多高層鋼結(jié)構(gòu)若干施工力學(xué)問題研究

【摘要】高層鋼結(jié)構(gòu)的分析通常采用的結(jié)構(gòu)形狀，負(fù)荷計(jì)算模型不符合實(shí)際的形成和軸承結(jié)構(gòu)在施工的過程中，和內(nèi)力和變形的差異的影響與結(jié)構(gòu)層的增加。基本力學(xué)問題的高層鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，施工過程的分層方法是用來跟蹤仿真，根據(jù)鎖在施工過程內(nèi)力和變形分析方法，結(jié)構(gòu)施工等方面確定預(yù)設(shè)值的概念和方法進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】高層鋼結(jié)構(gòu)；施工過程；分層法；力學(xué)分析

1、前言

隨著工程技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層鋼結(jié)構(gòu)，其施工期間和施工的復(fù)雜性也在增加。不斷增長的同時(shí)，建筑事故，由于沒有考慮施工過程設(shè)計(jì)中各種因素對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響最終導(dǎo)致占相當(dāng)大的比例。分析結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（只有在使用階段的結(jié)構(gòu)在不同負(fù)載情況下機(jī)器組合效應(yīng)分析）是不夠的。恒定負(fù)載的實(shí)際重量的結(jié)構(gòu)施工與施工步驟的過程中逐漸推進(jìn)結(jié)構(gòu)，當(dāng)它在固定負(fù)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(shí)間”效應(yīng)有密切相關(guān)性。因此，高層鋼結(jié)構(gòu)施工過程力學(xué)問題，分析尤為重要。

2、施工過程分析及其理論基礎(chǔ)

施工過程中結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)是，整個(gè)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(gè)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)與時(shí)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(diǎn)主要是：

1）結(jié)構(gòu)時(shí)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(shí)支撐）被拆除，分析對象的求解區(qū)域隨時(shí)間的推進(jìn)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(shí)變的模擬施工過程中鋼材的性能基本不會(huì)變化，而對于混凝土等時(shí)間依存性材料，其性能在不斷地變化，表現(xiàn)出了較強(qiáng)的非線性。

3）邊界條件時(shí)變的模擬施工過程中結(jié)構(gòu)的邊界條件經(jīng)常會(huì)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(shí)支撐進(jìn)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(jì)算模型

設(shè)計(jì)的計(jì)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(xué)分析的計(jì)算模型是根據(jù)實(shí)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(shí)，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(xué)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(zāi)害的概率較小，所以風(fēng)荷載可以考慮取為常遇荷載。與此同時(shí)，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(gè)條件：①結(jié)構(gòu)位形滿足目標(biāo)位形（設(shè)計(jì)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(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行施工全過程跟蹤模擬分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)在成型過程中變形和內(nèi)力的變化和發(fā)展?fàn)顩r，可以正確地評價(jià)施工方案對結(jié)構(gòu)安全的影響。

編制有限元軟件時(shí)，可采用分層法，跟蹤模擬高層鋼結(jié)構(gòu)施工的整個(gè)過程。分層法的核心內(nèi)容就是，用靜態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法模擬動(dòng)態(tài)的施工過程，只對結(jié)構(gòu)每增加一層時(shí)，不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)，不同的邊界條件，進(jìn)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(jì)算量和實(shí)際工程應(yīng)用考慮，已經(jīng)完全達(dá)到工程計(jì)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(diǎn)可用兩端帶彈簧的單元進(jìn)行模擬。對于兩個(gè)單元節(jié)點(diǎn)有偏心的情況，可采用帶剛臂的單元進(jìn)行模擬。

4、施工變形預(yù)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(jìn)，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(shí)的結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到期望的目標(biāo)位形，施工過程中各構(gòu)件須在一系列特定的位形上進(jìn)行加工和安裝，而這些特定的位形是未知的，且與目標(biāo)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(jìn)行預(yù)測和預(yù)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(biāo)，從而使得安裝完成后，結(jié)構(gòu)的位形滿足目標(biāo)位形。

鋼結(jié)構(gòu)施工的變形預(yù)調(diào)值包括構(gòu)件的加工預(yù)調(diào)值和安裝預(yù)調(diào)值。構(gòu)件的加工預(yù)調(diào)值等于構(gòu)件的加工長度與設(shè)計(jì)長度的差值，用來補(bǔ)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(shí)構(gòu)件的軸向應(yīng)力水平。構(gòu)件的安裝預(yù)調(diào)值等于構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的安裝坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)的差值，用來補(bǔ)償施工過程中構(gòu)件節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的位移，其大小取決于竣工時(shí)節(jié)點(diǎn)相對安裝位置的位移。

對于大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑，結(jié)構(gòu)在竣工完成后要滿足兩個(gè)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(shè)計(jì)人員需要了解結(jié)構(gòu)的成型過程及其分析方法，需要時(shí)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(jìn)行分析及評價(jià)；同時(shí)施工技術(shù)人員需要了解結(jié)構(gòu)和建筑設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)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(shí)，結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求。

結(jié)語：

高層鋼結(jié)構(gòu)施工過程顯示許多機(jī)械問題及其解決方案和分析方法進(jìn)行了討論。首先闡述了機(jī)械的施工過程仿真分析基礎(chǔ)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(shè)方面確定預(yù)設(shè)值的概念和方法進(jìn)行了分析。提出的概念分層的方法，為進(jìn)一步研究不僅可以促進(jìn)建筑力學(xué)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]賀清蓉.遠(yuǎn)大小天城高層鋼結(jié)構(gòu)順風(fēng)向舒適度分析[D].湖南大學(xué)，2015.

[2]黃榮坤.高層鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用研究[D].河北工程大學(xué)，2014.

[3]袁波.防屈曲支撐高層鋼結(jié)構(gòu)大型子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法研究[D].湖南大學(xué)，2013.

[4]孟憲德，龍坪，張鑫，胡新偉，趙旭千.多高層鋼結(jié)構(gòu)支撐與框架的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)探討[J].工業(yè)建筑，2012，42（10）：137-141.

作者簡介：

賈延玲，山東凱文科技職業(yè)學(xué)院，山東濟(jì)南。

項(xiàng)目名稱：

鋼結(jié)構(gòu)支撐體系在施工過程中的有限元分析，項(xiàng)目編號：J16LG52