大跨鋼結構施工力學研究發(fā)展現(xiàn)狀

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     大跨鋼結構施工過程的復雜性決定了施工力學分析的必要性。我們系統(tǒng)地梳理了施工模擬普遍遇到的難點，以及當前的解決方法，指出了尚需研究的若干問題。
     近些年隨著經濟水平的發(fā)展，建筑形式呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢，為了追求強烈的建筑效果，以及實現(xiàn)一些特殊的建筑功能，愈來愈多的建筑突破原有模式而日趨復雜，這對結構施工與跟蹤模擬帶來挑戰(zhàn)。在施工過程中，空間結構從無到有、從單根桿件到局部成形再到完整結構，整個體系的形態(tài)、荷載、邊界條件不斷變化，呈現(xiàn)出結構時變、材料時變和邊界時變的特性，其“路徑”和“時間”效應直接影響施工階段及使用階段結構的受力性能。
     大跨鋼結構施工過程的時變性要求設計者不但要考慮設計結構本身，同時需要研究不同施工階段內力與變形的相互影響，對施工過程中結構及工程介質的分析，形成了與工程建設密切相關的新的工程力學學科分支——施工力學。施工力學是力學理論與土木工程學科相結合的產物，研究的對象為施工過程中不斷變化的結構系統(tǒng)，包括結構內部參數(shù)(如幾何形狀、物理特性、邊界狀態(tài)等)以及外部參數(shù)(如施加的荷載、環(huán)境溫度)，因此施工力學是以物性為基礎，耦合了時間與空間的多維力學問題。
   
    大跨鋼結構施工分析必要性與目標
   
     隨著經濟的發(fā)展，工程建設進一步向大型化、復雜化發(fā)展，建成了一批體型復雜的大跨鋼結構或混合結構，如中央電視臺新臺址主樓、西班牙馬德里“歐洲之門”雙斜塔、浦東機場航站樓、國家大劇院、國家體育場鳥巢等。這些復雜建筑的幾何、材料和邊界等條件在施工過程中往往存在著劇烈的變化，竣工時荷載作用下所產生的內力和變形由各施工步效應依次累積而成，其最終的大小與分布規(guī)律與實際施工過程密切相關。同時，在結構建造的某些階段，需要增加支持體系與可變結構組成一個共同工作的系統(tǒng)，這時支持系統(tǒng)的支撐與拆卸影響到整個結構的作用效應，因此若不考慮施工過程的影響而采用一次成形的設計方法，就會與實際情況產生差別，對大型復雜結構而言尤為明顯，可能會在施工過程中由于部分結構強度破壞、剛度退化或穩(wěn)定性失效造成整個結構的坍塌，也可能會使竣工狀態(tài)下的結構內力或變形未達到設計狀態(tài)的合理要求，而造成較低的安全儲備。
     據(jù)國家有關部門的不完全統(tǒng)計，在我國有大約三分之二以上的工程結構倒塌事故發(fā)生在施工期間，究其原因，設計時未考慮施工過程的復雜性，未進行施工過程分析占了很大比例，傳統(tǒng)的施工方式越來越不能適應建筑結構發(fā)展的需要。
     時變結構可分為三種工作狀態(tài)：快速時變結構力學、慢速時變結構力學、超慢速時變結構力學。施工力學屬于慢速時變力學范疇，可以采用離散時間凍結來近似處理，把施工狀態(tài)當作一序列時不變結構進行靜力或動力分析，在每個狀態(tài)中不考慮結構的變化來分析結構的強度、剛度和穩(wěn)定性。
     目前，國內外很多學者對建筑結構施工力學問題進行了大量研究，初步確立了施工力學分析的總體目標：一、對施工各階段的內力、變形予以跟蹤分析，保證結構施工階段的承載力與穩(wěn)定性。二、將考慮施工過程的成型狀態(tài)和設計狀態(tài)的內力與變形進行對比分析，評估施工過程對結構最終狀態(tài)的影響，優(yōu)化施工方案，保證結構在使用中的安全性。
   
    施工過程模擬分析的難點
   
     在結構力學分析中，根據(jù)形成原因可分為三大類非線性：材料非線性、幾何非線性和狀態(tài)非線性。施工過程中鋼材的性能基本不會變化，且施工過程中材料通常處于彈性階段，因此施工模擬可不考慮材料非線性的影響。
     施工過程中結構的受力特點是，整個結構的幾何形態(tài)、剛度及其荷載和邊界條件按一定的次序先后形成。建造過程中已裝結構上所承受的荷載，不可能在未裝結構上產生影響，已裝結構相對于新裝結構來講具有某種初變形和初內力，而后裝結構將影響已有結構的受力狀態(tài)，新裝構件和新加荷載一旦形成，結構的受力狀態(tài)及剛度將隨之改變。整個施工過程需經歷一系列準結構狀態(tài)才能達到竣工狀態(tài)，期間結構的受力狀態(tài)、剛度與時間(施工步驟)在某種程度上表現(xiàn)出了一定的非線性關系，稱之為狀態(tài)非線性。伴隨著施工步驟的進行，結構中的構件往往會發(fā)生較大的位移但應變仍然較小，即發(fā)生大位移小應變的幾何非線性現(xiàn)象，所以施工力學分析中應考慮幾何與狀態(tài)兩大非線性的耦合效應。