大跨结构的建造往往是一个长期的过程,通常都是分阶段逐步完成的。结构计算分析一般是假设结构整体建成后,一次性加入结构所要承受的全部荷载,即所谓的一次加载法。一次加载法把施工过程假定为一个静态过程,忽略了施工过程对结构状态的影响,从而导致建成后的结构内力、变形等于计算结果有较大出入。
施工力学分析与传统力学分析最大差异在于分析对象的几何(甚至物理、边界)特性随时间变化,是时间函数,因此施工力学在学科上属于时变力学范畴。时变力学是研究对象(包括几何、物理、质量与边界等参数)随时间发生变异的力学学科分支,是由现代控制论派生而来,近代有许多工程与科技领域与此有关,成为这些领域新的理论基础之一。
目前,在桥梁工程、岩土工程和高层钢筋混凝土结构等领域的施工力学分析理论有了一定的研究成果。但关于空间结构施工力学分析的理论研究进展不多尚不成熟,目前仅对一些结构成形和施工过程密切相关的因素进行了 一定的研究,比如罗务治等对“折叠展开式”整体提升施工中机构的受力特性和动力响应等进行了相关研究。
国内一些学者对索弯顶的施工中的受力分析也作了一定的研究:袁行飞,董石麟提出了施工反控制法来模拟索弯顶的施工过程;沈祖炎等人提出了用非线性有限元法来模拟索弯顶的施工,并通过实验予以验证;罗务治,沈雁彬提出了索承网壳结构施工计算的循环前进分析方法,可实现索网结构施工状态的实时跟踪分析与控制;李永梅等人对网壳和网架的一些施工方法的施工分析(网壳安装的内扩法)也有一定的研究];郭彦林等人对大型复杂结构的施工力学问题及分析方法、关键技术进行了深入研究,归纳了近年来大型复杂结构亟待解决的问题,并对CCTV新台址以及广州新白云机场主航站楼进行了施工过程力学分析。
范重等人在研究国家体育场的时候采用的各种模拟手段来模拟施工中的位移、应力、变形、温度效应等,同时采用逐次“激活”单元技术对钢结构安装进行模拟计算,研究表明施工顺序对构件的内力和变形影响显著。这些研究取得了丰富的成果,为大跨钢结构施工过程模拟提供了 一定的经验。施工控制是为了确保施工过程中结构的安全,保证结构成形后变形及受力状态基本符合设计要求。为了达到施工控制的目的,必须对分阶段施工过程中每个阶段的受力状态和变形进行监测。
因此,必须采用合理的理论分析和计算方法来确定结构施工过程中每个阶段在受力和变形方面的实际状态,以便控制施工过程中每个阶段的结构状态,使其最终的成形状态满足设计要求。施工模拟计算方法主要有:一般迭代法、正装迭代法、倒拆迭代法和无应力状态分析法等。
(1) 一般迭代法一般情况下,把结构在自重及附加恒载作用下的位形值,反号叠加到设计位形上,即可得到变形预调值的近似值。但因非线性等因素的影响,需通过反复迭代法才能收敛到精确的变形预调值。迭代法可以用来计算满堂脚手架法施工的结构变形预调值,但不能计算悬臂施工法等情况下的结构变形预调值。
(2)正装迭代法设计位形作为安装的初始位形,按照实际施工方案对结构进行跟踪模拟分析,得到成型时的变形,把该变形反号叠加到设计位形上,即为初始位形。如果结构在施工过程中非线性变形较强,基于该初始位形的施工成型位形将不能满足要求,需经过多次正装分析且反复设置预调值才能收敛到精确的初始位形和分步位形,从而得到构件的加工预调值和安装预调值。正装迭代法真实地模拟了实际施工的全过程,可考虑非线性等因素的影响,计算精确度高。但对于大型复杂钢结构,如施工过程中变形较大且复杂,采用正装迭代法可能会出现因“死”单元漂移过大或发生畸变而导致算法不收敛。
(3)倒拆迭代法与正装法对施工过程进行正序的跟踪分析不同,倒拆法是对施工过程进行逆序分析,主要是分析所拆除构件对剩余结构变形和内力的影响。该方法在每一步的分析中可考虑非线性等因素的影响,而总变形和内力的求解釆用了叠加原理,适用于分析非线性比较弱的结构。倒拆迭代法计算变形预调值的基本思路为:根据结构的设计状态,考虑最后一施工步所安装的构件对剩余结构变形的影响,根据该变形确定最后一施工步构件的安装位形。如此类推,依次倒退分析各施工步构件对巳安装结构变形的影响,从而确定各构件的安装位置。倒拆迭代法仅可部分的考虑非线性等因素的影响,计算精度比正装迭代法低,但可避免复杂结构分析过程中因“死”单元漯移过大而带来的不收敛问题。
(4)无应力状态法将一座已建成的结构解体,结构中各构件或者单元的无应力长度和曲率是一个确定的值。用构件或单元的无应力长度和曲率保持不变的原理进行结构状态分析的方法称为无应力状态法。其概念更加清晰,适应性更强,利用结构单元无应力状态量稳定的特点,避免了施工中温度和施工临时荷载的影响,可适用于所有结构形式的施工模拟,是一种用于施工模拟计算的新方法。
