大型复杂钢结构建筑施工力学问题及分析方法
[摘要]钢结构在自重以及承重的结构上，由于恒荷载作用从而产生内力和形变，在与其他荷载效应组合的过程中，会导致较高的安全风险。施工力学主要为几何时变、材料时变和边界时变。本文进行分析与研究，以减少几何、材料和边界时变。
[关键词]钢结构;分析;力学
近年来，许多的大型复杂钢结构建筑应运而生，如国家体育场“鸟巢”、国家大剧院、CCTV新台址主楼等建筑，均属于大型复杂钢结构建筑。这些大型钢结构建筑，在施工过程中，其结构内力变化的过程，十分复杂，施工的“路径”以及“时间”效应，在建筑完成时的受力状态，以及几何形态的影响是十分明显。
一、施工力学问题简述
大型复杂钢结构建筑在施工过程中，施工人员很少对结构的受力性能进行分析。实际上钢结构在建筑中的自重、装饰承载以及围护结构等恒荷载，在施工过程中逐渐施加在建筑的结构上，在施工结束时的恒荷载作用下，容易产生内力变形，是由于施工过程依次累加形成的，这种恒荷载的大小与分布的规律，与施工“路径”与“时间”有密切的联系。所以在施工“路径”与“时间”效应下，其引起的内力以及变形对结构的影响较大时，尤其是那些大型的复杂的钢结构建筑，容易引起十分严重的安全问题，会导致结构的时变、边界的时变以及材料的`时变，当这些时变剧烈时，会引起结构稳定性的丧失，破坏建筑的结构，甚至造成建筑坍塌事件。钢结构建筑施工过程中，整个结构的钢度、几何形态、边界、荷载等条件的形成，是依据先后的顺序产生的，恒荷载随着建筑成长形成的，在这个过程中，“路径”和“时间”效应是影响施工与使用阶段受力性能的重要因素。随着我国许多的大型复杂钢结构建筑的出现，这些建筑在施工过程中出现了许多新的亟待解决的力学问题，这些问题通过目前现有的方法无法得到有效解决，在理论上属于学科前沿的问题，在应用的过程中，随着工程技术的发展，是我国科技发展的一个重要研究方向。
二、施工力学分析及解决策略
2.1结构施工跟踪分析
大型建筑物的建筑过程，是动态的，在这个过程中，建筑依次生成，材料依序成型，荷载也逐渐增强，边界渐渐形成。竣工后，结构的内力与变形，是建筑物在施工过程中依次累加的结果，通过“路径”与“时间”的效应，相互之间产生密切关联。在这个过程中，结构不断变化，除了构件以外，还需要安装一些需要被拆除的临时撑，随着时间的推移，受力不断增加或缩减，力学需要不断的拓展，求解区域修改结构的刚度矩阵。
2.2施工变形预调值
一些大型的倾斜高层钢结构建筑，或者是大跨度钢结构建筑，在施工过程中采用临时支撑的方法，最大难题是在施工推进过程中，已装的结构产生变形，这对于新装构件的安装位置产生一定影响。为了在工程结束时结构达到预期目标位形，在施工中各个构件要在特定的位形上完成安装，这些特定位置在施工之前是未知的，与设计位形有所不同。在对结构构件进行安装与施工前要对位形进行预测与预调，确定各个构件的安装位置，使钢结构构件安装完成后能满足目标位形。
2.3大跨度钢结构拆撑
大跨度钢结构建筑，在施工中需要搭架临时支撑，通过高空组装或直接高空散装的施工方式来完成，这些安装技术的应用，能减少安装主体结构的内力和变形，增强安全性能。但是这种施工技术给施工与设计带来了新的难题，设计中需要考虑到临时支撑、拆撑方案以及拆撑过程的设计，还要考虑到这些支撑带来的主体结构内力和变形的变化。通过对这些因素的合理设计，进行全程模拟来确定内力与变形的发展变化，确定最优的临时支撑设计方案与拆除方案，这是一个复杂的力学状态转变过程。在这个过程中，为了保障拆撑的合理与主体结构的安全性能，其中设计合理的拆撑方案十分重要。制定合理的拆撑方式、拆撑点以及拆撑顺序，在拆撑施工中要保证主体结构与临时支撑内力和位移的变化在缓慢的过程中进行，完成平稳过渡，拆撑主体与临时支撑内力与位移变化，要掌握在一定的幅度内，使主体结构不致于遭到破坏或失衡，在拆撑施工上，要分段进行施工，分步拆撑，以保证主体结构受力均匀，受力转变缓慢，从而达到预定变形值。对大跨度结构拆撑与钢结构吊装可动体系的施工力学，通过拆撑过程数值模拟方法千斤顶单元法，即将一个杆单元与一个梁单并联起来，对拆撑过程进行模拟，在千斤顶的端点与主体结构相连的节点间，设置一个两节点间隙单元，将千斤顶单元与间隙单元串连起来，进行拆撑过程的模拟。
2.4钢结构吊装平衡
近年来，一些大型复杂钢结构施工项目，在施工过程中出现了许多结构构件的吊装施工，构件在吊装过程中，其受力状态与设计分析中的数值不完全相同，构件在施工过程中，吊装中空间姿态的可调整性较差，所以构件的精确性与安全性能十分重要，对吊装过程进行分析与预测，确定合理的吊装方案，对施工具有重要意义。结构的吊装方式大多采用索一滑轮装置进行，在吊装过程中形成一整套的吊装体系，吊装体系由吊索、滑轮结构组成，其力学特征包括刚体运动、索非线性、弹性变形与滑轮间的可滑移等。容易出现的问题是吊点位置的确定与吊体的空间姿态，吊索的长度索力，吊索的长度确定与空间姿态的要求，吊结构刚度、强度以及稳定性验算等。其中被吊结构的力学状态是最不稳定的，吊装分析的关键点是吊装平衡状态的确定，而钢结构吊装还存在高空拼装和稳定性试算等问题。这些问题，目前还没有形成有效的简便的计算方式，也没有形成精确且合理的计算模型，随着科技的不断进步，人类施工技术的不断发展，这些问题都会逐渐得到解决。
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