多高層鋼結(jié)構(gòu)若干施工力學問題研究

文/賈延玲、魯紹寧、韓蕾 山東凱文科技職業(yè)學院 山東濟南 250200

1、前言

隨著工程技術(shù)和經(jīng)濟的發(fā)展，高層鋼結(jié)構(gòu)，其施工期間和施工的復雜性也在增加。不斷增長的同時，建筑事故，由于沒有考慮施工過程設計中各種因素對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響最終導致占相當大的比例。分析結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計(只有在使用階段的結(jié)構(gòu)在不同負載情況下機器組合效應分析)是不夠的。恒定負載的實際重量的結(jié)構(gòu)施工與施工步驟的過程中逐漸推進結(jié)構(gòu)，當它在固定負載下完成施工步驟產(chǎn)生的內(nèi)力和變形積累的影響，反過來，它的大小和分布及施工過程的“路徑”和“時間”效應有密切相關(guān)性。因此，高層鋼結(jié)構(gòu)施工過程力學問題，分析尤為重要。

2、施工過程分析及其理論基礎

施工過程中結(jié)構(gòu)的受力特點是，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)將隨之改變。整個施工過程需經(jīng)歷一系列準結(jié)構(gòu)狀態(tài)才能達到竣工狀態(tài)，期間結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)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。施工過程跟蹤分析的難點主要是：

1)結(jié)構(gòu)時變的模擬施工過程中的結(jié)構(gòu)在不斷變化，除了構(gòu)件的安裝還可能有構(gòu)件(臨時支撐)被拆除，分析對象的求解區(qū)域隨時間的推進不斷地增加或縮減，即使求解區(qū)域沒有變化，結(jié)構(gòu)的受力性能也可能發(fā)生較大的改變(柔性結(jié)構(gòu)的張拉)。

2)材料時變的模擬施工過程中鋼材的性能基本不會變化，而對于混凝土等時間依存性材料，其性能在不斷地變化，表現(xiàn)出了較強的非線性。

3)邊界條件時變的模擬施工過程中結(jié)構(gòu)的邊界條件經(jīng)常會發(fā)生變化。對于大跨度結(jié)構(gòu)，在施工的初始階段釋放掉某些自由度(拱腳水平位移)，在施工的后續(xù)階段或成型后再施加約束，可減少拱腳支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。對于采用臨時支撐進行施工的結(jié)構(gòu)，隨著支撐的拆除，結(jié)構(gòu)的邊界條件不斷變化。

3、計算模型

設計的計算模型是將荷載一次性地加到結(jié)構(gòu)最終的幾何模型圖上，而施工力學分析的計算模型是根據(jù)實際施工過程，隨著結(jié)構(gòu)幾何模型的變化而不斷變化。同時，結(jié)構(gòu)的自重荷載也是逐步施加，并且只作用于已施工完成的結(jié)構(gòu)上，對上部未建結(jié)構(gòu)的內(nèi)力沒有影響。

高層鋼結(jié)構(gòu)的施工力學分析中結(jié)構(gòu)所承受的豎向荷載主要是自重荷載和施工荷載。由于在施工期間遭遇大自然災害的概率較小，所以風荷載可以考慮取為常遇荷載。與此同時，考慮溫度荷載作用，并可以不考慮地震的作用。高層鋼結(jié)構(gòu)的施工與安裝，無論采用何種施工方案及措施，施工及安裝完成后的結(jié)構(gòu)必須滿足2個條件：①結(jié)構(gòu)位形滿足目標位形(設計位形)的要求；②鎖定在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裝配內(nèi)力與其它荷載的組合需滿足結(jié)構(gòu)的承載力要求。因此，對大型復雜鋼結(jié)構(gòu)工程進行施工全過程跟蹤模擬分析，計算結(jié)構(gòu)在成型過程中變形和內(nèi)力的變化和發(fā)展狀況，可以正確地評價施工方案對結(jié)構(gòu)安全的影響。

編制有限元軟件時，可采用分層法，跟蹤模擬高層鋼結(jié)構(gòu)施工的整個過程。分層法的核心內(nèi)容就是，用靜態(tài)結(jié)構(gòu)設計方法模擬動態(tài)的施工過程，只對結(jié)構(gòu)每增加一層時，不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)，不同的邊界條件，進行非線性增量法迭代分析。雖然這種方法比較粗略，但是從計算量和實際工程應用考慮，已經(jīng)完全達到工程計算精度要求。

對于支座條件，完全剛接和完全鉸接的情況都是不存在的，半剛性節(jié)點可用兩端帶彈簧的單元進行模擬。對于兩個單元節(jié)點有偏心的情況，可采用帶剛臂的單元進行模擬。

4、施工變形預調(diào)值的確定

對于傾斜高層鋼結(jié)構(gòu)的施工，最大的難題是隨著施工步的推進，已裝結(jié)構(gòu)在不斷地變形，對新裝構(gòu)件的安裝位形有較大的影響。為使竣工時的結(jié)構(gòu)能夠達到期望的目標位形，施工過程中各構(gòu)件須在一系列特定的位形上進行加工和安裝，而這些特定的位形是未知的，且與目標位形存在一定的差別。因此必須對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安裝位形進行預測和預調(diào)，找到各階段構(gòu)件的安裝位形，確定構(gòu)件合理正確的加工尺寸和安裝坐標，從而使得安裝完成后，結(jié)構(gòu)的位形滿足目標位形。

鋼結(jié)構(gòu)施工的變形預調(diào)值包括構(gòu)件的加工預調(diào)值和安裝預調(diào)值。構(gòu)件的加工預調(diào)值等于構(gòu)件的加工長度與設計長度的差值，用來補償施工過程中構(gòu)件的軸向壓縮或拉伸所產(chǎn)生的變形，其大小取決于竣工時構(gòu)件的軸向應力水平。構(gòu)件的安裝預調(diào)值等于構(gòu)件節(jié)點的安裝坐標與設計坐標的差值，用來補償施工過程中構(gòu)件節(jié)點所產(chǎn)生的位移，其大小取決于竣工時節(jié)點相對安裝位置的位移。

對于大型復雜鋼結(jié)構(gòu)建筑，結(jié)構(gòu)在竣工完成后要滿足兩個基本條件：一是變形不超限；二是鎖定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力在一定范圍內(nèi)。設計人員需要了解結(jié)構(gòu)的成型過程及其分析方法，需要時可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)受力要求提出特定的施工方案，且對施工過程及方案進行分析及評價；同時施工技術(shù)人員需要了解結(jié)構(gòu)和建筑設計師的設計意圖，也需要研究施工過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的發(fā)展及變化情況，以保證施工過程中結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，并且使得竣工時，結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)滿足設計要求。

結(jié)語：

高層鋼結(jié)構(gòu)施工過程顯示許多機械問題及其解決方案和分析方法進行了討論。首先闡述了機械的施工過程仿真分析基礎上，然后鎖在施工的內(nèi)力和變形分析方法、結(jié)構(gòu)等建設方面確定預設值的概念和方法進行了分析。提出的概念分層的方法，為進一步研究不僅可以促進建筑力學的發(fā)展，和高層鋼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)有著重要的作用。