大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)及控制新技術(shù)的研究與工程應(yīng)用_郭彥林

1、2011 年 1 月施 工 技 術(shù)第 40 卷 第 1 期CONSTRUCTION TECHNOLOGY47大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)及控制新技術(shù)的研究與工程應(yīng)用郭彥林1 ，田廣宇1 ，周緒紅2 ，陳國棟3(1. 清華大學(xué)土木水利學(xué)院，北京100084; 2. 蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州730000;3. 浙江精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司，上海200233)摘要隨著我國鋼材產(chǎn)量持續(xù)位居世界首位，鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用越來越廣泛。特別是大型公共建筑領(lǐng)域，涌現(xiàn)出大量復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程。它們對施工力學(xué)分析和控制技術(shù)提出了多方面挑戰(zhàn)，尤其表現(xiàn)在三維動態(tài)變形預(yù)調(diào)技術(shù)的發(fā)展，整體提升、落架、起扳、滑移、張拉技

2、術(shù)的信息化應(yīng)用，面向建筑全生命周期結(jié)構(gòu)設(shè)計理念的實現(xiàn)以及對施工誤差、施工環(huán)境溫度、焊縫收縮、混凝土收縮徐變等影響成型結(jié)構(gòu)性能的因素的控制研究上。這些技術(shù)難點，必須通過能夠在時間域和空間域進行協(xié)同時變分析的一體化系統(tǒng)來解決。結(jié)合國內(nèi)外具有代表性的大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程，闡述了一體化協(xié)同時變分析系統(tǒng)在解決上述施工力學(xué)和控制問題時的原理、方法以及其中的新算法、新技術(shù)，為今后的工程建設(shè)提供參考。關(guān)鍵詞施工力學(xué); 施工控制; 一體化協(xié)同時變系統(tǒng); 大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)中圖分類號TU391; TU74文獻標(biāo)識碼A文章編號1002-8498(2011)01-0047-09Application and Researc

3、h of Construction Mechanics and New Control Technology in Large and Complex Steel Structures ConstructionGuo Yanlin1 ，Tian Guangyu1 ，Zhou Xuhong2 ，Chen Guodong3(1. School of Civil Engineering，Tsinghua University，Beijing100084，China;2. School of Civil Engineering and Mechanics，Lanzhou University，Lanz

4、hou，Gansu730000，China;3. Zhejiang Jinggong Steel Building Co. ，Ltd. ，Shanghai200233，China)Abstract:With the capacity of steel production in China continuing to be the top of the world，steel structures are used more and more widely in buildings. Especially in large public buildings，lots of complex st

5、eel structures come forth. They challenge construction mechanics and control technologies in many aspects，particularly in development of 3-D dynamic pre-set construction deformation technique， informational application of integrated lifting，dismantling，pulling，slipping，tension technique，realization

6、of full-life-oriented structural design，control criteria of construction deviation，influence of construction environment temperature，welding deformation and concrete's shrinkage-creep and so on. These problems have to be solved by integrated cooperative time-variation analysis system involved in

7、 space domain.Taking typical large complex steel structures home and abroad as examples，the authors point out theories and methods of integrated cooperative time-variation analysis system to solve problems above and introduces the new algorithm and FE element， which can provide reference for further

8、 construction analysis of projects.Key words:construction mechanics; construction control; integrated cooperative time-variation system; large complex steel structures隨著我國鋼材產(chǎn)量持續(xù)位于世界首位，鋼結(jié)構(gòu)在大型公共建筑領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在高層結(jié)收稿日期2010-11-10作者簡介郭彥林，清華大學(xué)土木水利學(xué)院土木工程系教授，博士生導(dǎo)師，北京 100084，電話: ( 010 ) 62796859，E-mail: gyl ma

9、il.tsinghua. edu. cn構(gòu)領(lǐng)域，出現(xiàn)了 CCTV 新臺址主樓、深圳證券大廈這種大懸挑結(jié)構(gòu);在大跨度結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，既有國家體育場“鳥巢”、深圳灣體育中心、深圳大運體育中心等造型獨特的剛性結(jié)構(gòu)，又有佛山世紀(jì)蓮體育場、深圳寶安體育場等由拉索構(gòu)成的柔性結(jié)構(gòu)。這些建筑不但對結(jié)構(gòu)設(shè)計理論提出了挑戰(zhàn)，更對施工技術(shù)發(fā)展有48施工技術(shù)第 40 卷圖 1一體化協(xié)同時變分析系統(tǒng)Fig. 1Integrated cooperative time-variation system了進一步的要求，尤其是在施工力學(xué)模擬分析技術(shù)1和施工控制技術(shù)上，需要解決許多新問題。這些2問題已經(jīng)不局限于結(jié)構(gòu)時變的概念，而是將結(jié)

10、構(gòu)從時間域上的變化擴展到時間域和空間域上:不但要研究主體結(jié)構(gòu)逐步成型的過程，還要考慮臨時構(gòu)件的進入與撤出;不但要考慮永久荷載的作用，還要考慮臨時荷載的出現(xiàn)和消失;尤其要精細化分析主體結(jié)構(gòu)與臨時構(gòu)件、施工設(shè)備之間的相互作用，如接觸、脫離34、不均勻提升等，以及結(jié)構(gòu)的材料性能變化56-8等對施工過程和結(jié)、施工環(huán)境溫度變化構(gòu)受力性能的影響。甚至考慮建筑從建造到服役全9生命周期的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念也已被提出 。因此，施工分析向一體化發(fā)展的趨勢是必然的。本文將首先介紹課題組建立的一體化協(xié)同時變分析系統(tǒng)( 以下簡稱一體化系統(tǒng)，見圖 1 ) 以及它在國內(nèi)外重大工程中的應(yīng)用，其次闡述復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工“力”與“形”控制

11、方面的研究成果與工程應(yīng)用。1 一體化協(xié)同時變分析系統(tǒng)的創(chuàng)立與應(yīng)用對復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工過程的分析，要經(jīng)歷“有限元建模”、“施工過程分析”、“施工控制 ”以及“成型結(jié)構(gòu)評估”一系列過程，才能保證施工過程結(jié)構(gòu)的安全、施工成型狀態(tài)結(jié)構(gòu)受力和位形都符合設(shè)計要求。一體化系統(tǒng)在建立協(xié)同分析有限元模型時，考慮了結(jié)構(gòu)時變的特性，包括材料、邊界條件和荷載的時變。例如，廣州珠江新城西塔采用混合結(jié)構(gòu) ( 筒中筒結(jié)構(gòu)) ，鋼管混凝土組成的外框筒與混凝土核心筒之間通過水平伸臂鋼桁架、樓板和梁連接。施工過程中，核心筒混凝土?xí)l(fā)生收縮徐變，從而造成內(nèi)外筒高差，影響二者之間構(gòu)件的受力。結(jié)構(gòu)施工過程分析建模時，需要采用能夠模擬混凝土收

12、縮徐5變的有限元單元 。再如，玻璃幕墻結(jié)構(gòu)采用單層索網(wǎng)支承體系時，縱橫交錯的拉索之間通過索夾連接，如圖 2 所示。張拉過程中，兩根拉索可以順著各自的方向滑動，僅在二者所在的平面外共同變形;張拉完成后，鎖緊索夾，拉索就無法相互錯動了。這一邊界條件的轉(zhuǎn)換，影響索網(wǎng)體系在施工及使用過程10中的索力分布情況，需要準(zhǔn)確進行數(shù)值模擬。進行施工過程時變分析時，一體化系統(tǒng)依據(jù)不同類型的工程及施工方法，分別有對應(yīng)的分析模塊。1. 1動態(tài)三維變形預(yù)調(diào)技術(shù)對于類似 CCTV 新臺址主樓這樣的“傾斜、閉環(huán)、大懸挑”結(jié)構(gòu)( 見圖 3 ) ，如果按照設(shè)計給出的位形安裝構(gòu)件，那么在自重作用下，施工完成的結(jié)構(gòu)必然因為變形而偏

13、離設(shè)計位形。因此，需要給每個構(gòu)圖 2索夾圖 3 CCTV 新臺址Fig. 2Clamp主樓懸臂施工Fig. 3 Construction ofcantilever of NewCCTV Headquarter2011 No. 1郭彥林等:大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)及控制新技術(shù)的研究與工程應(yīng)用49件一個“安裝位形”確定三維坐標(biāo)，以保證結(jié)構(gòu)施工逐漸完成后其成型狀態(tài)與結(jié)構(gòu)設(shè)計位形一致。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安裝位形與設(shè)計位形的坐標(biāo)差就是變形預(yù)調(diào)值。造型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的變形預(yù)調(diào)值，不是簡單的預(yù)起圖 4廣東省新博物館拱值，而是與施工順序、施工方案、結(jié)構(gòu)特點密切相Fig. 4 Guangdong New Museum關(guān)的動態(tài)三

14、維坐標(biāo)差的變化。因為每個構(gòu)件從安裝上去到結(jié)構(gòu)成型，都發(fā)生連續(xù)不斷的彈性變形和剛體位移。某個構(gòu)件在當(dāng)前安裝位形的確定，不但與其本身所在的施工步有關(guān)，還與之前已經(jīng)裝上和之后將要安裝構(gòu)件的安裝位形都有關(guān)系。其計算要遇11到“死單元漂移 ” 、計算迭代次數(shù)過多等諸多問圖 5杭州灣跨海大橋題，常規(guī)的“正裝迭代法”和“倒拆迭代法 ”是無法解Fig. 5 Hangzhou Bay Sea-crossing Bridge決的12。因此本課題組研究了一種分階段綜合迭程一般包括起提、提升、合攏和落架 4 個步驟，涉及代法1314以及分步建模技術(shù)。該方法將施工過程到的問題有:起提后被提升結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)和邊界劃分為若干

15、階段，各階段之間采用倒拆迭代法計算，條件與設(shè)計狀態(tài)不同，需要對提升點的位置和周圍每個階段內(nèi)部采用正裝迭代法計算。這樣能夠有效構(gòu)件的受力狀態(tài)進行研究;分析提升過程中被提減少迭代次數(shù)，收斂性非常好，可以解決上述問題。升結(jié)構(gòu)、拉索、塔架之間的相互作用，尤其是塔架和在應(yīng)用該方法的基礎(chǔ)上，本課題組得到了 CCTV 新被提升結(jié)構(gòu)的安全性;人為控制提升力在結(jié)構(gòu)柱臺址主樓施工過程全部構(gòu)件的施工變形預(yù)調(diào)值;研和提升塔架之間的分配，保護容易破壞的構(gòu)件;評究了其施工過程內(nèi)力和位形的發(fā)展規(guī)律15、地基不估提升過程中不均勻提升、風(fēng)荷載、溫度、碰撞、斷索均勻沉降對施工變形預(yù)調(diào)值的影響 16-17以及幕墻等情況下提升系統(tǒng)的

16、安全性。 體系的容差限值 18 等問題，計算結(jié)果為工程建設(shè)提一體化系統(tǒng)通過建立包含提升塔架、拉索、被提供了支持。升結(jié)構(gòu)的一體化模型進行分析。為解決提升過程中這一技術(shù)還應(yīng)用在廣東省新博物館懸挑結(jié)構(gòu)施結(jié)構(gòu)剛體位移引起的計算收斂性問題，提出平衡位形工19( 見圖 4) 、廣州珠江新城西塔的環(huán)形索張拉順420虛約束求解技術(shù) ，通過附加軸向剛度非常小的虛約序分析中。廣東省新博物館采用混凝土核心筒22和預(yù)應(yīng)力鋼桁架懸挑結(jié)構(gòu)，懸挑長度達 23m。樓層束單元，消除剛體位移。通過冷凍升溫技術(shù) 、擬滑234懸掛在鋼桁架下方。懸掛各樓層時，結(jié)構(gòu)變形較大，輪技術(shù) 和自動提升迭代算法 實現(xiàn)提升過程的模擬。一體化系統(tǒng)還可

17、利用橢圓優(yōu)化算法計算含有索-且有累積和反復(fù)的特點。依據(jù)懸掛施工順序?qū)Ω鳂?4-25層設(shè)置了變形預(yù)調(diào)值，保證成型狀態(tài)樓層處于水平滑輪單元的吊裝可動體系平衡狀態(tài)。首都國際機場 A380 機庫4位形。廣州珠江新城西塔頂部和底部直徑小，中部屋蓋采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)( 見圖 6) ，屋蓋面積40 372m2 ，提升質(zhì)量8 200t，用結(jié)直徑大，外框筒設(shè)置了 15 道環(huán)形預(yù)應(yīng)力拉索以提供構(gòu)柱與門頭桁架下的提升塔架組成共 45 個整體提環(huán)箍作用，減少外框筒在豎向荷載作用下的外凸變升點。提升點之多、一次提升面積和質(zhì)量之大堪稱形。通過分步張拉環(huán)索的分析研究，保證了成型狀世界之最。由于提升點超出常規(guī)控制范圍以及提升態(tài)外框

18、筒的設(shè)計位形與內(nèi)力要求。結(jié)構(gòu)剛度不足，整個提升點的位移控制、提升過程中在橋梁工程領(lǐng)域，對杭州灣跨海大橋 ( 見圖 5 )的溫度與風(fēng)荷載作用、結(jié)構(gòu)合攏與落架對成型狀態(tài)線形控制進行了研究21。杭州灣跨海大橋采用斜的影響成為關(guān)注的焦點。廣州新白云機場維修機拉橋形式，分為南北兩部分，橋身為鋼箱梁。其施工庫26利用全部結(jié)構(gòu)柱充當(dāng)提升過程中的支承結(jié)構(gòu)特點是:鋼箱梁現(xiàn)場連接精度要求高，無微調(diào)空間;( 見圖 7) ，結(jié)構(gòu)柱由設(shè)計狀態(tài)下的兩端剛接變成提施工階段橋身剛度低，線形受索力和溫度影響明顯。升狀態(tài)下承受偏心荷載的懸臂柱，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性通過對施工過程分析和控制，精確實現(xiàn)了設(shè)計的成變差。一體化系統(tǒng)成功實現(xiàn)了提

19、升系統(tǒng)內(nèi)部相互作型狀態(tài)線形。用的全過程分析，通過人為控制提升力在各柱間的1. 2整體提升技術(shù)分配關(guān)系，可以保護剛度較小的提升結(jié)構(gòu)或者穩(wěn)定整體提升技術(shù)一般應(yīng)用在大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)施工性較差的提升柱;同時，一體化系統(tǒng)自動給出提升過中，指的是利用提升塔架、拉索和提升設(shè)備將在地面程中的溫度和風(fēng)荷載作用，預(yù)報超應(yīng)力構(gòu)件以及最拼裝的大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)提升安裝就位的技術(shù)。其過50施工技術(shù)第 40 卷大水平位移的位置，預(yù)警提升結(jié)構(gòu)與支承柱之間的27碰撞遭遇。澳門多功能體育館 采用將主桁架拱在跨中分割提升及兩拱腳對拉的施工方案，存在提升點豎向位移和拱腳向內(nèi)水平位移的最佳協(xié)調(diào)關(guān)系;同時，提升過程中提升塔架的剛度均比較弱，

20、容易發(fā)生平面外失穩(wěn)。一體化系統(tǒng)給出了提升點位移與拱腳水平驅(qū)動位移的最佳協(xié)調(diào)關(guān)系以及提升過程中桁架拱與塔架受力的最佳匹配，給出了施工成型狀態(tài)達到設(shè)計狀態(tài)的超提升位移量。圖 6 首都機場 A380 機庫圖 7新白云機場機庫Fig. 6 A380 aircraftFig. 7Aircraft hangerhanger of Capitalof Guangzhou NewInternational AirportBaiyun Airport1. 3整體滑移技術(shù)一體化系統(tǒng)準(zhǔn)確實現(xiàn)了對滑移結(jié)構(gòu)與滑移支承體系間相互作用的主動控制，可以控制滑移結(jié)構(gòu)與支承體系之間在不同位置、不同施工步的相互作用19力。如廣東省

21、新博物館 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋重8 800t，采用整體累計滑移施工方案，滑移距離達到 124m ( 見圖 8) 。在施工中發(fā)明了“柔性軌道、分離式滑移技28術(shù)” ，將承重軌道與頂推軌道分離，充分利用結(jié)構(gòu)自身的剛度，通過一體化系統(tǒng)有效調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)自重荷載在支承柱體系的分配，極大降低對軌道梁剛度與承載力的要求。同樣，應(yīng)用一體化系統(tǒng)在新白云機場航站樓屋面桁架曲線滑移的施工方案制定中 ( 見圖 9) ，預(yù)測了曲線滑移過程中單榀桁架面外失穩(wěn)的29危險性并及時采取了預(yù)防措施。圖 8廣東省博物館Fig. 8Guangdong Museum1. 4整體落架技術(shù)采用臨時支撐胎架分段拼裝、高空組裝是最為常見的大跨度結(jié)構(gòu)施工方法

22、之一。施工結(jié)束后拆除臨時支撐、完成結(jié)構(gòu)落架的過程，是主體結(jié)構(gòu)和臨時支撐相互作用的受力狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程。臨時支撐的設(shè)計、落架方案的制定都需要對落架全過程進行模擬。圖 9廣州新白云機場航站樓Fig. 9Terminal of Guangzhou New Baiyun Airport14在生死單元技術(shù)和非線性求解技術(shù)的基礎(chǔ)上，一體化系統(tǒng)通過“千斤頂單元”、“千斤頂-接觸單元 ”3，11以及“千斤頂-間隙單元”，能夠模擬千斤頂上端與結(jié)構(gòu)接觸和脫離時力的變化以及相對錯動時千斤頂有限抗彎剛度對結(jié)構(gòu)的作用，從而實現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)與臨時支撐之間接觸-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

23、帶來的計算結(jié)果失真等問題。國家體育場 ( 鳥巢 ) 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋按照受力關(guān)系可將整個結(jié)構(gòu)分為主結(jié)構(gòu)與次結(jié)構(gòu) ( 見圖 10 ) 。主結(jié)構(gòu)由 24 榀空間門式桁架形成馬鞍形雙曲面，次結(jié)構(gòu)為門式鋼架之間不規(guī)則布置的構(gòu)件。由于其構(gòu)件自重產(chǎn)生的內(nèi)力較大，施工順序?qū)Τ尚徒Y(jié)構(gòu)受力將產(chǎn)生明顯影響，其中焦點問題是主結(jié)構(gòu)落架后再安裝肩部和頂面次結(jié)構(gòu)時，其次結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)以及次結(jié)構(gòu)與次結(jié)構(gòu)焊接連接時由于落架、溫度作用、次結(jié)構(gòu)的荷載作用及參與結(jié)構(gòu)剛度貢獻等因素產(chǎn)生的位移偏差分析與評估。一體化系統(tǒng)比較了 3 種落架方30-31案，并給出了上述偏差的計算結(jié)果。廣州市新體育館屋蓋采用桁架結(jié)構(gòu) ( 見圖 11 ) ，分為主桁架

24、、輻射桁架和周邊水平環(huán)梁。主桁架跨度達 160m，采用在胎架上安裝后拆除臨時支撐的施工方法。在主桁架的吊裝及拆撐分析中，課題組利用一體化系統(tǒng)制定的拆撐方案能夠控制千斤頂下沉量使屋蓋緩慢進入設(shè)計受力狀態(tài)，屋蓋各桿件內(nèi)力均小于設(shè)計承32載力。西 安 北 站 主 站 房 屋 蓋 長 552m，寬182. 5m，采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu) ( 見圖 12 ) 。屋蓋結(jié)構(gòu)采用“后單元安裝-前單元落架”的技術(shù)方案，施工過程一體化系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)部分臨時支撐會導(dǎo)致某些樓面鋼33桁架側(cè)向失穩(wěn)，必須采取措施進行補強。1. 5 整體張拉技術(shù)初始預(yù)應(yīng)力態(tài)對于張拉屋蓋結(jié)構(gòu)而言非常重要，是施工的目標(biāo)狀態(tài)，也是結(jié)構(gòu)服役的起始狀態(tài)。傳統(tǒng)上確

25、定初始預(yù)應(yīng)力態(tài)的找形分析方法有 3 種:平衡矩陣法343536、力密度法和動力松弛法。但是它們都無法直接應(yīng)用通用有限元軟件求解，更難以與施工分析結(jié)合。本課題組研究出一種可以在通用有限元軟件 ANSYS 上進行索桿張拉結(jié)構(gòu)找力分析的逐點去約束法37-3839，該方法與輔助收斂方法2011 No. 1郭彥林等:大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)及控制新技術(shù)的研究與工程應(yīng)用51圖 10國家體育場( 鳥巢) 屋蓋結(jié)構(gòu)Fig. 10 Roof structure of National Stadium ( the Nest)圖 11 廣州新體育館屋蓋主桁架與輻射桁架示意Fig. 11 Main truss and radiate trusses of Guangzhou Gymnasium著鋼桁架的變形而變化，交叉的拉索之間通過圖 2所示索夾連接，相互錯動和共同變形的關(guān)系也隨著索夾的放松和夾緊而變化。一體化系統(tǒng)能夠?qū)⒄w張拉中的索網(wǎng)、剛性構(gòu)件、邊界條件融合在同一個模41型中，基于目標(biāo)索力的“荷載-位移 ”雙控算法 等技術(shù)，精確模擬張拉過程中剛?cè)針?gòu)件的相互作用、索夾卡緊與放松、索頭逐步連接固定等邊界條件的轉(zhuǎn)10變過程，真實、準(zhǔn)確把握張拉過程結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位42形的發(fā)展。圖 13寶安體育場Fig. 13Baoan Stadium圖 12西安北站整體效果Fig. 1