大跨度钢结构施工过程的结构分析方法研究

孙 伟

（厦门工学院 建筑与土木工程学院 土木工程系，福建 厦门 361000）

设计人员在设计建筑结构的过程中，对会影响结构性能的各方面因素缺乏重视，对于跨度较小或底层的建筑来讲，施工的最终结果同设计没有太明显的差异，但是对于跨度较大、楼层较高的建筑来说，如果还没有重视施工方法和施工过程会对建筑结构所产生的影响，就会导致建筑的最终状态同设计存在差异.通过大量的实践证实，必须要加强对大跨度钢结构施工中各个环节的计算分析，只有这样才能保障建筑结构的安全性和稳定性.

1 大跨度钢结构施工力学概述

时变结构力学可以分为以下三大方面：快速时变力学、慢速时变力学以及超慢速时变力学，而施工力学属于慢速力学的范畴内，随着结构的不断变化可以进行静动力分析，也就是要分析其工作时存在的各种状态，研究该状态中结构的稳定性.在进行结构施工的过程中，通常情况下需要增设一些暂时的支撑体系，同原有的结构相融合构成工作系统，这些都是我们需要研究的.

对于大跨度钢结构的施工来讲，要想结构的最终效果同设计阶段的标准相吻合，详细的施工结构分析以及计算是不可或缺的重要工作，通过结构设计的标准来制定最佳的施工方案，以此来保障施工整体的安全性和稳定性.在最近几年中，大跨度钢结构的发展是有目共睹的，但是在施工的过程中也不可避免的存在很多问题，例如某体育馆中平面桁架的整体吊装，只有设置很多吊点才能保障桁架的各项指标符合相关的标准，否则桁架的稳定性将不能保障，但是计算桁架吊装稳定性属于一项非常复杂的工作，需要消耗大量的人力物力，类似这种问题有很多，所以必须要重视起来.

在对大跨度钢结构进行力学分析的过程中，虽然结构处于不断变化的状态中，但可以把结构处理为慢速时变过程，采取时间冻结法进行分析，依照有限元分析步骤重新进行输入和划分，把前次的结果作为下次的输入数据，但是这样做最突出的缺点就在于计算的任务量大大提高，所以施工力学另外一项需要解决的任务就是如何增强计算的效率.目前施工力学已经提出了很多种数据值方法，比较重要的分为以下三种：其一，一般单元法，通过单元的增减来实现求解区域的变化，该方法的缺点在于网格需要不断的进行剖分；其二，拓扑变化法，通过拓扑原理实现求解区域随时间的变化，其缺点在于时变的次数不能过多，否则会降低计算的效率；其三，时变单元法，离散网格保持不变，通过单元的改变来实现求解区的变化，其缺点在于数值积分不够稳定.以上三种方法在求解钢结构力学方面都存在或多或少的问题，还需进一步探讨.

2 大跨度钢结构的施工特点

大跨度钢结构具有较强的刚度，正是这种较强的刚度使得所发生变形的可能性较低，所以能够从线性理论的角度来思考线性的变形，以此来解决力学方程，也就是说在这种变形较为微弱的形势之下来计算结构内力.索网、膜结构属于柔性结构，结构的抗弯抗剪能力比较低，其构形取决于张拉力的分布情况.结构体通过变形来避免外来荷载对自身产生的作用，该理论为物理结构中非常重要的一个方面，刚性结构、半刚性结构以及柔性结构都具有各自的特点，在受力方面也存在很大的不同，因此在施工时的结构受力分析方法也是不同的.现如今随着建筑行业的发展越来越快，大型钢结构的应用也更加的广泛，成为了未来建筑行业发展的必然趋势，因此当前设计人员所面临的一项重要工作就是把施工结构分析方法应用到实际工作中来，使结构的设计更加稳定，保障施工的安全性，深入俩接结构施工的特点，把分析方法同实际妥善的融合到一起，推动施工工作顺利的开展.

3 大跨度钢结构施工的力学原理及方法

3.1 大跨度钢结构施工的力学原理

大跨度钢结构的施工是连续的，也就是说钢结构的受力状态也是在不断变化的，前阶段的内力和位移对下个阶段会产生直接的影响，只有深入分析各个阶段的内力和位移才能保障其效益的准确性；另外在各个阶段的施工时，结构各个方面的指标都会发生边变化，例如温度、约束、预应力等，只有通过严密的跟踪才能反映出最准确的结果.目前有限元的发展非常迅速，例如MSC、ANSYS等都能够实现对不同结构形式的混合运算，对各方面的计算分析也都相对完善，以此成立了一个更加强大的平台，但由于该平台不能直接实现对施工的跟踪，所以利用该平台进行二次开发是当前一条急需发展的道路.

在力学分析中通常通过拉格朗日列式来描述运动的过程，该描述方法在增量非线性分析中应用的非常多，能够跟踪到物体各点的变化，结合虚功原理获得结构单元的切线刚度矩阵公式如下：[K]e=[K]e0+[K]e1+[K]eσ，通过左边转为获得方式[K(U)]{U}={F},[K(U)]是位移向量，后二者分别为位移向量和荷载向量.对于工程施工来讲，最重要的就是结构发生了改变，当构件增加时刚度矩阵也会相应的发生改变，这时采用增量迭代的方式进行计算，把增加构件前的结构状态作为基础，增加之后的状态作为终态，这样就能全面的分析增加构件对结构所带来的影响.相反，当减少构件时把减少前的状态作为基础，计算出减少构件的节点力，在减少之后把节点反力施加在原位置上进行计算，即能获得减少构件后的结构状态.当外荷载发生改变时会导致结构外荷载也发生改变，例如温度荷载等，处理的方式就是在原有荷载列阵中加入增加荷载的变化量，然后重新进行计算；当外界因素发生改变时要进行统一处理，实时调整位移列阵.

对于有限元软件来讲，相对容易的问题是边界的变化，但是对于构件的改变处理则相对复杂，这时可以使用ANSYES软件中的计算功能和单元功能来全过程跟踪施工分析方法.所谓ANSYES就是一个大型有限元系统，其包含着多种形式的单元库，基本每个单元都具有“激活”和“杀死”的能力，也就是所谓的死活单元功能，其具体功能如下：①“激活”单元，在当前的受力状态下激活结构中的某个单元，如果结构没有心的荷载则内力不会产生改变，如果存在新增的荷载则激活的单元也会发生改变；②“杀死”单元，所谓杀死单元就是把某些构件从结构中撤除，这时该构件的内力就会作用在结构上，造成结构的变形.

3.2 大跨度钢结构施工的力学方法

新增构件的情况可以分为四个方面，如图1所示，图中的直线代表原来的位置，虚线位置代表发生变形之后的位置，点划线代表新增的构件，针对图1所示的几种情况明确了下面几点原则：①如果新添加的构件没有同原有的构件相连，那么将采用节点设计坐标为新的节点坐标；②如图1中的a，o为新节点的位置，结合构件JK延长线的方向以及|KL|来决定o的坐标位置；③如图1中的b，JK为新增的构件，但是并不存在新增的节点，因此JK长度就是J和K两点之间的距离；④如图1中的c，JO1和JO1为新增的构件，但O1和O1为同一节点，因此要由O1和JO1来共同确定O的位置.

图1 新增构件情况分析图

在四点原则中，通过前两点原则能够发现，新增构件的大小同建模是保持相同的，而通过后两点原则又能够发现，新增构件的长度会发生改变，所以在对构件进行施工的过程中必须要考虑到该问题，如果考虑的不全面，将会直接造成构件不能顺利的安装，而且还会产生大量的残余内力.总体来看该计算方法的效率比较高，但关于施工中对构件矫正方面的内容没有涉及到，因此下面探讨其它计算方法.

新增的构件如果并没有同原有构件相连，那么应用建立于设计坐标的单元激活方式就能够进行计算.①如图2中的a，JL同KJ几乎在同时生成，但是生成之后的新增单元JL没有密度虚设，剩余的参数保持不变，在新增单元添加之后还原其密度.②如图2中的b，在生成IJ和KL的时候，新增单元JK也生成，但是JL没有密度虚设，在新增单元添加之后要把密度和弹性模量还原才能计算.③如图2中的c，通过O1和O2能够明确O点的具体位置，但是通常情况下要使O点更接近O1，所以要通过计算来研究O1和O2哪个同设计位置更近，以此来作为O点.上述的几种情况并没有考虑到实际的定位方法，所以又存在下面几种情况.④如图2中的a和b，当修正单位分别为两节或三节的时候，O点的坐标要同设计时保持一致，负荷单元激活的理论；⑤如图2中的的c，在两个新增单元聚拢时，O点的位置也同设计的位置保持一致，也可以采用单元激活的方式.通过上述原理，利用ANSYS平台进行处理，一方面能够降低施工力学研究的难度，另一方还能增强了计算的实用性.

图2 新增构件情况分析图

4 总结

通过上述分析能够看出，通过施工力学来分析大跨度钢结构的施工具有非常重要的价值和意义，不仅能够保障大跨度钢结构的施工安全，还能保证建筑整体的安全性和稳定性.因此设计人员必须要掌握钢结构力学分析原理，对大跨度钢结构的施工过程进行分析，制定最佳的施工方案，使大跨度钢结构的应用更加广泛.

〔1〕田黎敏.大跨度空间钢结构的施工过程模拟分析及研究[D].西安建筑科技大学,2010.

〔2〕洪彩玲.大跨度预应力空间钢结构施工过程分析与索力优化研究[D].郑州大学,2013.

〔3〕王驰.大跨度钢结构施工过程的结构分析方法研究[J].中国建筑金属结构,2013,（10）:42.

〔4〕王盈.大跨度钢结构施工过程的结构分析方法研究[J].中国新技术新产品,2014,（01）:56.

〔5〕全豫晋.大跨度钢结构施工过程的结构分析方法研究[J].江西建材,2014,（13）:75+77.

〔6〕李贵平.浅谈大跨度钢结构施工过程的结构分析方法[J].化学工程与装备,2010,（05）:111-112+66.

〔7〕林志野.大跨度空间钢结构滑移法施工全过程力学行为研究[D].沈阳建筑大学,2011.