中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
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清
施工力學(xué)計算理論與施工控制技術(shù)是與大型復雜鋼結構工程建設同步發(fā)展的。目前，世界上已建成或在建的大型復雜鋼結構工程項目主要集中在中國，其施工力學(xué)計算理論與施工控制技術(shù)一直是工程建設要解決的關(guān)鍵難題?！稄碗s鋼結構施工過(guò)程時(shí)變分析及控制關(guān)鍵技術(shù)研究與工程應用》課題組(以下簡(jiǎn)稱(chēng)課題組)在我國大型復雜鋼結構工程項目的施工技術(shù)研究與應用過(guò)程中，逐步建立和完善了復雜鋼結構施工過(guò)程一體化協(xié)同時(shí)變分析系統及計算理論，解決了施工時(shí)變結構“形”與“力”控制的關(guān)鍵技術(shù)難題，推動(dòng)了我國復雜鋼結構施工力學(xué)計算理論與施工控制技術(shù)的跨越式發(fā)展。
一、復雜鋼結構施工過(guò)程一體化協(xié)同時(shí)變分析系統的建立與應用
針對以往在施工過(guò)程仿真計算中割裂了施工的連續性及施工體系各部分之間的相互作用等問(wèn)題，我們建立了復雜鋼結構施工過(guò)程一體化協(xié)同時(shí)變分析系統及計算理論。通過(guò)集成生死單元等現有技術(shù)和課題組創(chuàng )立的狀態(tài)非線(xiàn)性求解技術(shù)、索滑輪自適應算法、千斤頂——接觸單元、逐點(diǎn)去約束找形法等新技術(shù)，融合了施工過(guò)程中永久性構件的逐步安裝、臨時(shí)支撐的裝配與拆除、施工臨時(shí)荷載的出現與消失、溫度與風(fēng)荷載的作用等，能夠真實(shí)地反映結構安裝、邊界條件、荷載作用以及材料性能的時(shí)變性；尤其善于精確分析時(shí)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(guò)程中結構的內力和位形的連續變化與非線(xiàn)性累積過(guò)程。
課題組針對施工路徑及施工變形發(fā)展過(guò)程特別復雜的結構，建立了其施工過(guò)程三維動(dòng)態(tài)變形預調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值計算難題。
在將數字模擬計算技術(shù)有效地整合到結構整體提升、整體落架、整體滑移、整體張拉及整體起扳等新施工技術(shù)中，我們建立了準確評估施工方案和施工過(guò)程結構安全的數字化及信息應用技術(shù)。
在整體提升施工技術(shù)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構及胎架的潛在破壞風(fēng)險；形成了提升力的合理分配機制，可自動(dòng)控制提升總重量在結構柱及提升胎架之間的復雜分配關(guān)系；形成了全程時(shí)變控制機制，實(shí)現了對提升結構“脫離胎架——提升——合龍——落架”等提升環(huán)節數字模擬分析的“無(wú)縫連接”，揭示了提升結構體系與支承結構體系之間的復雜相互作用機理，并且能夠在一個(gè)整體有限元分析模型中實(shí)現提升點(diǎn)位移不同步、提升過(guò)程中碰撞、斷索等特殊情況以及風(fēng)荷載、溫度作用等荷載工況的自動(dòng)分析與評估。
在整體滑移施工技術(shù)中準確實(shí)現了對滑移結構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(dòng)控制；在整體落架施工技術(shù)中，實(shí)現了對結構與胎架之間接觸——脫離——再接觸以及相互錯動(dòng)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(wèn)題；在張拉結構整體張拉施工技術(shù)方面，實(shí)現了初始預應力態(tài)找形分析、張拉過(guò)程分析及使用期間作用效應分析的無(wú)縫連接，彌補了索結構針對大位移、復雜邊界條件轉變的計算技術(shù)缺陷；為適應巨型鋼拱、巨型環(huán)狀鋼結構安裝的需要，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(shí)變分析技術(shù)；提出了施工過(guò)程結構分析的狀態(tài)非線(xiàn)性求解技術(shù)、動(dòng)態(tài)位形求解技術(shù)、逐點(diǎn)去約束找形分析方法、結構吊裝的擬滑輪與可動(dòng)索滑輪單元新技術(shù)等，建立了基于時(shí)變分析的施工方案優(yōu)化技術(shù)，有效地解決了施工過(guò)程時(shí)變結構內力和位形的非線(xiàn)性變化及累積的模擬分析難題。
二、復雜鋼結構施工過(guò)程“力”與“形”控制關(guān)鍵技術(shù)研究與應用
對于復雜張拉屋蓋結構，如果依據施工現場(chǎng)索力的測試結果調整索長(cháng)以期達到設計預應力，無(wú)異于人工進(jìn)行數學(xué)分析中的迭代計算，基于索之間的復雜作用很難準確調整到張拉力設計值，我們在屋蓋整體張拉結構中采用了定尺定長(cháng)設計與施工技術(shù)，設計上拋棄了以往含有可調螺紋的索頭形式，通過(guò)精確控制拉索的制作長(cháng)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鋼結構施工過(guò)程時(shí)變分析及控制關(guān)鍵技術(shù)研究與工程應用》課題組(以下簡(jiǎn)稱(chēng)課題組)提出的基于可靠度理論的索長(cháng)誤差限值的計算與控制方法，用概率理論科學(xué)地處理了車(chē)輻式屋蓋內大量拉索長(cháng)度誤差的非簡(jiǎn)單“疊加作用”，填補了該類(lèi)索結構施工誤差控制與驗收標準的空白。首先，依據數值分析結果尋找施工誤差對索力影響敏感的主控構件；其次，建立索力變化量與誤差隨機變量的映射關(guān)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(lèi)型構件的誤差限值。
目前對結構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)境溫度對結構施工成型態(tài)的影響。但對屋蓋張拉結構而言，溫度變化引起構件的熱脹冷縮與預應力張拉產(chǎn)生的拉索伸長(cháng)量在同一水平，會(huì )嚴重影響預應力的大小以及結構整體剛度。課題組以環(huán)狀空間車(chē)輻式張拉結構為研究對象，將施工環(huán)境溫度作用劃分為兩類(lèi)，分別是剛性構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，得到了結構預應力變化量的表達式，通過(guò)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(jìn)而建立在制作和安裝階段對索長(cháng)和剛性構件尺寸進(jìn)行修正的“等效溫差法”，擴大了復雜張拉結構在不同地域環(huán)境下的施工適應性，大大增強了復雜索結構的拉索張拉與剛性構件合龍施工的可控性。
針對高層混合結構在施工過(guò)程中由于混凝土收縮徐變在內外筒之間產(chǎn)生的豎向不均勻壓縮變形對結構成型態(tài)的影響，基于核心筒混凝土結構施工逐層找平澆注的特點(diǎn)，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(guò)設置動(dòng)態(tài)變形預調值消除了混凝土收縮徐變的滯后效應在樓板梁和轉換桁架等橫向構件兩端產(chǎn)生的豎向變形差以及對應的次應力，從而找到了在內外筒施工過(guò)程中轉換桁架的合龍時(shí)機，并將研究成果應用在廣州西塔工程中。
焊接殘余應力在構件截面上是自平衡的，不影響構件的計算強度，但是，近年來(lái)發(fā)生的多起鋼結構屋蓋倒塌事故和課題組對大型屋蓋結構進(jìn)行的焊接合龍過(guò)程數值分析已經(jīng)使得人們改變了對于焊接殘余內力危害程度的認識,重新審視這一隱藏在結構內部的“附件內力”的不利作用：從過(guò)去對單根構件截面焊接殘余應力的研究，擴展到復雜結構體系層面焊接殘余內力的分析與評估，并將其與常規荷載效應進(jìn)行組合以檢驗結構的安全。課題組以體育場(chǎng)館大型鋼結構屋蓋的焊接合龍為例，通過(guò)“溫度——應力耦合場(chǎng)單元”模擬焊接的熱物理過(guò)程，首先通過(guò)準確的模擬分析獲得了單根構件對接焊的殘余收縮變形公式，再通過(guò)創(chuàng )立的“等量收縮法”將構件對接接口的焊接收縮變形引入到整體結構構件的焊接合龍分析過(guò)程中，揭示了焊縫收縮變形在屋蓋結構層面上產(chǎn)生的殘余內力以及支承胎架反力的變化規律，為檢驗結構與胎架設計的安全提供了依據，能有效避免結構在施工和使用中由于焊接殘余內力而導致的安全事故。
本研究成果已應用在國家體育場(chǎng)、深圳大運會(huì )體育中心、深圳市寶安體育場(chǎng)、南通體育會(huì )展中心、廣東省博物館新館、首都機場(chǎng)A380機庫、澳門(mén)多功能體育館、天津泰達市民文化廣場(chǎng)、央視新址主樓及廣州西塔等30余項復雜結構工程的施工計算及施工控制中，發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，授權發(fā)明專(zhuān)利10余項，為推動(dòng)我國施工力學(xué)計算理論與施工控制技術(shù)進(jìn)步作出了貢獻。
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