新時期鋼結(jié)構(gòu)建筑施工力學(xué)問題分析

程鵬

0 引言

近年來，建筑工業(yè)化改革后，創(chuàng)新了裝配式工藝，擴大了鋼結(jié)構(gòu)建筑類型的快速發(fā)展。從目前的應(yīng)用情況看，鋼結(jié)構(gòu)建筑中包括了柔性結(jié)構(gòu)、大跨度剛性結(jié)構(gòu)、被吊結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)等。尤其在建筑外墻裝飾方面，鋼結(jié)構(gòu)的使用相對增多，鋼桁架形式的使用，也使鋼結(jié)構(gòu)建筑屋面、墻體等方面的施工效率獲得了大幅度提升。但是，在鋼結(jié)構(gòu)建筑施工時，對于力學(xué)原理的分析不精準(zhǔn)會引起一系列的質(zhì)量問題，包括鋼結(jié)構(gòu)施工變形、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件吊裝失衡、鋼結(jié)構(gòu)鎖定內(nèi)力不當(dāng)?shù)?，此類問題發(fā)生后，也容易使鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全性、穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響。因此，在新時期鋼結(jié)構(gòu)建筑施工中需要加強相關(guān)力學(xué)問題分析。

1 工程概況

以某鋼結(jié)構(gòu)廠房建筑為例，總用地面積為20.9hm，總建筑面積為103 000m，占地82 600m，地面建筑面積98 000m，地下建筑面積5 000m，主要用于車輛大修，包括調(diào)機車庫、部件檢測間、轉(zhuǎn)向架車間、廠修庫、車體庫、調(diào)試庫、停車庫，以及各類配套的材料、設(shè)備設(shè)施存放及管理間。鋼結(jié)構(gòu)建筑以庫房為主，由于使用該結(jié)構(gòu)時的成本較大，質(zhì)量要求較高，而且存在施工周期緊的情況。因此在設(shè)計施工一體化條件下，需要對其中的鋼結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)、剛性程度、邊界條件等做出全面探討，并將重點放在相關(guān)力學(xué)問題分析方面，保障施工安全質(zhì)量。

2 鋼結(jié)構(gòu)建筑施工力學(xué)問題分析

（1）在該項目工程中，除設(shè)計單位外，建設(shè)單位、施工單位、監(jiān)理單位派遣的專職人員對于施工力學(xué)問題的分析重視程度不夠，在實際受力分析時也不詳細(xì)。由于鋼結(jié)構(gòu)建筑本身的負(fù)載量較大（包括自重負(fù)載、裝飾負(fù)載、周圍結(jié)構(gòu)負(fù)載等），施工過程中需要以循序漸進的方式將鋼結(jié)構(gòu)材料與構(gòu)件安裝到建筑主體結(jié)構(gòu)，因而，在施工過程受力累積的情況下，不排除恒定荷載造成的內(nèi)力變形問題。

（2）該鋼結(jié)構(gòu)建筑施工時，與施工路徑、施工進度密切關(guān)聯(lián)。在確定施工路徑的條件下，隨著施工時間的延長鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)力會逐漸發(fā)生變化，當(dāng)內(nèi)力變化程度較大時，其強度與穩(wěn)定性會受到相應(yīng)影響，從而引起安全質(zhì)量風(fēng)險，進一步造成其材料性質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征出現(xiàn)變化。因此，在該建筑的實際施工中，需要對內(nèi)力變化、外部受力的極限值進行合理控制，預(yù)防因穩(wěn)定性喪失而引起坍塌事故。另外，鋼結(jié)構(gòu)建筑工程施工中搭設(shè)的臨時結(jié)構(gòu)內(nèi)，會使用到千斤頂，它只能承載壓力，并不能承擔(dān)拉力。隨著施工進度的變化與臨時支撐逐漸拆除，千斤頂也會下降。此時，一旦發(fā)生主體結(jié)構(gòu)位移量小于千斤頂累積下降量的情況，主體結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載會越來越大。而且，在臨時支撐卸載后主體結(jié)構(gòu)中的變形會隨之增大。從實質(zhì)上看，相當(dāng)于擴大了鋼結(jié)構(gòu)荷載量。簡單講，臨時支撐的卸載使主體結(jié)構(gòu)承擔(dān)了更多荷載，并在拉力影響下逐漸通過位移變化造成了變形增大的問題。

（3）本項目工程的穩(wěn)定性，在受到鋼結(jié)構(gòu)荷載、幾何形態(tài)邊界條件、剛性程度的影響的情況下，鋼結(jié)構(gòu)建筑荷載量會持續(xù)增加。超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值后，其受力性能會出現(xiàn)變化。從實踐經(jīng)驗看，因受力性能變化引起的質(zhì)量問題發(fā)生在施工不同階段。例如，在材料加工時的構(gòu)件變形問題，吊裝時因失去平均造成的安裝不精準(zhǔn)問題，內(nèi)力不穩(wěn)定問題等。

3 鋼結(jié)構(gòu)建筑施工力學(xué)分析與應(yīng)對舉措

3.1 施工跟蹤措施

（1）在鋼結(jié)構(gòu)建筑施工時，存在材料時變、結(jié)構(gòu)時變、邊界條件時變等情況，跟蹤管理難度較大。因而在實踐過程中，需要對其進行相應(yīng)的模擬分析。以材料時變的模擬為例，鋼結(jié)構(gòu)材料于施工過程中并不會發(fā)生較大變化，可是鋼結(jié)構(gòu)建筑中并不是全部使用鋼材，其中還會配套使用混凝土材料。此類材料應(yīng)用時其材料性能會隨著時間的變化而改變，具有十分明顯的線性特點。而且在鋼結(jié)構(gòu)建筑中的施工順序不同，混凝土的收縮、徐變等時變效應(yīng)會出現(xiàn)相應(yīng)變化。因而需要對此類材料時變效應(yīng)進行關(guān)聯(lián)分析。以結(jié)構(gòu)時變的模擬為例，本項目工程屬于大型鋼結(jié)構(gòu)建筑，鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件安裝中要求搭建臨時支撐，當(dāng)施工進度持續(xù)推進時，臨時支撐會發(fā)生變化。此時，不排除拆除臨時支撐后柔性結(jié)構(gòu)張拉力改變的現(xiàn)象。在這種情況下，需要將臨時支撐、求解區(qū)域進行關(guān)聯(lián)分析。以邊界條件的模擬為例，本項目中的跨度相對較大，結(jié)構(gòu)邊界會發(fā)生變化。此時需要在施工初期做好部分自由度的釋放記錄工作，并在后續(xù)施工成型階段進行相應(yīng)的約束。

（2）本項目工程施工始終處于動態(tài)變化過程，當(dāng)材料逐次疊加、結(jié)構(gòu)逐漸成形的條件下，其中的荷載量會相應(yīng)增加。而且，在施工過程與竣工后，仍然會因內(nèi)力變化、變形等問題，降低其穩(wěn)定性與承載能力。因此，在應(yīng)用力學(xué)方法時，應(yīng)結(jié)合施工路徑與施工進度方面的時間變化及產(chǎn)生的效應(yīng)，合理利用效應(yīng)理論，分析不同路徑、不同進度情況下的建筑受力情況，從而在施工量增加、荷載量增大的基本條件下，選擇相應(yīng)的處理辦法。

（3）從該項目工程施工經(jīng)驗看，需要按照常用LSM 線性計劃表法，編制施工進度方案。利用時間、空間（路徑）之間的關(guān)系，梳理清楚安裝順序，并在不同的安裝階段，實時進行校正。例如，在鋼柱與鋼柱間支撐、鋼桁架與框架梁、托梁與屋面鋼梁等分部項目中，應(yīng)該按照全過程管理辦法，保障其安裝時的實時校正，從而保障施工安全與質(zhì)量。鋼結(jié)構(gòu)建筑分部項目如下圖1 所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)建筑分部項目施工安裝校正示意

3.2 變形預(yù)調(diào)措施

本項目中的6 個鋼結(jié)構(gòu)庫房中，1# 庫房（廠修庫）、2#庫房（調(diào)試庫）、3#庫房（車體庫）體量相對較大。其中，1# 庫房長度為162m，寬度為118m，最大跨達(dá)到了24m，而且跨度總計6 跨，縱向每跨設(shè)置的門式剛架共計28 列。2# 庫房外形尺寸方面，長、寬度分別為94.7m、54m，雖然鋼結(jié)構(gòu)僅為2 跨，但是最大跨度在達(dá)到了33m，是三個庫房中跨度最大的鋼結(jié)構(gòu)，縱向每跨設(shè)置的門式剛架共計16列。3# 庫房長、寬度分別為185m、62m，3 跨鋼結(jié)構(gòu)中最大跨度為25m，縱向設(shè)置門式剛架共計31 列。由于鋼結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，施工中的重點、難點集中到了安裝中的變形問題上，具體包括設(shè)計安裝位置與實際安裝位置存在偏差，受力條件出現(xiàn)變化等。因此，在施工中需要對鋼結(jié)構(gòu)變形進行預(yù)調(diào)處理。

具體操作時，要求在安裝施工結(jié)束后，根據(jù)工程質(zhì)量檢測小組的變形檢測結(jié)果，以受力變形穩(wěn)定為前提，開展相應(yīng)的安裝位置調(diào)整?？紤]到變形問題發(fā)生在施工過程之中，而且具有不斷變化的特點，在本項目施工時，質(zhì)量管理小組與質(zhì)量檢測小組采用協(xié)同合作的辦法，一方面增加了放線測量方面的二次復(fù)驗，另一方面實施了安裝時的技術(shù)指標(biāo)控制，結(jié)合監(jiān)理施工監(jiān)督，較好地實現(xiàn)了安裝施工質(zhì)量控制及安裝后的變形預(yù)調(diào)工作。需要說明的是，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工時，需要進行工廠預(yù)拼裝，或者實施現(xiàn)場預(yù)拼裝，此時牽涉到構(gòu)件精度的控制與內(nèi)力變化的控制，尤其在曲線面桁架制作方面，構(gòu)件本身的制作也會出現(xiàn)變形問題。因此，在本項目中結(jié)合實際情況，應(yīng)用了拼裝胎具（如下圖2 所示），通過確定基準(zhǔn)參考點（選擇上弦或下弦均可），有利于通過拼裝胎具提高其制作精度，使其滿足施工時的強度、剛度、精度要求等。

圖2 拼裝胎具示意

3.3 吊裝平衡措施

（1）鋼結(jié)構(gòu)建筑中以裝配工藝為主，為了保障施工的精準(zhǔn)性，預(yù)防吊裝施工時發(fā)生失衡并導(dǎo)致質(zhì)量問題。而且本項目工程中的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型較多，包括鋼梁、鋼柱、剛性系桿、檁條、柱間支撐等。其中鋼柱最大重量為3.9t，H 型鋼梁重量較大，整跨應(yīng)用時的最大重量達(dá)到了7.1t。加上鋼柱與鋼梁的尺寸相對較大，在實際吊裝時具有一定的難度。因此，施工單位在綜合評估吊裝施工難度及可能出現(xiàn)的吊裝失衡情況后，應(yīng)用了BIM 技術(shù)預(yù)先進行了施工模擬。具體操作方面，主要是將CAD 施工平面圖導(dǎo)入到Revit 軟件創(chuàng)建三維施工模型，然后按照IFC 軟件中的數(shù)據(jù)兼容優(yōu)勢，將三維施工模型導(dǎo)入Navisworks 平臺開展施工動畫模擬，確定吊裝施工時設(shè)備停放位置，吊壁移動半徑范圍，從而劃定安全施工區(qū)域。

（2）在吊裝施工時選擇了整體吊裝方案，要求先在施工現(xiàn)場進行原位預(yù)拼裝，構(gòu)成完整的鋼梁后再通過吊裝方式進行操作。在最大鋼柱與最重鋼梁方面，配套應(yīng)用了80t 吊車設(shè)備進行吊裝施工，其它重量相對較輕的構(gòu)件則根據(jù)實際情況，應(yīng)用了50t、20t 吊裝設(shè)備?？紤]到吊裝施工時整體構(gòu)件會發(fā)生受力變化，不能滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，甚至發(fā)生偏差較大的情況。

本次吊裝施工中對其全過程進行了細(xì)致分析，同時針對空間姿態(tài)調(diào)整難度進行了科學(xué)評估，盡可能細(xì)化了吊裝方案。具體如下：

①在吊裝形式方面，選擇了鎖滑輪裝置，在吊裝結(jié)構(gòu)內(nèi)容設(shè)置了滑輪、吊索等。

②根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件吊裝時移動路徑的變化情況、彈性變形情況、滑輪之間的受力變化情況等，科學(xué)剖析了吊裝施工時鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力特征。

③按照吊索長度與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件空間姿態(tài)調(diào)整之間存在的關(guān)聯(lián)，對不同重量的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力情況與吊索長度控制數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計。結(jié)果顯示，當(dāng)多根吊索長度均較大時，對于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的空間姿態(tài)調(diào)整容易實現(xiàn)，反之則難；當(dāng)多根吊索中的一根鋼索受力較大時，其空間姿態(tài)調(diào)整難度大，反之則容易。當(dāng)?shù)跛髋c吊索之間的受力差異較大時，其空間姿態(tài)調(diào)整容易實現(xiàn)，反之則較難實現(xiàn)。在全面分析基礎(chǔ)上，調(diào)整了各項影響因素，較好地實現(xiàn)了構(gòu)件吊裝平衡。需要說明的是，在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件吊裝方案設(shè)計時，吊索與滑輪體系之間的力學(xué)問題相對復(fù)雜，一方面應(yīng)區(qū)分不同滑動類型與相對滑移類型的拉索連接節(jié)點，另一方面則應(yīng)根據(jù)吊索-滑輪結(jié)構(gòu)體系整體上的可動體系特點，增強索的非線性、索與滑輪接觸的非線性受力分析。

3.4 內(nèi)力鎖定措施

新時期在鋼結(jié)構(gòu)建筑施工力學(xué)分析方面，應(yīng)用了先進的信息技術(shù)，能夠完成力學(xué)性能數(shù)值模擬分析。因此，在實際的裝配施工過程中，當(dāng)出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)建筑整體內(nèi)力受力情況的精準(zhǔn)分析難度較大時，可以利用此類技術(shù)深化設(shè)計，開展模擬分析，以此解決分部項目施工過程中內(nèi)力計算難以實現(xiàn)的問題，進而為分步成型、一步成型施工方法的應(yīng)用創(chuàng)造條件。具體而言，鋼結(jié)構(gòu)建筑竣工后，內(nèi)力會逐漸趨于穩(wěn)定，可以根據(jù)這個特點，對其內(nèi)力進行有效鎖定。

在本項目工程中，施工單位從整體視角出發(fā)，按照設(shè)計施工一體化的實際現(xiàn)狀，編制了全過程跟蹤分析方案?？紤]到施工單位人力資源方面的短板，通過監(jiān)理單位與設(shè)計單位協(xié)商，由設(shè)計單位應(yīng)用Karamba 建筑力學(xué)分析軟件，對鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)壁變化情況進行實際分析，根據(jù)多倍位情況、結(jié)構(gòu)內(nèi)部變化問題等，由施工單位制定具體的解決對策。內(nèi)力鎖定的重點集中在結(jié)構(gòu)內(nèi)力大小控制方面，旨在使不同部分之間實現(xiàn)重新組合，從而使受力狀況保持在有利于建筑穩(wěn)定的水平。具體操作時，以設(shè)計單位模擬分析結(jié)果為準(zhǔn)，對竣工項目內(nèi)力變化進行監(jiān)測，并通過調(diào)整不同構(gòu)件的精度等，保障內(nèi)力的穩(wěn)定性。

需要注意的是，該項目工程中使用的鋼板厚度較大，而且部分鋼板超過了80mm，施工時需要根據(jù)“米”字形節(jié)點、“目”字形節(jié)點進行節(jié)點焊接連接。這時焊接工藝的選擇與焊接順序，能夠?qū)?jié)點承載性能、延性造成的一定影響。同時，焊接時鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到的溫度往往不均勻。根據(jù)熱脹冷縮的物理原理看，在溫度較高的部位會出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象。但是，與之相鄰的鋼材也會對其產(chǎn)生約束作用，從而造成被焊接構(gòu)件內(nèi)部的溫度應(yīng)力增高問題。當(dāng)焊接施工持續(xù)變化時，則會造成局部區(qū)域出現(xiàn)塑性變形。另外，焊接作業(yè)完成后，構(gòu)件材料會因溫度下降而逐漸冷卻，這種情況下構(gòu)件內(nèi)部會形成因節(jié)點焊接引起的殘余應(yīng)力。雖然這種類型的力屬于自平衡力系，然而在承載期間，通過應(yīng)力疊加會增加多余的外載應(yīng)力，容易使部分區(qū)域的屈服強度提前達(dá)到，進而產(chǎn)生塑性變形，最終引起構(gòu)件承載能力的下降。因此，該項目工程信息部技術(shù)人員與施工質(zhì)量管理人員協(xié)同合作，結(jié)合ANSYS 有限元分析模擬了施焊時熱流動及擴散分布規(guī)律，在確定殘余應(yīng)力分布與大小的前提下，優(yōu)化了焊接工藝與焊接順序，較好地達(dá)到了對殘余應(yīng)力的合理控制，預(yù)防了塑性變形及其引起的構(gòu)件承載力下降問題。

4 結(jié)語

總之，鋼結(jié)構(gòu)建筑生產(chǎn)建造時的施工材料、施工工藝、施工技術(shù)，與傳統(tǒng)建筑存在較大差異，當(dāng)施工路徑與施工進度動態(tài)變化時，材料性能、構(gòu)件形態(tài)及相關(guān)因素會隨之變化，從而引起變形、安裝不精準(zhǔn)、吊裝失衡、內(nèi)力動態(tài)變化等多種問題。所以，在此類建筑生產(chǎn)建造時，一方面需要增強施工力學(xué)問題分析，另一方面則應(yīng)該結(jié)合施工過程，合理地開展施工跟蹤，盡可能根據(jù)施工過程中出現(xiàn)的問題制定針對性較強的解決措施。