯等的安装[31-33]。国家体育场肩部和顶面次结构在主结构落架以后进行安装,期间结构在不断地变形,次结构的安装位形与设计位形存在一定的偏差,设计位形不能直接用来加工构件和安装定位。各个区域次结构对应的安装位形不同,每一区域次结构要按特定安装位形进行加工和安装,且不同安装顺序会使同一区域的次结构对应不同的安装位形。准确确定各个区域次结构的安装位形,为加工和安装提供数据参考显得非常关键。
CCTV新台址主楼幕墙的设计和安装以菱形格构为单元进行,每个菱形格构由钢框、竖棂、横楣和玻璃板块组成。由于施工过程中幕墙分项工程将于主体结构施工到20层后开始安装,因而随着后续施工步的推进,已安装的幕墙将随着主体结构逐步发生空间的刚体位移和弹性变形,同时位于建筑的不同区域菱形格构的变形情况也各不相同。为了吸收因主体结构变形所引起的变形,必须处理好幕墙支承钢结构与主体钢结构之间的连接及构造关系,同时在菱形格构各组成构件之间以及构件与玻璃板块的连接处须留有一定的容差。针对不同位置的菱形格构其容差大小的设置也不同,其量值需通过对整个结构进行施工全过程跟踪模拟分析而确定。施工过程中幕墙的安装位形取决于主体结构的位形状态,而主体结构的施工是参考变形预调值而进行的,且施工过程中主体结构的位形随着施工步的推进持续变化。因此,主体结构和幕墙结构的设计位形,不能作为幕墙安装的直接依据,需对整个建筑进行施工全过程跟踪分析,以确定各幕墙菱形格构的安装位形。
10 施工技术创新研究
随着大跨度结构及超高层结构的不断增多,施工技术的研究、施工技术的创新以及由此产生的施工力学问题日益突出。传统的施工技术在高大精尖等复杂结构中被慢慢淡出,随之而来的是一些创新的施工技术,如整体提升施工技术、整体顶升施工技术、整体滑移施工技术及其他特殊结构施工技术等[11-14]。它们的最大特点:一是施工方案的创新与新结构形式紧密结合,根据新结构的构成和受力特点创新施工方案;二是施工力学问题的解决紧密依赖于计算技术的发展,可以通过施工过程的仿真,真实地了解和掌握结构在施工过程中的变形和内力的变化过程。
最近,作者针对首都国际机场A380机库的整体提升技术,提出了一体化结构建模分析方法[34]。所谓一体化建模分析,是把提升网架、提升塔架与吊索融在一个有限元模型中,进行起提阶段、提升阶段、合拢阶段以及落架阶段的全过程跟踪模拟分析。在跟踪模拟分析过程中,可考虑不利因素或偶然荷载的不利影响,如不均匀提升工况、温度变化及风载作用等。在计算方法的处理上,通过给吊索降温(冷冻)实现提升的目的,通过节点耦合技术实现后补构件的合拢,通过给吊索升温达到落架的目的。整体提升一体化分析模型的最大优点是能自动考虑提升结构、吊索以及支承胎架的刚度变化对整体结构系统内力与变形的影响,最重要的是能在提升过程中准确反映风荷载作用对提升胎架稳定性及变形的影响。
施工技术的创新也包括在现有一些施工技术的
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大型复杂钢结构施工力学问题及分析方法———郭彦林,等
基础上注入新的技术,如整体提升采用液压穿心式千斤顶和计算机控制技术相结合,整体顶升技术应用在攀达穹顶网架结构和网壳结构的整体安装中等。一些特殊结构形式的施工技术,如摩天观光轮,可以根据其结构形式具体对待,但就一般共性的问题可先进行研究。新型施工技术的实施需要以模拟仿真分析的数据为指导,同时分析的结果也是评价方案优劣的重要依据。
11 总 结
对于大型复杂钢结构建筑,结构在竣工完成后要满足两个基本条件:一是变形不超限;二是锁定结构的内力在一定范围内。设计人员需要了解结构的成型过程及其分析方法,需要时可以根据其结构受力要求提出特定的施工方案,且对施工过程及方案进行分析及评价;同时施工技术人员需要了解结构和建筑设计师的设计意图,也需要研究施工过程中结构内力和变形的发展及变化情况,以保证施工过程中结构的安全性和可靠性,并且使得竣工时结构的受力状态满足设计要求。
本文对大型复杂钢结构施工过程中表现出的若干力学问题及其解决思路和分析方法进行了探讨。首先阐述了施工过程模拟分析的力学基础,然后针对施工过程中锁定内力及分析方法、结构施工变形预调值的概念及其确定方法、柔性结构的成型过程及其分析方法、大跨度钢结构拆撑过程及其分析方法、索-滑轮体系力学问题的求解方法、施工过程温度变化及影响、构件及节点焊接残余应力分析、次构件安装位形的确定以及施工技术创新研究等方面进行了分析。这些问题构成了大型复杂结构施工力学学科的基本问题,对其进一步研究不仅可以促进施工力学的发展,而且对大型复杂结构的施工技术有重要的推动作用。
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8工业建筑 2007年第37卷第9期