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大型復雜鋼結構建筑施工力學(xué)問(wèn)題及分析方法

時(shí)間:2024-09-17 13:29:34 工程力學(xué)畢業(yè)論文 我要投稿
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大型復雜鋼結構建筑施工力學(xué)問(wèn)題及分析方法

  [摘要]鋼結構在自重以及承重的結構上,由于恒荷載作用從而產(chǎn)生內力和形變,在與其他荷載效應組合的過(guò)程中,會(huì )導致較高的安全風(fēng)險。施工力學(xué)主要為幾何時(shí)變、材料時(shí)變和邊界時(shí)變。本文進(jìn)行分析與研究,以減少幾何、材料和邊界時(shí)變。

大型復雜鋼結構建筑施工力學(xué)問(wèn)題及分析方法

  [關(guān)鍵詞]鋼結構;分析;力學(xué)

  近年來(lái),許多的大型復雜鋼結構建筑應運而生,如國家體育場(chǎng)“鳥(niǎo)巢”、國家大劇院、CCTV新臺址主樓等建筑,均屬于大型復雜鋼結構建筑。這些大型鋼結構建筑,在施工過(guò)程中,其結構內力變化的過(guò)程,十分復雜,施工的“路徑”以及“時(shí)間”效應,在建筑完成時(shí)的受力狀態(tài),以及幾何形態(tài)的影響是十分明顯。

  一、施工力學(xué)問(wèn)題簡(jiǎn)述

  大型復雜鋼結構建筑在施工過(guò)程中,施工人員很少對結構的受力性能進(jìn)行分析。實(shí)際上鋼結構在建筑中的自重、裝飾承載以及圍護結構等恒荷載,在施工過(guò)程中逐漸施加在建筑的結構上,在施工結束時(shí)的恒荷載作用下,容易產(chǎn)生內力變形,是由于施工過(guò)程依次累加形成的,這種恒荷載的大小與分布的規律,與施工“路徑”與“時(shí)間”有密切的聯(lián)系。所以在施工“路徑”與“時(shí)間”效應下,其引起的內力以及變形對結構的影響較大時(shí),尤其是那些大型的復雜的鋼結構建筑,容易引起十分嚴重的安全問(wèn)題,會(huì )導致結構的時(shí)變、邊界的時(shí)變以及材料的時(shí)變,當這些時(shí)變劇烈時(shí),會(huì )引起結構穩定性的喪失,破壞建筑的結構,甚至造成建筑坍塌事件。鋼結構建筑施工過(guò)程中,整個(gè)結構的鋼度、幾何形態(tài)、邊界、荷載等條件的形成,是依據先后的順序產(chǎn)生的,恒荷載隨著(zhù)建筑成長(cháng)形成的,在這個(gè)過(guò)程中,“路徑”和“時(shí)間”效應是影響施工與使用階段受力性能的重要因素。隨著(zhù)我國許多的大型復雜鋼結構建筑的出現,這些建筑在施工過(guò)程中出現了許多新的亟待解決的力學(xué)問(wèn)題,這些問(wèn)題通過(guò)目前現有的方法無(wú)法得到有效解決,在理論上屬于學(xué)科前沿的問(wèn)題,在應用的過(guò)程中,隨著(zhù)工程技術(shù)的發(fā)展,是我國科技發(fā)展的一個(gè)重要研究方向。

  二、施工力學(xué)分析及解決策略

  2.1結構施工跟蹤分析

  大型建筑物的建筑過(guò)程,是動(dòng)態(tài)的,在這個(gè)過(guò)程中,建筑依次生成,材料依序成型,荷載也逐漸增強,邊界漸漸形成?⒐ず,結構的內力與變形,是建筑物在施工過(guò)程中依次累加的結果,通過(guò)“路徑”與“時(shí)間”的效應,相互之間產(chǎn)生密切關(guān)聯(lián)。在這個(gè)過(guò)程中,結構不斷變化,除了構件以外,還需要安裝一些需要被拆除的臨時(shí)撐,隨著(zhù)時(shí)間的推移,受力不斷增加或縮減,力學(xué)需要不斷的拓展,求解區域修改結構的剛度矩陣。

  2.2施工變形預調值

  一些大型的傾斜高層鋼結構建筑,或者是大跨度鋼結構建筑,在施工過(guò)程中采用臨時(shí)支撐的方法,最大難題是在施工推進(jìn)過(guò)程中,已裝的結構產(chǎn)生變形,這對于新裝構件的安裝位置產(chǎn)生一定影響。為了在工程結束時(shí)結構達到預期目標位形,在施工中各個(gè)構件要在特定的位形上完成安裝,這些特定位置在施工之前是未知的,與設計位形有所不同。在對結構構件進(jìn)行安裝與施工前要對位形進(jìn)行預測與預調,確定各個(gè)構件的安裝位置,使鋼結構構件安裝完成后能滿(mǎn)足目標位形。

  2.3大跨度鋼結構拆撐

  大跨度鋼結構建筑,在施工中需要搭架臨時(shí)支撐,通過(guò)高空組裝或直接高空散裝的施工方式來(lái)完成,這些安裝技術(shù)的應用,能減少安裝主體結構的內力和變形,增強安全性能。但是這種施工技術(shù)給施工與設計帶來(lái)了新的難題,設計中需要考慮到臨時(shí)支撐、拆撐方案以及拆撐過(guò)程的設計,還要考慮到這些支撐帶來(lái)的主體結構內力和變形的變化。通過(guò)對這些因素的合理設計,進(jìn)行全程模擬來(lái)確定內力與變形的發(fā)展變化,確定最優(yōu)的臨時(shí)支撐設計方案與拆除方案,這是一個(gè)復雜的力學(xué)狀態(tài)轉變過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中,為了保障拆撐的合理與主體結構的安全性能,其中設計合理的拆撐方案十分重要。制定合理的拆撐方式、拆撐點(diǎn)以及拆撐順序,在拆撐施工中要保證主體結構與臨時(shí)支撐內力和位移的變化在緩慢的過(guò)程中進(jìn)行,完成平穩過(guò)渡,拆撐主體與臨時(shí)支撐內力與位移變化,要掌握在一定的幅度內,使主體結構不致于遭到破壞或失衡,在拆撐施工上,要分段進(jìn)行施工,分步拆撐,以保證主體結構受力均勻,受力轉變緩慢,從而達到預定變形值。對大跨度結構拆撐與鋼結構吊裝可動(dòng)體系的施工力學(xué),通過(guò)拆撐過(guò)程數值模擬方法千斤頂單元法,即將一個(gè)桿單元與一個(gè)梁?jiǎn)尾⒙?lián)起來(lái),對拆撐過(guò)程進(jìn)行模擬,在千斤頂的端點(diǎn)與主體結構相連的節點(diǎn)間,設置一個(gè)兩節點(diǎn)間隙單元,將千斤頂單元與間隙單元串連起來(lái),進(jìn)行拆撐過(guò)程的模擬。

  2.4鋼結構吊裝平衡

  近年來(lái),一些大型復雜鋼結構施工項目,在施工過(guò)程中出現了許多結構構件的吊裝施工,構件在吊裝過(guò)程中,其受力狀態(tài)與設計分析中的數值不完全相同,構件在施工過(guò)程中,吊裝中空間姿態(tài)的可調整性較差,所以構件的精確性與安全性能十分重要,對吊裝過(guò)程進(jìn)行分析與預測,確定合理的吊裝方案,對施工具有重要意義。結構的吊裝方式大多采用索一滑輪裝置進(jìn)行,在吊裝過(guò)程中形成一整套的吊裝體系,吊裝體系由吊索、滑輪結構組成,其力學(xué)特征包括剛體運動(dòng)、索非線(xiàn)性、彈性變形與滑輪間的可滑移等。容易出現的問(wèn)題是吊點(diǎn)位置的確定與吊體的空間姿態(tài),吊索的長(cháng)度索力,吊索的長(cháng)度確定與空間姿態(tài)的要求,吊結構剛度、強度以及穩定性驗算等。其中被吊結構的力學(xué)狀態(tài)是最不穩定的,吊裝分析的關(guān)鍵點(diǎn)是吊裝平衡狀態(tài)的確定,而鋼結構吊裝還存在高空拼裝和穩定性試算等問(wèn)題。這些問(wèn)題,目前還沒(méi)有形成有效的簡(jiǎn)便的計算方式,也沒(méi)有形成精確且合理的計算模型,隨著(zhù)科技的不斷進(jìn)步,人類(lèi)施工技術(shù)的不斷發(fā)展,這些問(wèn)題都會(huì )逐漸得到解決。

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