孫 偉
(廈門工學院 建筑與土木工程學院 土木工程系,福建 廈門 361000)
設(shè)計人員在設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)的過程中,對會影響結(jié)構(gòu)性能的各方面因素缺乏重視,對于跨度較小或底層的建筑來講,施工的最終結(jié)果同設(shè)計沒有太明顯的差異,但是對于跨度較大、樓層較高的建筑來說,如果還沒有重視施工方法和施工過程會對建筑結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響,就會導致建筑的最終狀態(tài)同設(shè)計存在差異.通過大量的實踐證實,必須要加強對大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工中各個環(huán)節(jié)的計算分析,只有這樣才能保障建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性.
時變結(jié)構(gòu)力學可以分為以下三大方面:快速時變力學、慢速時變力學以及超慢速時變力學,而施工力學屬于慢速力學的范疇內(nèi),隨著結(jié)構(gòu)的不斷變化可以進行靜動力分析,也就是要分析其工作時存在的各種狀態(tài),研究該狀態(tài)中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.在進行結(jié)構(gòu)施工的過程中,通常情況下需要增設(shè)一些暫時的支撐體系,同原有的結(jié)構(gòu)相融合構(gòu)成工作系統(tǒng),這些都是我們需要研究的.
對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工來講,要想結(jié)構(gòu)的最終效果同設(shè)計階段的標準相吻合,詳細的施工結(jié)構(gòu)分析以及計算是不可或缺的重要工作,通過結(jié)構(gòu)設(shè)計的標準來制定最佳的施工方案,以此來保障施工整體的安全性和穩(wěn)定性.在最近幾年中,大跨度鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展是有目共睹的,但是在施工的過程中也不可避免的存在很多問題,例如某體育館中平面桁架的整體吊裝,只有設(shè)置很多吊點才能保障桁架的各項指標符合相關(guān)的標準,否則桁架的穩(wěn)定性將不能保障,但是計算桁架吊裝穩(wěn)定性屬于一項非常復雜的工作,需要消耗大量的人力物力,類似這種問題有很多,所以必須要重視起來.
在對大跨度鋼結(jié)構(gòu)進行力學分析的過程中,雖然結(jié)構(gòu)處于不斷變化的狀態(tài)中,但可以把結(jié)構(gòu)處理為慢速時變過程,采取時間凍結(jié)法進行分析,依照有限元分析步驟重新進行輸入和劃分,把前次的結(jié)果作為下次的輸入數(shù)據(jù),但是這樣做最突出的缺點就在于計算的任務量大大提高,所以施工力學另外一項需要解決的任務就是如何增強計算的效率.目前施工力學已經(jīng)提出了很多種數(shù)據(jù)值方法,比較重要的分為以下三種:其一,一般單元法,通過單元的增減來實現(xiàn)求解區(qū)域的變化,該方法的缺點在于網(wǎng)格需要不斷的進行剖分;其二,拓撲變化法,通過拓撲原理實現(xiàn)求解區(qū)域隨時間的變化,其缺點在于時變的次數(shù)不能過多,否則會降低計算的效率;其三,時變單元法,離散網(wǎng)格保持不變,通過單元的改變來實現(xiàn)求解區(qū)的變化,其缺點在于數(shù)值積分不夠穩(wěn)定.以上三種方法在求解鋼結(jié)構(gòu)力學方面都存在或多或少的問題,還需進一步探討.
大跨度鋼結(jié)構(gòu)具有較強的剛度,正是這種較強的剛度使得所發(fā)生變形的可能性較低,所以能夠從線性理論的角度來思考線性的變形,以此來解決力學方程,也就是說在這種變形較為微弱的形勢之下來計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力.索網(wǎng)、膜結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)的抗彎抗剪能力比較低,其構(gòu)形取決于張拉力的分布情況.結(jié)構(gòu)體通過變形來避免外來荷載對自身產(chǎn)生的作用,該理論為物理結(jié)構(gòu)中非常重要的一個方面,剛性結(jié)構(gòu)、半剛性結(jié)構(gòu)以及柔性結(jié)構(gòu)都具有各自的特點,在受力方面也存在很大的不同,因此在施工時的結(jié)構(gòu)受力分析方法也是不同的.現(xiàn)如今隨著建筑行業(yè)的發(fā)展越來越快,大型鋼結(jié)構(gòu)的應用也更加的廣泛,成為了未來建筑行業(yè)發(fā)展的必然趨勢,因此當前設(shè)計人員所面臨的一項重要工作就是把施工結(jié)構(gòu)分析方法應用到實際工作中來,使結(jié)構(gòu)的設(shè)計更加穩(wěn)定,保障施工的安全性,深入倆接結(jié)構(gòu)施工的特點,把分析方法同實際妥善的融合到一起,推動施工工作順利的開展.
大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工是連續(xù)的,也就是說鋼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)也是在不斷變化的,前階段的內(nèi)力和位移對下個階段會產(chǎn)生直接的影響,只有深入分析各個階段的內(nèi)力和位移才能保障其效益的準確性;另外在各個階段的施工時,結(jié)構(gòu)各個方面的指標都會發(fā)生邊變化,例如溫度、約束、預應力等,只有通過嚴密的跟蹤才能反映出最準確的結(jié)果.目前有限元的發(fā)展非常迅速,例如MSC、ANSYS等都能夠?qū)崿F(xiàn)對不同結(jié)構(gòu)形式的混合運算,對各方面的計算分析也都相對完善,以此成立了一個更加強大的平臺,但由于該平臺不能直接實現(xiàn)對施工的跟蹤,所以利用該平臺進行二次開發(fā)是當前一條急需發(fā)展的道路.
在力學分析中通常通過拉格朗日列式來描述運動的過程,該描述方法在增量非線性分析中應用的非常多,能夠跟蹤到物體各點的變化,結(jié)合虛功原理獲得結(jié)構(gòu)單元的切線剛度矩陣公式如下:[K]e=[K]e0+[K]e1+[K]eσ,通過左邊轉(zhuǎn)為獲得方式[K(U)]{U}={F},[K(U)]是位移向量,后二者分別為位移向量和荷載向量.對于工程施工來講,最重要的就是結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,當構(gòu)件增加時剛度矩陣也會相應的發(fā)生改變,這時采用增量迭代的方式進行計算,把增加構(gòu)件前的結(jié)構(gòu)狀態(tài)作為基礎(chǔ),增加之后的狀態(tài)作為終態(tài),這樣就能全面的分析增加構(gòu)件對結(jié)構(gòu)所帶來的影響.相反,當減少構(gòu)件時把減少前的狀態(tài)作為基礎(chǔ),計算出減少構(gòu)件的節(jié)點力,在減少之后把節(jié)點反力施加在原位置上進行計算,即能獲得減少構(gòu)件后的結(jié)構(gòu)狀態(tài).當外荷載發(fā)生改變時會導致結(jié)構(gòu)外荷載也發(fā)生改變,例如溫度荷載等,處理的方式就是在原有荷載列陣中加入增加荷載的變化量,然后重新進行計算;當外界因素發(fā)生改變時要進行統(tǒng)一處理,實時調(diào)整位移列陣.
對于有限元軟件來講,相對容易的問題是邊界的變化,但是對于構(gòu)件的改變處理則相對復雜,這時可以使用ANSYES軟件中的計算功能和單元功能來全過程跟蹤施工分析方法.所謂ANSYES就是一個大型有限元系統(tǒng),其包含著多種形式的單元庫,基本每個單元都具有“激活”和“殺死”的能力,也就是所謂的死活單元功能,其具體功能如下:①“激活”單元,在當前的受力狀態(tài)下激活結(jié)構(gòu)中的某個單元,如果結(jié)構(gòu)沒有心的荷載則內(nèi)力不會產(chǎn)生改變,如果存在新增的荷載則激活的單元也會發(fā)生改變;②“殺死”單元,所謂殺死單元就是把某些構(gòu)件從結(jié)構(gòu)中撤除,這時該構(gòu)件的內(nèi)力就會作用在結(jié)構(gòu)上,造成結(jié)構(gòu)的變形.
新增構(gòu)件的情況可以分為四個方面,如圖1所示,圖中的直線代表原來的位置,虛線位置代表發(fā)生變形之后的位置,點劃線代表新增的構(gòu)件,針對圖1所示的幾種情況明確了下面幾點原則:①如果新添加的構(gòu)件沒有同原有的構(gòu)件相連,那么將采用節(jié)點設(shè)計坐標為新的節(jié)點坐標;②如圖1中的a,o為新節(jié)點的位置,結(jié)合構(gòu)件JK延長線的方向以及|KL|來決定o的坐標位置;③如圖1中的b,JK為新增的構(gòu)件,但是并不存在新增的節(jié)點,因此JK長度就是J和K兩點之間的距離;④如圖1中的c,JO1和JO1為新增的構(gòu)件,但O1和O1為同一節(jié)點,因此要由O1和JO1來共同確定O的位置.
圖1 新增構(gòu)件情況分析圖
在四點原則中,通過前兩點原則能夠發(fā)現(xiàn),新增構(gòu)件的大小同建模是保持相同的,而通過后兩點原則又能夠發(fā)現(xiàn),新增構(gòu)件的長度會發(fā)生改變,所以在對構(gòu)件進行施工的過程中必須要考慮到該問題,如果考慮的不全面,將會直接造成構(gòu)件不能順利的安裝,而且還會產(chǎn)生大量的殘余內(nèi)力.總體來看該計算方法的效率比較高,但關(guān)于施工中對構(gòu)件矯正方面的內(nèi)容沒有涉及到,因此下面探討其它計算方法.
新增的構(gòu)件如果并沒有同原有構(gòu)件相連,那么應用建立于設(shè)計坐標的單元激活方式就能夠進行計算.①如圖2中的a,JL同KJ幾乎在同時生成,但是生成之后的新增單元JL沒有密度虛設(shè),剩余的參數(shù)保持不變,在新增單元添加之后還原其密度.②如圖2中的b,在生成IJ和KL的時候,新增單元JK也生成,但是JL沒有密度虛設(shè),在新增單元添加之后要把密度和彈性模量還原才能計算.③如圖2中的c,通過O1和O2能夠明確O點的具體位置,但是通常情況下要使O點更接近O1,所以要通過計算來研究O1和O2哪個同設(shè)計位置更近,以此來作為O點.上述的幾種情況并沒有考慮到實際的定位方法,所以又存在下面幾種情況.④如圖2中的a和b,當修正單位分別為兩節(jié)或三節(jié)的時候,O點的坐標要同設(shè)計時保持一致,負荷單元激活的理論;⑤如圖2中的的c,在兩個新增單元聚攏時,O點的位置也同設(shè)計的位置保持一致,也可以采用單元激活的方式.通過上述原理,利用ANSYS平臺進行處理,一方面能夠降低施工力學研究的難度,另一方還能增強了計算的實用性.
圖2 新增構(gòu)件情況分析圖
通過上述分析能夠看出,通過施工力學來分析大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工具有非常重要的價值和意義,不僅能夠保障大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工安全,還能保證建筑整體的安全性和穩(wěn)定性.因此設(shè)計人員必須要掌握鋼結(jié)構(gòu)力學分析原理,對大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工過程進行分析,制定最佳的施工方案,使大跨度鋼結(jié)構(gòu)的應用更加廣泛.
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