張立柱

摘 要：由鋼制材料組成的建筑結(jié)構(gòu)，因其獨(dú)特的材料特點(diǎn)與恒荷載作用，易產(chǎn)生建筑內(nèi)力及形變。在自重和承重方面來(lái)看，鋼結(jié)構(gòu)在與其它荷載效應(yīng)組合的過程中，這種內(nèi)力及形變會(huì)導(dǎo)致建筑承載著較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。幾何時(shí)變、材料時(shí)變和邊界時(shí)變是鋼結(jié)構(gòu)在施工力學(xué)中存在的主要問題。本文通過對(duì)以上問題的研究與分析提出了解決方法，減少時(shí)變，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；建筑施工；力學(xué)；結(jié)構(gòu)問題；結(jié)構(gòu)分析

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)在實(shí)際建筑建設(shè)使用中，設(shè)計(jì)、施工及經(jīng)濟(jì)方面都比其它建設(shè)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。因此，越來(lái)越多的大型建筑都開始運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建。大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)在施工時(shí)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化不是一個(gè)簡(jiǎn)單的過程，施工時(shí)采取的路徑以及各項(xiàng)目施工的時(shí)間，對(duì)建筑完成后的影響十分明顯。這種影響體現(xiàn)在建筑外部的幾何形態(tài)和內(nèi)部受力狀態(tài)上，因此，施工力學(xué)問題是大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑施工中重要的一項(xiàng)。

2 鋼結(jié)構(gòu)建筑施工力學(xué)問題簡(jiǎn)述

我國(guó)現(xiàn)代建筑多以混凝土結(jié)構(gòu)為主，因此從事施工的施工人員對(duì)大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的建筑施工比較生疏，很少有施工人員會(huì)在施工過程中對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行分析。而在施工過程中，鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的自身重量、作為裝飾的承載以及作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)等的恒荷載，都會(huì)逐步隨著這個(gè)過程施加至建筑。建筑施工完成后，在這些恒荷載的作用下，鋼結(jié)構(gòu)容易因施工時(shí)累加而形成的內(nèi)力變形。

施工時(shí)采取的路徑與各項(xiàng)目施工時(shí)間，密切影響著恒荷載的大小與分布規(guī)律。在這樣的施工效應(yīng)下，若是過程中引起的內(nèi)力或是形變對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的影響較大，極易引發(fā)大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全問題。這些影響可能會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的特性、邊界、材料隨著時(shí)間的推移而發(fā)生性質(zhì)上的變化，當(dāng)時(shí)變的變動(dòng)達(dá)到一定程度，鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會(huì)發(fā)生變化。一旦鋼結(jié)構(gòu)喪失了其穩(wěn)定性，建筑的原有結(jié)構(gòu)就會(huì)被破壞，甚至?xí)斐山ㄖ?/p>

鋼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)與施工“路徑”密切關(guān)聯(lián)的特性，即在建筑的施工過程中，會(huì)依據(jù)先后的順序產(chǎn)生剛度、幾何形態(tài)、邊界、荷載等條件。荷載又是隨著建筑的搭建而逐步形成的，在形成過程中，施工的路徑和各部分施工的時(shí)間都在每一步的工作中影響著階段受力性能的使用。由于鋼結(jié)構(gòu)具有其它建設(shè)無(wú)法超越的優(yōu)勢(shì)，我國(guó)大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的使用越來(lái)越廣泛，此類施工也在逐步增多，在施工過程中出現(xiàn)的力學(xué)問題，成為了急需解決的重要問題。然而現(xiàn)階段，大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑施工力學(xué)問題暫時(shí)屬于建筑學(xué)科的前沿發(fā)展問題，以目前研究來(lái)說(shuō)無(wú)法得到徹底有效的解決。在大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑逐步落實(shí)應(yīng)用的過程中，力學(xué)問題的解決成為了工程施工發(fā)展的一個(gè)重要方向。

3 鋼結(jié)構(gòu)建筑施工力學(xué)問題分析

3.1 結(jié)構(gòu)施工跟蹤分析

所有大型建筑物的建筑過程都是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑也不例外。在這個(gè)動(dòng)態(tài)過程中，材料依照設(shè)計(jì)堆砌，荷載隨之加強(qiáng)，建筑逐漸落成，邊界也逐漸成型。在建筑完成后，鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部的力量與變形，都是在施工過程中一步步累加形成的，建筑過程中每一部分的完工時(shí)間、每一個(gè)步驟的先后順序，都對(duì)結(jié)果產(chǎn)生著不可逆的影響。

3.2 施工變形預(yù)調(diào)值分析

在大型建筑物的建筑中，如大跨度的鋼結(jié)構(gòu)建筑，常常需要將搭建的每一部分組合為最終建筑物，或是在建筑時(shí)大跨度進(jìn)行施工，這種施工過程需采用臨時(shí)支撐的方式進(jìn)行搭建。在鋼結(jié)構(gòu)的安裝過程中，臨時(shí)支撐能夠承載鋼結(jié)構(gòu)在施工過程中產(chǎn)生的荷載和鋼結(jié)構(gòu)的自重，但是最大的難題也因此出現(xiàn)：在逐步施工過程中，已經(jīng)搭建的結(jié)構(gòu)可能會(huì)由于各種原因產(chǎn)生不可預(yù)料的變形，對(duì)下一步需要搭建構(gòu)件的安裝位置產(chǎn)生或大或小的影響。

3.3 大跨度鋼結(jié)構(gòu)拆撐分析

大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑的搭建需由局部到整體，在整個(gè)結(jié)構(gòu)尚未成型之前，搭建的局部無(wú)法靠自身已搭建的部分維持穩(wěn)定。因此在大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑中，臨時(shí)支撐成為了施工過程中重要的一部分。臨時(shí)支撐的搭架需要通過高空組裝或是直接高空散裝的施工方式來(lái)完成，它可以使搭建的大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑局部維持穩(wěn)定，減少其內(nèi)力和變形。但是臨時(shí)支撐也存在著弊端，即在施工過程中，施工人員需規(guī)劃考慮臨時(shí)支撐的搭建方案、拆撐方案、拆撐過程；同時(shí)還需預(yù)測(cè)、計(jì)算好臨時(shí)支撐的搭建和拆除給建筑主體的內(nèi)力、形變帶來(lái)的重大影響。

3.4 鋼結(jié)構(gòu)吊裝平衡分析

除了臨時(shí)支撐，吊裝施工也是大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工中常用的施工方式。吊裝施工用起重設(shè)備將施工時(shí)所需的結(jié)構(gòu)構(gòu)件吊起并安裝固定至設(shè)計(jì)位置，在這個(gè)過程中，構(gòu)件的受力狀態(tài)在可預(yù)測(cè)范圍內(nèi)，但無(wú)法與設(shè)計(jì)分析中的數(shù)值完全相同。在吊裝施工過程中，構(gòu)件的空間姿態(tài)無(wú)法準(zhǔn)確控制。

4 鋼結(jié)構(gòu)建筑施工力學(xué)問題分析解決

4.1 結(jié)構(gòu)施工跟蹤問題

經(jīng)分析，在大型復(fù)雜放結(jié)構(gòu)建筑施工過程中，鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)是不斷變化的，因此除了構(gòu)件安裝設(shè)計(jì)需精確之外，還需要安裝一些用過后可被拆除的臨時(shí)支撐。隨著施工方向的不斷拓展，鋼結(jié)構(gòu)的受力也不斷的增加或是縮減，因此力學(xué)分析也需要跟隨這個(gè)變化進(jìn)行深層次設(shè)計(jì)，計(jì)算出能夠區(qū)域性修改剛結(jié)構(gòu)的剛度矩陣。及時(shí)對(duì)施工進(jìn)度及鋼結(jié)構(gòu)建筑狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，使用合適的方式解決每一步搭建的力學(xué)問題。

4.2 施工變形預(yù)調(diào)值問題

使用臨時(shí)支撐進(jìn)行施工時(shí)，不能影響建筑搭建結(jié)束時(shí)的預(yù)期目標(biāo)位形。為了達(dá)到這樣的目標(biāo)，施工時(shí)各個(gè)構(gòu)件必須要在設(shè)計(jì)好的特定位置和形態(tài)上完成安裝。大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑施工中，已搭建的建筑因內(nèi)力等原因會(huì)與原設(shè)計(jì)產(chǎn)生不同，這些特定位形也應(yīng)隨著施工進(jìn)度而調(diào)整，或許與最初的設(shè)計(jì)位形有所差異。每一個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)架安裝前，都應(yīng)有施工人員對(duì)其位形進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)調(diào)，確保構(gòu)件安裝位置的準(zhǔn)確度，保證構(gòu)件安裝后鋼結(jié)構(gòu)能夠完成目標(biāo)位形。

4.3 大跨度鋼結(jié)構(gòu)拆撐問題

在大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑施工中，考慮到臨時(shí)支撐給主體鋼結(jié)構(gòu)帶來(lái)的內(nèi)力和形變的變化，應(yīng)將變化因素進(jìn)行合理修改設(shè)計(jì)，預(yù)想所有內(nèi)力與變形的發(fā)展變化并進(jìn)行全程模擬，從而確定最合適的臨時(shí)支撐使用方案。臨時(shí)支撐的使用是涉及到施工多方面的復(fù)雜力學(xué)狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程，在使用過程中，需要保證臨時(shí)支撐的架構(gòu)拆除的合理性及主體結(jié)構(gòu)的安全性。因此，合理拆撐方案的設(shè)計(jì)是達(dá)成施工目標(biāo)的保障。

拆撐過程不可追求施工速度，應(yīng)緩慢進(jìn)行從而平穩(wěn)的完成主體鋼結(jié)構(gòu)與臨時(shí)支撐內(nèi)力和位移的過度，這就要求施工前需制定合理的拆撐點(diǎn)、順序和方式。要保證拆撐的穩(wěn)定性，不對(duì)主體鋼結(jié)構(gòu)造成破壞或使其失衡；在拆撐步驟上，要采取分段進(jìn)行的方式，每一步都保證主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移的緩慢轉(zhuǎn)換，使其均勻受力，從而將變形控制在預(yù)定范圍之內(nèi)。

4.4 鋼結(jié)構(gòu)吊裝平衡問題

構(gòu)件在吊裝過程中姿態(tài)較為難控，這就要求構(gòu)件的安全性和精確性。吊裝前，施工人員需對(duì)吊裝過程做出預(yù)測(cè)，對(duì)所有預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，由此選擇最優(yōu)的吊裝方案。一般大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工中，吊裝方式常常采用一套吊裝體系來(lái)進(jìn)行，包括吊索和滑輪結(jié)構(gòu)。在這樣的吊裝體系中，吊體的空間姿態(tài)、吊機(jī)構(gòu)剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算都是容易出現(xiàn)問題的地方。在吊裝過程中，還存在著一些暫時(shí)沒有簡(jiǎn)便計(jì)算方式或是計(jì)算模型的問題，如高空拼裝的穩(wěn)定性試算，但是隨著工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些問題會(huì)逐步擁有最優(yōu)解。

5 結(jié)束語(yǔ)

大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑施工過程中，力學(xué)的變化非常復(fù)雜。通過對(duì)施工過程的分析，本文總結(jié)出施工過程中常見的力學(xué)問題有結(jié)構(gòu)施工跟蹤、施工變形預(yù)調(diào)、大跨度鋼結(jié)構(gòu)拆撐和鋼結(jié)構(gòu)吊裝平衡等問題，并提出了相應(yīng)的解決方案。

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