大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過程的結(jié)構(gòu)分析方法研究

孫 偉

（廈門工學院 建筑與土木工程學院 土木工程系，福建 廈門 361000）

設(shè)計人員在設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)的過程中，對會影響結(jié)構(gòu)性能的各方面因素缺乏重視，對于跨度較小或底層的建筑來講，施工的最終結(jié)果同設(shè)計沒有太明顯的差異，但是對于跨度較大、樓層較高的建筑來說，如果還沒有重視施工方法和施工過程會對建筑結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響，就會導致建筑的最終狀態(tài)同設(shè)計存在差異.通過大量的實踐證實，必須要加強對大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工中各個環(huán)節(jié)的計算分析，只有這樣才能保障建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性.

1 大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工力學概述

時變結(jié)構(gòu)力學可以分為以下三大方面：快速時變力學、慢速時變力學以及超慢速時變力學，而施工力學屬于慢速力學的范疇內(nèi)，隨著結(jié)構(gòu)的不斷變化可以進行靜動力分析，也就是要分析其工作時存在的各種狀態(tài)，研究該狀態(tài)中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.在進行結(jié)構(gòu)施工的過程中，通常情況下需要增設(shè)一些暫時的支撐體系，同原有的結(jié)構(gòu)相融合構(gòu)成工作系統(tǒng)，這些都是我們需要研究的.

對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工來講，要想結(jié)構(gòu)的最終效果同設(shè)計階段的標準相吻合，詳細的施工結(jié)構(gòu)分析以及計算是不可或缺的重要工作，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計的標準來制定最佳的施工方案，以此來保障施工整體的安全性和穩(wěn)定性.在最近幾年中，大跨度鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展是有目共睹的，但是在施工的過程中也不可避免的存在很多問題，例如某體育館中平面桁架的整體吊裝，只有設(shè)置很多吊點才能保障桁架的各項指標符合相關(guān)的標準，否則桁架的穩(wěn)定性將不能保障，但是計算桁架吊裝穩(wěn)定性屬于一項非常復雜的工作，需要消耗大量的人力物力，類似這種問題有很多，所以必須要重視起來.

在對大跨度鋼結(jié)構(gòu)進行力學分析的過程中，雖然結(jié)構(gòu)處于不斷變化的狀態(tài)中，但可以把結(jié)構(gòu)處理為慢速時變過程，采取時間凍結(jié)法進行分析，依照有限元分析步驟重新進行輸入和劃分，把前次的結(jié)果作為下次的輸入數(shù)據(jù)，但是這樣做最突出的缺點就在于計算的任務量大大提高，所以施工力學另外一項需要解決的任務就是如何增強計算的效率.目前施工力學已經(jīng)提出了很多種數(shù)據(jù)值方法，比較重要的分為以下三種：其一，一般單元法，通過單元的增減來實現(xiàn)求解區(qū)域的變化，該方法的缺點在于網(wǎng)格需要不斷的進行剖分；其二，拓撲變化法，通過拓撲原理實現(xiàn)求解區(qū)域隨時間的變化，其缺點在于時變的次數(shù)不能過多，否則會降低計算的效率；其三，時變單元法，離散網(wǎng)格保持不變，通過單元的改變來實現(xiàn)求解區(qū)的變化，其缺點在于數(shù)值積分不夠穩(wěn)定.以上三種方法在求解鋼結(jié)構(gòu)力學方面都存在或多或少的問題，還需進一步探討.

2 大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工特點

大跨度鋼結(jié)構(gòu)具有較強的剛度，正是這種較強的剛度使得所發(fā)生變形的可能性較低，所以能夠從線性理論的角度來思考線性的變形，以此來解決力學方程，也就是說在這種變形較為微弱的形勢之下來計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力.索網(wǎng)、膜結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的抗彎抗剪能力比較低，其構(gòu)形取決于張拉力的分布情況.結(jié)構(gòu)體通過變形來避免外來荷載對自身產(chǎn)生的作用，該理論為物理結(jié)構(gòu)中非常重要的一個方面，剛性結(jié)構(gòu)、半剛性結(jié)構(gòu)以及柔性結(jié)構(gòu)都具有各自的特點，在受力方面也存在很大的不同，因此在施工時的結(jié)構(gòu)受力分析方法也是不同的.現(xiàn)如今隨著建筑行業(yè)的發(fā)展越來越快，大型鋼結(jié)構(gòu)的應用也更加的廣泛，成為了未來建筑行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，因此當前設(shè)計人員所面臨的一項重要工作就是把施工結(jié)構(gòu)分析方法應用到實際工作中來，使結(jié)構(gòu)的設(shè)計更加穩(wěn)定，保障施工的安全性，深入倆接結(jié)構(gòu)施工的特點，把分析方法同實際妥善的融合到一起，推動施工工作順利的開展.

3 大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工的力學原理及方法

3.1 大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工的力學原理

大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工是連續(xù)的，也就是說鋼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)也是在不斷變化的，前階段的內(nèi)力和位移對下個階段會產(chǎn)生直接的影響，只有深入分析各個階段的內(nèi)力和位移才能保障其效益的準確性；另外在各個階段的施工時，結(jié)構(gòu)各個方面的指標都會發(fā)生邊變化，例如溫度、約束、預應力等，只有通過嚴密的跟蹤才能反映出最準確的結(jié)果.目前有限元的發(fā)展非常迅速，例如MSC、ANSYS等都能夠?qū)崿F(xiàn)對不同結(jié)構(gòu)形式的混合運算，對各方面的計算分析也都相對完善，以此成立了一個更加強大的平臺，但由于該平臺不能直接實現(xiàn)對施工的跟蹤，所以利用該平臺進行二次開發(fā)是當前一條急需發(fā)展的道路.

在力學分析中通常通過拉格朗日列式來描述運動的過程，該描述方法在增量非線性分析中應用的非常多，能夠跟蹤到物體各點的變化，結(jié)合虛功原理獲得結(jié)構(gòu)單元的切線剛度矩陣公式如下：[K]e=[K]e0+[K]e1+[K]eσ，通過左邊轉(zhuǎn)為獲得方式[K(U)]{U}={F},[K(U)]是位移向量，后二者分別為位移向量和荷載向量.對于工程施工來講，最重要的就是結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，當構(gòu)件增加時剛度矩陣也會相應的發(fā)生改變，這時采用增量迭代的方式進行計算，把增加構(gòu)件前的結(jié)構(gòu)狀態(tài)作為基礎(chǔ)，增加之后的狀態(tài)作為終態(tài)，這樣就能全面的分析增加構(gòu)件對結(jié)構(gòu)所帶來的影響.相反，當減少構(gòu)件時把減少前的狀態(tài)作為基礎(chǔ)，計算出減少構(gòu)件的節(jié)點力，在減少之后把節(jié)點反力施加在原位置上進行計算，即能獲得減少構(gòu)件后的結(jié)構(gòu)狀態(tài).當外荷載發(fā)生改變時會導致結(jié)構(gòu)外荷載也發(fā)生改變，例如溫度荷載等，處理的方式就是在原有荷載列陣中加入增加荷載的變化量，然后重新進行計算；當外界因素發(fā)生改變時要進行統(tǒng)一處理，實時調(diào)整位移列陣.

對于有限元軟件來講，相對容易的問題是邊界的變化，但是對于構(gòu)件的改變處理則相對復雜，這時可以使用ANSYES軟件中的計算功能和單元功能來全過程跟蹤施工分析方法.所謂ANSYES就是一個大型有限元系統(tǒng)，其包含著多種形式的單元庫，基本每個單元都具有“激活”和“殺死”的能力，也就是所謂的死活單元功能，其具體功能如下：①“激活”單元，在當前的受力狀態(tài)下激活結(jié)構(gòu)中的某個單元，如果結(jié)構(gòu)沒有心的荷載則內(nèi)力不會產(chǎn)生改變，如果存在新增的荷載則激活的單元也會發(fā)生改變；②“殺死”單元，所謂殺死單元就是把某些構(gòu)件從結(jié)構(gòu)中撤除，這時該構(gòu)件的內(nèi)力就會作用在結(jié)構(gòu)上，造成結(jié)構(gòu)的變形.

3.2 大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工的力學方法

新增構(gòu)件的情況可以分為四個方面，如圖1所示，圖中的直線代表原來的位置，虛線位置代表發(fā)生變形之后的位置，點劃線代表新增的構(gòu)件，針對圖1所示的幾種情況明確了下面幾點原則：①如果新添加的構(gòu)件沒有同原有的構(gòu)件相連，那么將采用節(jié)點設(shè)計坐標為新的節(jié)點坐標；②如圖1中的a，o為新節(jié)點的位置，結(jié)合構(gòu)件JK延長線的方向以及|KL|來決定o的坐標位置；③如圖1中的b，JK為新增的構(gòu)件，但是并不存在新增的節(jié)點，因此JK長度就是J和K兩點之間的距離；④如圖1中的c，JO1和JO1為新增的構(gòu)件，但O1和O1為同一節(jié)點，因此要由O1和JO1來共同確定O的位置.

圖1 新增構(gòu)件情況分析圖

在四點原則中，通過前兩點原則能夠發(fā)現(xiàn)，新增構(gòu)件的大小同建模是保持相同的，而通過后兩點原則又能夠發(fā)現(xiàn)，新增構(gòu)件的長度會發(fā)生改變，所以在對構(gòu)件進行施工的過程中必須要考慮到該問題，如果考慮的不全面，將會直接造成構(gòu)件不能順利的安裝，而且還會產(chǎn)生大量的殘余內(nèi)力.總體來看該計算方法的效率比較高，但關(guān)于施工中對構(gòu)件矯正方面的內(nèi)容沒有涉及到，因此下面探討其它計算方法.

新增的構(gòu)件如果并沒有同原有構(gòu)件相連，那么應用建立于設(shè)計坐標的單元激活方式就能夠進行計算.①如圖2中的a，JL同KJ幾乎在同時生成，但是生成之后的新增單元JL沒有密度虛設(shè)，剩余的參數(shù)保持不變，在新增單元添加之后還原其密度.②如圖2中的b，在生成IJ和KL的時候，新增單元JK也生成，但是JL沒有密度虛設(shè)，在新增單元添加之后要把密度和彈性模量還原才能計算.③如圖2中的c，通過O1和O2能夠明確O點的具體位置，但是通常情況下要使O點更接近O1，所以要通過計算來研究O1和O2哪個同設(shè)計位置更近，以此來作為O點.上述的幾種情況并沒有考慮到實際的定位方法，所以又存在下面幾種情況.④如圖2中的a和b，當修正單位分別為兩節(jié)或三節(jié)的時候，O點的坐標要同設(shè)計時保持一致，負荷單元激活的理論；⑤如圖2中的的c，在兩個新增單元聚攏時，O點的位置也同設(shè)計的位置保持一致，也可以采用單元激活的方式.通過上述原理，利用ANSYS平臺進行處理，一方面能夠降低施工力學研究的難度，另一方還能增強了計算的實用性.

圖2 新增構(gòu)件情況分析圖

4 總結(jié)

通過上述分析能夠看出，通過施工力學來分析大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工具有非常重要的價值和意義，不僅能夠保障大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工安全，還能保證建筑整體的安全性和穩(wěn)定性.因此設(shè)計人員必須要掌握鋼結(jié)構(gòu)力學分析原理，對大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工過程進行分析，制定最佳的施工方案，使大跨度鋼結(jié)構(gòu)的應用更加廣泛.

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