中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
清
施工力學計算理論與施工控制技術是與大型復雜鋼結(jié)構(gòu)工程建設同步發(fā)展的。目前，世界上已建成或在建的大型復雜鋼結(jié)構(gòu)工程項目主要集中在中國，其施工力學計算理論與施工控制技術一直是工程建設要解決的關鍵難題?！稄碗s鋼結(jié)構(gòu)施工過程時變分析及控制關鍵技術研究與工程應用》課題組(以下簡稱課題組)在我國大型復雜鋼結(jié)構(gòu)工程項目的施工技術研究與應用過程中，逐步建立和完善了復雜鋼結(jié)構(gòu)施工過程一體化協(xié)同時變分析系統(tǒng)及計算理論，解決了施工時變結(jié)構(gòu)“形”與“力”控制的關鍵技術難題，推動了我國復雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學計算理論與施工控制技術的跨越式發(fā)展。
一、復雜鋼結(jié)構(gòu)施工過程一體化協(xié)同時變分析系統(tǒng)的建立與應用
針對以往在施工過程仿真計算中割裂了施工的連續(xù)性及施工體系各部分之間的相互作用等問題，我們建立了復雜鋼結(jié)構(gòu)施工過程一體化協(xié)同時變分析系統(tǒng)及計算理論。通過集成生死單元等現(xiàn)有技術和課題組創(chuàng)立的狀態(tài)非線性求解技術、索滑輪自適應算法、千斤頂——接觸單元、逐點去約束找形法等新技術，融合了施工過程中永久性構(gòu)件的逐步安裝、臨時支撐的裝配與拆除、施工臨時荷載的出現(xiàn)與消失、溫度與風荷載的作用等，能夠真實地反映結(jié)構(gòu)安裝、邊界條件、荷載作用以及材料性能的時變性；尤其善于精確分析時間與空間域上施工體系的演變，準確計算施工體系各部分之間的相互作用，精準把握施工成型過程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位形的連續(xù)變化與非線性累積過程。
課題組針對施工路徑及施工變形發(fā)展過程特別復雜的結(jié)構(gòu)，建立了其施工過程三維動態(tài)變形預調(diào)值計算的多階段綜合迭代法，有效地解決了央視新址主樓與廣東省博物館新館變形預調(diào)值計算難題。
在將數(shù)字模擬計算技術有效地整合到結(jié)構(gòu)整體提升、整體落架、整體滑移、整體張拉及整體起扳等新施工技術中，我們建立了準確評估施工方案和施工過程結(jié)構(gòu)安全的數(shù)字化及信息應用技術。
在整體提升施工技術中，形成了提升體系安全保障機制，預防了設計狀態(tài)和提升狀態(tài)受力情況不同引起提升結(jié)構(gòu)及胎架的潛在破壞風險；形成了提升力的合理分配機制，可自動控制提升總重量在結(jié)構(gòu)柱及提升胎架之間的復雜分配關系；形成了全程時變控制機制，實現(xiàn)了對提升結(jié)構(gòu)“脫離胎架——提升——合龍——落架”等提升環(huán)節(jié)數(shù)字模擬分析的“無縫連接”，揭示了提升結(jié)構(gòu)體系與支承結(jié)構(gòu)體系之間的復雜相互作用機理，并且能夠在一個整體有限元分析模型中實現(xiàn)提升點位移不同步、提升過程中碰撞、斷索等特殊情況以及風荷載、溫度作用等荷載工況的自動分析與評估。
在整體滑移施工技術中準確實現(xiàn)了對滑移結(jié)構(gòu)與滑移支承體系之間在不同位置、不同施工步的相互作用力的主動控制；在整體落架施工技術中，實現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)與胎架之間接觸——脫離——再接觸以及相互錯動等作用的精確分析，解決了以往采用支座位移法分析的失真問題；在張拉結(jié)構(gòu)整體張拉施工技術方面，實現(xiàn)了初始預應力態(tài)找形分析、張拉過程分析及使用期間作用效應分析的無縫連接，彌補了索結(jié)構(gòu)針對大位移、復雜邊界條件轉(zhuǎn)變的計算技術缺陷；為適應巨型鋼拱、巨型環(huán)狀鋼結(jié)構(gòu)安裝的需要，我們提出了一套完善的自適應整體起扳施工方案及一體化建模協(xié)同時變分析技術；提出了施工過程結(jié)構(gòu)分析的狀態(tài)非線性求解技術、動態(tài)位形求解技術、逐點去約束找形分析方法、結(jié)構(gòu)吊裝的擬滑輪與可動索滑輪單元新技術等，建立了基于時變分析的施工方案優(yōu)化技術，有效地解決了施工過程時變結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位形的非線性變化及累積的模擬分析難題。
二、復雜鋼結(jié)構(gòu)施工過程“力”與“形”控制關鍵技術研究與應用
對于復雜張拉屋蓋結(jié)構(gòu)，如果依據(jù)施工現(xiàn)場索力的測試結(jié)果調(diào)整索長以期達到設計預應力，無異于人工進行數(shù)學分析中的迭代計算，基于索之間的復雜作用很難準確調(diào)整到張拉力設計值，我們在屋蓋整體張拉結(jié)構(gòu)中采用了定尺定長設計與施工技術，設計上拋棄了以往含有可調(diào)螺紋的索頭形式，通過精確控制拉索的制作長度和錨固位置確保張拉成型狀態(tài)索力與設計值一致?！稄碗s鋼結(jié)構(gòu)施工過程時變分析及控制關鍵技術研究與工程應用》課題組(以下簡稱課題組)提出的基于可靠度理論的索長誤差限值的計算與控制方法，用概率理論科學地處理了車輻式屋蓋內(nèi)大量拉索長度誤差的非簡單“疊加作用”，填補了該類索結(jié)構(gòu)施工誤差控制與驗收標準的空白。首先，依據(jù)數(shù)值分析結(jié)果尋找施工誤差對索力影響敏感的主控構(gòu)件；其次，建立索力變化量與誤差隨機變量的映射關系并得到可靠度指標；最后，綜合考慮誤差敏感性和加工難度確定不同類型構(gòu)件的誤差限值。
目前對結(jié)構(gòu)服役期間的溫度效應研究較多，卻很少涉及復雜變化的施工環(huán)境溫度對結(jié)構(gòu)施工成型態(tài)的影響。但對屋蓋張拉結(jié)構(gòu)而言，溫度變化引起構(gòu)件的熱脹冷縮與預應力張拉產(chǎn)生的拉索伸長量在同一水平，會嚴重影響預應力的大小以及結(jié)構(gòu)整體剛度。課題組以環(huán)狀空間車輻式張拉結(jié)構(gòu)為研究對象，將施工環(huán)境溫度作用劃分為兩類，分別是剛性構(gòu)件與柔性拉索加工環(huán)境溫度之差、施工環(huán)境溫度與設計基準溫度之差，將它們與設計溫度效應疊加，得到了結(jié)構(gòu)預應力變化量的表達式，通過限制預應力變化幅值得到施工環(huán)境溫度效應的安全溫度控制范圍圖，進而建立在制作和安裝階段對索長和剛性構(gòu)件尺寸進行修正的“等效溫差法”，擴大了復雜張拉結(jié)構(gòu)在不同地域環(huán)境下的施工適應性，大大增強了復雜索結(jié)構(gòu)的拉索張拉與剛性構(gòu)件合龍施工的可控性。
針對高層混合結(jié)構(gòu)在施工過程中由于混凝土收縮徐變在內(nèi)外筒之間產(chǎn)生的豎向不均勻壓縮變形對結(jié)構(gòu)成型態(tài)的影響，基于核心筒混凝土結(jié)構(gòu)施工逐層找平澆注的特點，建立了“等效徐變溫差法”以精確模擬混凝土的收縮徐變，再通過設置動態(tài)變形預調(diào)值消除了混凝土收縮徐變的滯后效應在樓板梁和轉(zhuǎn)換桁架等橫向構(gòu)件兩端產(chǎn)生的豎向變形差以及對應的次應力，從而找到了在內(nèi)外筒施工過程中轉(zhuǎn)換桁架的合龍時機，并將研究成果應用在廣州西塔工程中。
焊接殘余應力在構(gòu)件截面上是自平衡的，不影響構(gòu)件的計算強度，但是，近年來發(fā)生的多起鋼結(jié)構(gòu)屋蓋倒塌事故和課題組對大型屋蓋結(jié)構(gòu)進行的焊接合龍過程數(shù)值分析已經(jīng)使得人們改變了對于焊接殘余內(nèi)力危害程度的認識,重新審視這一隱藏在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的“附件內(nèi)力”的不利作用：從過去對單根構(gòu)件截面焊接殘余應力的研究，擴展到復雜結(jié)構(gòu)體系層面焊接殘余內(nèi)力的分析與評估，并將其與常規(guī)荷載效應進行組合以檢驗結(jié)構(gòu)的安全。課題組以體育場館大型鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的焊接合龍為例，通過“溫度——應力耦合場單元”模擬焊接的熱物理過程，首先通過準確的模擬分析獲得了單根構(gòu)件對接焊的殘余收縮變形公式，再通過創(chuàng)立的“等量收縮法”將構(gòu)件對接接口的焊接收縮變形引入到整體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的焊接合龍分析過程中，揭示了焊縫收縮變形在屋蓋結(jié)構(gòu)層面上產(chǎn)生的殘余內(nèi)力以及支承胎架反力的變化規(guī)律，為檢驗結(jié)構(gòu)與胎架設計的安全提供了依據(jù)，能有效避免結(jié)構(gòu)在施工和使用中由于焊接殘余內(nèi)力而導致的安全事故。
本研究成果已應用在國家體育場、深圳大運會體育中心、深圳市寶安體育場、南通體育會展中心、廣東省博物館新館、首都機場A380機庫、澳門多功能體育館、天津泰達市民文化廣場、央視新址主樓及廣州西塔等30余項復雜結(jié)構(gòu)工程的施工計算及施工控制中，發(fā)表學術論文100余篇，授權發(fā)明專利10余項，為推動我國施工力學計算理論與施工控制技術進步作出了貢獻。
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