大跨鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的復(fù)雜性決定了施工力學(xué)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(diǎn)，以及當(dāng)前的解決方法，指出了尚需研究的若干問(wèn)題。
近些年隨著經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，建筑形式呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢(shì)，為了追求強(qiáng)烈的建筑效果，以及實(shí)現(xiàn)一些特殊的建筑功能，愈來(lái)愈多的建筑突破原有模式而日趨復(fù)雜，這對(duì)結(jié)構(gòu)施工與跟蹤模擬帶來(lái)挑戰(zhàn)。在施工過(guò)程中，空間結(jié)構(gòu)從無(wú)到有、從單根桿件到局部成形再到完整結(jié)構(gòu)，整個(gè)體系的形態(tài)、荷載、邊界條件不斷變化，呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)時(shí)變、材料時(shí)變和邊界時(shí)變的特性，其“路徑”和“時(shí)間”效應(yīng)直接影響施工階段及使用階段結(jié)構(gòu)的受力性能。
大跨鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的時(shí)變性要求設(shè)計(jì)者不但要考慮設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)本身，同時(shí)需要研究不同施工階段內(nèi)力與變形的相互影響，對(duì)施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)及工程介質(zhì)的分析，形成了與工程建設(shè)密切相關(guān)的新的工程力學(xué)學(xué)科分支——施工力學(xué)。施工力學(xué)是力學(xué)理論與土木工程學(xué)科相結(jié)合的產(chǎn)物，研究的對(duì)象為施工過(guò)程中不斷變化的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，包括結(jié)構(gòu)內(nèi)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(xué)是以物性為基礎(chǔ)，耦合了時(shí)間與空間的多維力學(xué)問(wèn)題。
大跨鋼結(jié)構(gòu)施工分析必要性與目標(biāo)
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工程建設(shè)進(jìn)一步向大型化、復(fù)雜化發(fā)展，建成了一批體型復(fù)雜的大跨鋼結(jié)構(gòu)或混合結(jié)構(gòu)，如中央電視臺(tái)新臺(tái)址主樓、西班牙馬德里“歐洲之門(mén)”雙斜塔、浦東機(jī)場(chǎng)航站樓、大劇院、體育場(chǎng)鳥(niǎo)巢等。這些復(fù)雜建筑的幾何、材料和邊界等條件在施工過(guò)程中往往存在著劇烈的變化，竣工時(shí)荷載作用下所產(chǎn)生的內(nèi)力和變形由各施工步效應(yīng)依次累積而成，其終的大小與分布規(guī)律與實(shí)際施工過(guò)程密切相關(guān)。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)建造的某些階段，需要增加支持體系與可變結(jié)構(gòu)組成一個(gè)共同工作的系統(tǒng)，這時(shí)支持系統(tǒng)的支撐與拆卸影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)，因此若不考慮施工過(guò)程的影響而采用一次成形的設(shè)計(jì)方法，就會(huì)與實(shí)際情況產(chǎn)生差別，對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)而言尤為明顯，可能會(huì)在施工過(guò)程中由于部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞、剛度退化或穩(wěn)定性失效造成整個(gè)結(jié)構(gòu)的坍塌，也可能會(huì)使竣工狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力或變形未達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)的合理要求，而造成較低的安全儲(chǔ)備。
據(jù)有關(guān)部門(mén)的不完全統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)有大約三分之二以上的工程結(jié)構(gòu)倒塌事故發(fā)生在施工期間，究其原因，設(shè)計(jì)時(shí)未考慮施工過(guò)程的復(fù)雜性，未進(jìn)行施工過(guò)程分析占了很大比例，傳統(tǒng)的施工方式越來(lái)越不能適應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的需要。
時(shí)變結(jié)構(gòu)可分為三種工作狀態(tài)：快速時(shí)變結(jié)構(gòu)力學(xué)、慢速時(shí)變結(jié)構(gòu)力學(xué)、超慢速時(shí)變結(jié)構(gòu)力學(xué)。施工力學(xué)屬于慢速時(shí)變力學(xué)范疇，可以采用離散時(shí)間凍結(jié)來(lái)近似處理，把施工狀態(tài)當(dāng)作一序列時(shí)不變結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力或動(dòng)力分析，在每個(gè)狀態(tài)中不考慮結(jié)構(gòu)的變化來(lái)分析結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。
目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)建筑結(jié)構(gòu)施工力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，初步確立了施工力學(xué)分析的總體目標(biāo)：一、對(duì)施工各階段的內(nèi)力、變形予以跟蹤分析，保證結(jié)構(gòu)施工階段的承載力與穩(wěn)定性。二、將考慮施工過(guò)程的成型狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀態(tài)的內(nèi)力與變形進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估施工過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)終狀態(tài)的影響，優(yōu)化施工方案，保證結(jié)構(gòu)在使用中的安全性。
施工過(guò)程模擬分析的難點(diǎn)
在結(jié)構(gòu)力學(xué)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(guò)程中鋼材的性能基本不會(huì)變化，且施工過(guò)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(guò)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(guò)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(duì)于新裝結(jié)構(gòu)來(lái)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)及剛度將隨之改變。整個(gè)施工過(guò)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)、剛度與時(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。伴隨著施工步驟的進(jìn)行，結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件往往會(huì)發(fā)生較大的位移但應(yīng)變?nèi)匀惠^小，即發(fā)生大位移小應(yīng)變的幾何非線性現(xiàn)象，所以施工力學(xué)分析中應(yīng)考慮幾何與狀態(tài)兩大非線性的耦合效應(yīng)。
鑒于此施工過(guò)程模擬的難點(diǎn)可能存在于：與狀態(tài)非線性相伴的結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)型及體系變化的模擬——施工過(guò)程不僅存在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的增刪，而且由于各階段可能存在的結(jié)構(gòu)可變性，往往需要臨時(shí)支撐的安裝和隨后的拆卸。研究對(duì)象的可變性導(dǎo)致求解域的可變性，加之結(jié)構(gòu)受力性能的可變，導(dǎo)致方程的建立與時(shí)變域的求解困難。結(jié)構(gòu)剛度變化的模擬——結(jié)構(gòu)剛度的變化主要表現(xiàn)在構(gòu)件數(shù)量變化與初始預(yù)應(yīng)力變化兩個(gè)方面。構(gòu)件的增加與減少與幾何構(gòu)型及體系密切相關(guān);初始預(yù)應(yīng)力的施加前后直接改變了結(jié)構(gòu)剛度的大小及應(yīng)力應(yīng)變分布，進(jìn)而改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。結(jié)構(gòu)邊界條件變化的模擬——施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)性，決定了其邊界條件的多變性，包括邊界位置的變化與邊界約束形式的變化以及在施工的前后兩階段邊界的約束、釋放、再約束。
施工過(guò)程模擬分析中的若干問(wèn)題
“生死”單元的漂移——目前很多大型商用計(jì)算軟件利用單元生死技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)變域的求解。通過(guò)“殺死”或“激活”選擇的單元來(lái)模擬有限元模型中構(gòu)件的刪除與添加。其一般步驟為：1)一次性建立結(jié)構(gòu)整體模型，如有支撐構(gòu)件，必要時(shí)應(yīng)一并建模。2)將施工過(guò)程分為N個(gè)階段，劃分的施工階段必須足以反映施工過(guò)程中的主要變化。3)殺死所有單元，按施工步驟依次激活相應(yīng)施工步內(nèi)的構(gòu)件，并施加對(duì)應(yīng)階段的施工荷載(包括邊界條件的改變)。4)按施工步驟終“激活” 所有單元，實(shí)現(xiàn)整個(gè)施工過(guò)程的力學(xué)模擬。至此各階段施工步內(nèi)力與變形等數(shù)值求解完畢。采用單元“生死”法模擬施工過(guò)程時(shí)，因“死”單元?jiǎng)偠染仃嚨男』?(一般為10-6)，導(dǎo)致“死”單元產(chǎn)生漂移現(xiàn)象，使得再“激活”時(shí)下一施工階段內(nèi)的構(gòu)件位形可能遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)位形，一者使得施工模擬結(jié)果沒(méi)有實(shí)際意義;二者“漂移”現(xiàn)象的產(chǎn)生經(jīng)常會(huì)使得結(jié)構(gòu)剛度矩陣的過(guò)度病態(tài)而導(dǎo)致求解失敗。
力學(xué)分析中，建立剛度矩陣方程一般采用拉格朗日列式來(lái)描述物體的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)涉及到新增桿件的重新定位問(wèn)題，建筑工程施工過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)是動(dòng)態(tài)變化的，新增節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的定位必須以當(dāng)前結(jié)構(gòu)分析所得的狀態(tài)參量為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)于一般大型軟件施工力學(xué)耦合幾何非線性的U.L描述法。新增構(gòu)件應(yīng)基于兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)予以安裝：一是與已安裝結(jié)構(gòu)連接的公共節(jié)點(diǎn)應(yīng)以已安裝結(jié)構(gòu)的當(dāng)前位形為安裝基準(zhǔn)點(diǎn);二是未與已安裝結(jié)構(gòu)連接的節(jié)點(diǎn)，張其林在分析大跨懸臂預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)時(shí)借鑒橋梁施工中通常的3種定位原則提出新的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)理論，這3種定位原則時(shí)在橋梁工程中較為普遍，并且符合生死單元法中安裝構(gòu)件在“漂移”位形上被激活的條件，因此可直接用于施工模擬中，但大多時(shí)候情況下，按已安裝構(gòu)件切線方向延長(zhǎng)線和構(gòu)件設(shè)計(jì)長(zhǎng)度來(lái)確定安裝位形是麻煩的，特別是復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程中不易實(shí)現(xiàn)。
大跨剛性鋼結(jié)構(gòu)施工預(yù)變形的確定——因受結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程及施工荷載的影響，實(shí)際成形后的結(jié)構(gòu)均會(huì)與設(shè)計(jì)位形產(chǎn)生一定差別。很久以來(lái)，人們已知道桁架拼裝要預(yù)起拱，但對(duì)大跨鋼結(jié)構(gòu)而言，因跨度較大，體型復(fù)雜，受P-Delta效應(yīng)等非線性影響較大，必須通過(guò)力學(xué)模擬來(lái)確定結(jié)構(gòu)的預(yù)變形值以消除施工變形帶來(lái)的不利影響，否則可能會(huì)影響結(jié)構(gòu)外觀形狀和使用功能，嚴(yán)重時(shí)更會(huì)影響到結(jié)構(gòu)安全性。
復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)竣工狀態(tài)的位形直接與施工過(guò)程息息相關(guān)，這也決定了預(yù)變形分析的復(fù)雜性。現(xiàn)階段復(fù)雜剛性鋼結(jié)構(gòu)預(yù)變形的計(jì)算方法主要分為：一般迭代法、正裝迭代法、倒拆迭代法、分階段綜合迭代法和局部位形約束正裝迭代法。預(yù)變形的確定是以施工過(guò)程模擬為基礎(chǔ)的，除了一般迭代法外，其余三種方法在計(jì)算手段上均采用了單元生死技術(shù)或其改進(jìn)方法來(lái)進(jìn)行分析計(jì)算。
施工階段的預(yù)變形分析不僅應(yīng)考慮構(gòu)件在施工荷載、自重作用下的形變，隨著結(jié)構(gòu)體型的加大，施工工期的延長(zhǎng)，溫度效應(yīng)愈發(fā)明顯。當(dāng)前柔性構(gòu)件溫度效應(yīng)被人們關(guān)注，認(rèn)為溫度作用對(duì)剛?cè)嵝越Y(jié)構(gòu)預(yù)變形的確定不可忽略。對(duì)全剛性結(jié)構(gòu)預(yù)變形分析較少考慮溫度，有資料顯示在夏日日照條件下鋼拱的溫度應(yīng)力可以達(dá)到鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的30%以上，可見(jiàn)有必要依據(jù)施工進(jìn)度在常規(guī)荷載的基礎(chǔ)上引入溫度作用，研究環(huán)境溫度對(duì)結(jié)構(gòu)不同區(qū)域和安裝構(gòu)件的影響，進(jìn)而得出構(gòu)件預(yù)變形和安裝時(shí)機(jī)。范重、王酩等進(jìn)行了體育場(chǎng)合龍溫度研究，強(qiáng)調(diào)了關(guān)鍵施工階段環(huán)境溫度對(duì)結(jié)構(gòu)合龍的影響。
大跨鋼結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜，結(jié)構(gòu)有主次之分，施工有先后之別，環(huán)境溫度隨不同區(qū)域存在差異，只有保證分析過(guò)程與施工過(guò)程高度吻合，預(yù)變形分析才能準(zhǔn)確。
建筑索結(jié)構(gòu)找形分析及預(yù)應(yīng)力張拉控制——根據(jù)建筑索結(jié)構(gòu)近年來(lái)的發(fā)展，按其組成和受力特點(diǎn)可分為：懸索結(jié)構(gòu)、管內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)、張弦結(jié)構(gòu)、拉索結(jié)構(gòu)、斜拉結(jié)構(gòu)、索拱結(jié)構(gòu)、吊掛結(jié)構(gòu)。建筑索結(jié)構(gòu)的形態(tài)分析分為找形分析和找態(tài)分析，考慮數(shù)值分析的易實(shí)現(xiàn)性，大都采用找形分析：從結(jié)構(gòu)的初始零狀態(tài)開(kāi)始，通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力來(lái)尋求結(jié)構(gòu)的幾何設(shè)計(jì)位形。找形過(guò)程力學(xué)分析中張拉過(guò)程是模擬的關(guān)鍵，目前的分析方法主要有正分析法、反分析法和混合法。
對(duì)于大型預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)工程情況，考慮施工階段錨固與摩擦的預(yù)應(yīng)力損失，建立精細(xì)化模型，將其引入拖工模擬中，只有這樣才能更準(zhǔn)確地跟蹤施工中索、桿件內(nèi)力的變化，為工程中預(yù)應(yīng)力損失的避免提供參考依據(jù)，杜絕可能的安全隱患，真正實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)終態(tài)與設(shè)計(jì)態(tài)的高度吻合。
大跨度鋼結(jié)構(gòu)的整體提(頂)升與拆撐分析——大跨空間結(jié)構(gòu)的施工安裝方法通常分為：高空散裝法、分條或分塊吊裝法、整體吊裝法、整體提(頂)升法、分條或分塊滑移法、整體滑移法、攀達(dá)穹頂法及折疊展開(kāi)法等，其中整體提(頂)升法在A380機(jī)庫(kù)屋蓋等一大批新建項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用，存在提(頂)升過(guò)程邊界條件時(shí)變等難點(diǎn);不論整體法還是吊裝法都存在拆撐的臨界狀態(tài)模擬問(wèn)題。
提升是一個(gè)慢速時(shí)變過(guò)程，因上只需對(duì)每一個(gè)提升高度下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行常規(guī)靜力分析，其結(jié)果便能準(zhǔn)確反映提升過(guò)程中結(jié)構(gòu)受力的變化。借鑒此原理，郭彥林等提出了模擬各提升高度的自動(dòng)提升迭代算法，并將其應(yīng)用于首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)屋蓋一體化建模整體提升分析中。
大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中臨時(shí)支撐的設(shè)置，一方面減小了安裝過(guò)程中主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，使得結(jié)構(gòu)安全系數(shù)加強(qiáng)，但一方面附屬構(gòu)件的添刪加劇了施工過(guò)程的內(nèi)力變化，對(duì)結(jié)構(gòu)前期的預(yù)測(cè)性設(shè)計(jì)和施工模擬提出挑戰(zhàn)。拆撐過(guò)程力學(xué)分析的難點(diǎn)在于千斤頂?shù)哪M，臨時(shí)支撐與主體結(jié)構(gòu)脫離、接觸和相對(duì)錯(cuò)動(dòng)的模擬以及臨時(shí)支撐變形分析。
目前，大跨鋼結(jié)構(gòu)拆撐過(guò)程數(shù)值分析的主要方法有支座位移法、等效桿端位移法、千斤頂單元法、千斤頂——間隙單元法、千斤頂接觸單元法和溫控千斤頂單元法等。支座位移法通過(guò)施加支座強(qiáng)制位移來(lái)實(shí)現(xiàn)千斤頂?shù)哪M，程序?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單，但不能模擬臨時(shí)支撐與主體結(jié)構(gòu)間的脫離以及變形，模擬準(zhǔn)確性較差。高穎等采用“只壓”特性連接單元對(duì)濟(jì)南奧體中心體育場(chǎng)千斤頂群等距卸載過(guò)程進(jìn)行了模擬，同時(shí)分析了卸載過(guò)程意外工況的敏感性。等效桿端位移法利用有限元軟件只壓不拉的單元特性，雖然可以模擬臨時(shí)支撐與主體結(jié)構(gòu)脫離及臨時(shí)支撐的變形，但不能模擬聯(lián)合支撐的情況，且不能模擬臨時(shí)支撐與主體結(jié)構(gòu)間的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)。
千斤頂單元法巧妙地將ANSYS軟件中LINK10和BEAM4單元在同一位置并聯(lián)，兩個(gè)單元點(diǎn)線位移自由度耦合在一起形成新的組合單元。LINK10單元提供無(wú)限大的軸向剛度模擬千斤頂，BEAM4單元設(shè)置抗彎剛度模擬千斤頂?shù)目箯澞芰ΑＧЫ镯敗g隙單元法、千斤頂接觸單元法是在千斤頂單元法的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，更好地模擬了千斤頂、臨時(shí)支撐與主體結(jié)構(gòu)的脫離和相互錯(cuò)動(dòng)的真實(shí)拆撐過(guò)程。千斤頂?shù)哪M不是一成不變的，鄭江、郝際平在解決大運(yùn)會(huì)主體育場(chǎng)鋼屋蓋拆撐模擬分析中，考慮工程實(shí)際情況，判斷出千斤頂僅提供向上的支撐力，由此去除BEAM4單元，增加部分LINK8單元模擬安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束的臨時(shí)固定措施，取得了良好的效果。整體提(頂)升技術(shù)，通過(guò)支撐的設(shè)置使初始可變體系逐步成形，隨后對(duì)支撐的拆除使體系逐步承擔(dān)工況荷載，終成為完整的結(jié)構(gòu)。支撐中伴隨臨時(shí)次構(gòu)件的拆除，拆撐中伴隨臨時(shí)次構(gòu)件的頂升，支撐與拆撐本質(zhì)為一體化的受力過(guò)程，拆撐卸載前的初始工況應(yīng)力來(lái)源于支撐后期工況的加載。整體提 (頂)升與拆撐分析實(shí)質(zhì)上都是分析結(jié)構(gòu)的約束向上或向下移動(dòng)的過(guò)程，當(dāng)前研究主要考慮支撐塔架、吊索或千斤頂與結(jié)構(gòu)的相互作用，一般不考慮攬風(fēng)繩、水平向約束構(gòu)件等重要附屬設(shè)施的作用。某門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)廠房施工中，在風(fēng)力作用下中間柱晃動(dòng)引起結(jié)構(gòu)連鎖反應(yīng)，終整體倒塌。攬風(fēng)繩不僅受到風(fēng)荷載作用，而且還受到不均勻提升引起的結(jié)構(gòu)傾斜對(duì)攬風(fēng)繩的作用，施工模擬中應(yīng)考慮附屬結(jié)構(gòu)在提升中所受影響，尤其是提升點(diǎn)之間位移差不利工況的影響。
大跨鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)體系的日益復(fù)雜化，使得工程建設(shè)迫切需要更為精的模擬分析，但由于施工過(guò)程與結(jié)構(gòu)形式、施工方案的緊密相關(guān)性，導(dǎo)致目前大多工程的施工模擬都有其性，局限性。我們結(jié)合對(duì)大跨鋼結(jié)構(gòu)施工模擬普遍遇到的難點(diǎn)及解決方法的討論，指出了尚有若干問(wèn)題值得深入研究，相信施工力學(xué)會(huì)進(jìn)一步迅速發(fā)展
