大跨鋼結(jié)構(gòu)施工過程的復(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，以及當(dāng)前的解決方法，指出了尚需研究的若干問題。
近些年隨著經(jīng)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(fù)雜，這對結(jié)構(gòu)施工與跟蹤模擬帶來挑戰(zhàn)。在施工過程中，空間結(jié)構(gòu)從無到有、從單根桿件到局部成形再到完整結(jié)構(gòu)，整個體系的形態(tài)、荷載、邊界條件不斷變化，呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)時變、材料時變和邊界時變的特性，其“路徑”和“時間”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)施工過程的時變性要求設(shè)計者不但要考慮設(shè)計結(jié)構(gòu)本身，同時需要研究不同施工階段內(nèi)力與變形的相互影響，對施工過程中結(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，研究的對象為施工過程中不斷變化的結(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)，耦合了時間與空間的多維力學(xué)問題。
大跨鋼結(jié)構(gòu)施工分析必要性與目標
隨著經(jīng)濟的發(fā)展，工程建設(shè)進一步向大型化、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(fù)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(chǎn)生的內(nèi)力和變形由各施工步效應(yīng)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(guān)。同時，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(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)，因此若不考慮施工過程的影響而采用一次成形的設(shè)計方法，就會與實際情況產(chǎn)生差別，對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)而言尤為明顯，可能會在施工過程中由于部分結(jié)構(gòu)強度破壞、剛度退化或穩(wěn)定性失效造成整個結(jié)構(gòu)的坍塌，也可能會使竣工狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力或變形未達到設(shè)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(guān)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(jié)構(gòu)倒塌事故發(fā)生在施工期間，究其原因，設(shè)計時未考慮施工過程的復(fù)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(yīng)建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的需要。
時變結(jié)構(gòu)可分為三種工作狀態(tài)：快速時變結(jié)構(gòu)力學(xué)、慢速時變結(jié)構(gòu)力學(xué)、超慢速時變結(jié)構(gòu)力學(xué)。施工力學(xué)屬于慢速時變力學(xué)范疇，可以采用離散時間凍結(jié)來近似處理，把施工狀態(tài)當(dāng)作一序列時不變結(jié)構(gòu)進行靜力或動力分析，在每個狀態(tài)中不考慮結(jié)構(gòu)的變化來分析結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性。
目前，國內(nèi)外很多學(xué)者對建筑結(jié)構(gòu)施工力學(xué)問題進行了大量研究，初步確立了施工力學(xué)分析的總體目標：一、對施工各階段的內(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、將考慮施工過程的成型狀態(tài)和設(shè)計狀態(tài)的內(nèi)力與變形進行對比分析，評估施工過程對結(jié)構(gòu)最終狀態(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。
施工過程模擬分析的難點
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(jié)構(gòu)的受力特點是，整個結(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)相對于新裝結(jié)構(gòu)來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。整個施工過程需經(jīng)歷一系列準結(jié)構(gòu)狀態(tài)才能達到竣工狀態(tài)，期間結(jié)構(gòu)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(guān)系，稱之為狀態(tài)非線性。伴隨著施工步驟的進行，結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件往往會發(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)。
鑒于此施工過程模擬的難點可能存在于：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，往往需要臨時支撐的安裝和隨后的拆卸。研究對象的可變性導(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——施工過程的動態(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。
施工過程模擬分析中的若干問題
“生死”單元的漂移——目前很多大型商用計算軟件利用單元生死技術(shù)來實現(xiàn)對時變域的求解。通過“殺死”或“激活”選擇的單元來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，必要時應(yīng)一并建模。2)將施工過程分為N個階段，劃分的施工階段必須足以反映施工過程中的主要變化。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，并施加對應(yīng)階段的施工荷載(包括邊界條件的改變)。4)按施工步驟最終“激活”所有單元，實現(xiàn)整個施工過程的力學(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”法模擬施工過程時，因“死”單元剛度矩陣的極小化(一般為10-6)，導(dǎo)致“死”單元產(chǎn)生漂移現(xiàn)象，使得再“激活”時下一施工階段內(nèi)的構(gòu)件位形可能遠偏離設(shè)計狀態(tài)位形，一者使得施工模擬結(jié)果沒有實際意義；二者“漂移”現(xiàn)象的產(chǎn)生經(jīng)常會使得結(jié)構(gòu)剛度矩陣的過度病態(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描述物體的運動，此時涉及到新增桿件的重新定位問題，建筑工程施工過程中，節(jié)點坐標是動態(tài)變化的，新增節(jié)點坐標的定位必須以當(dāng)前結(jié)構(gòu)分析所得的狀態(tài)參量為標準，對應(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)基于兩個基準點予以安裝：一是與已安裝結(jié)構(gòu)連接的公共節(jié)點應(yīng)以已安裝結(jié)構(gòu)的當(dāng)前位形為安裝基準點；二是未與已安裝結(jié)構(gòu)連接的節(jié)點，張其林在分析大跨懸臂預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)時借鑒橋梁施工中通常的3種定位原則提出新的節(jié)點坐標理論，這3種定位原則時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，但大多時候情況下，按已安裝構(gòu)件切線方向延長線和構(gòu)件設(shè)計長度來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)安裝過程及施工荷載的影響，實際成形后的結(jié)構(gòu)均會與設(shè)計位形產(chǎn)生一定差別。很久以來，人們已知道桁架拼裝要預(yù)起拱，但對大跨鋼結(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，必須通過力學(xué)模擬來確定結(jié)構(gòu)的預(yù)變形值以消除施工變形帶來的不利影響，否則可能會影響結(jié)構(gòu)外觀形狀和使用功能，嚴重時更會影響到結(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程模擬為基礎(chǔ)的，除了一般迭代法外，其余三種方法在計算手段上均采用了單元生死技術(shù)或其改進方法來進行分析計算。
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，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，認為溫度作用對剛?cè)嵝越Y(jié)構(gòu)預(yù)變形的確定不可忽略。對全剛性結(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)力可以達到鋼材強度設(shè)計值的30%以上，可見有必要依據(jù)施工進度在常規(guī)荷載的基礎(chǔ)上引入溫度作用，研究環(huán)境溫度對結(jié)構(gòu)不同區(qū)域和安裝構(gòu)件的影響，進而得出構(gòu)件預(yù)變形和最佳安裝時機。范重、王酩等進行了國家體育場合龍溫度研究，強調(diào)了關(guān)鍵施工階段環(huán)境溫度對結(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，只有保證分析過程與施工過程高度吻合，預(yù)變形分析才能準確。
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)近年來的發(fā)展，按其組成和受力特點可分為：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)值分析的易實現(xiàn)性，大都采用找形分析：從結(jié)構(gòu)的初始零狀態(tài)開始，通過施加預(yù)應(yīng)力來尋求結(jié)構(gòu)的幾何設(shè)計位形。找形過程力學(xué)分析中張拉過程是模擬的關(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，建立精細化模型，將其引入拖工模擬中，只有這樣才能更準確地跟蹤施工中索、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，真正實現(xiàn)結(jié)構(gòu)最終態(tài)與設(shè)計態(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、攀達穹頂法及折疊展開法等，其中整體提(頂)升法在A380機庫屋蓋等一大批新建項目中得到廣泛應(yīng)用，存在提(頂)升過程邊界條件時變等難點；不論整體法還是吊裝法都存在拆撐的臨界狀態(tài)模擬問題。
提升是一個慢速時變過程，因上只需對每一個提升高度下的結(jié)構(gòu)進行常規(guī)靜力分析，其結(jié)果便能準確反映提升過程中結(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提升迭代算法，并將其應(yīng)用于首都國際機場屋蓋一體化建模整體提升分析中。
大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過程中臨時支撐的設(shè)置，一方面減小了安裝過程中主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，使得結(jié)構(gòu)安全系數(shù)加強，但一方面附屬構(gòu)件的添刪加劇了施工過程的內(nèi)力變化，對結(jié)構(gòu)前期的預(yù)測性設(shè)計和施工模擬提出挑戰(zhàn)。拆撐過程力學(xué)分析的難點在于千斤頂?shù)哪M，臨時支撐與主體結(jié)構(gòu)脫離、接觸和相對錯動的模擬以及臨時支撐變形分析。
