復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過程仿真綜述

復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的施工過程仿真的研究綜述摘要：本文對復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的施工過程仿真的一些研究進行分析，為相關(guān)工程技術(shù)人員的提供有價值的參考。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)，施工過程，仿真

1.課題的提出

復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的施工安裝過程是一個從部分到整體的過程，即構(gòu)件→部分結(jié)構(gòu)→整體結(jié)構(gòu)這樣一個動態(tài)變化的過程。在這樣一個時變的過程中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的數(shù)量、體量規(guī)模、剛度矩陣、邊界條件、荷載狀況等均在隨時間的變化而不但發(fā)生改變，進而使得結(jié)構(gòu)體系和傳力途徑也在不斷發(fā)生轉(zhuǎn)換，此外，施工工藝和結(jié)構(gòu)安裝順序的不同也會使得結(jié)構(gòu)成型過程中的受力狀態(tài)出現(xiàn)顯著差別。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法只關(guān)注結(jié)構(gòu)的最終成型狀態(tài)的受力與變形，而對于復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)，施工過程中變化的因素很多，結(jié)構(gòu)的危險工況一般出現(xiàn)在施工過程中，因此，不僅要重視結(jié)構(gòu)的最終設(shè)計成型狀態(tài)，更應(yīng)該關(guān)心結(jié)構(gòu)的施工安裝成型過程。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，建筑工程事故中約有78%是發(fā)生在施工階段，通過對事故原因的調(diào)查分析得出結(jié)論，其中因結(jié)構(gòu)設(shè)計時未能考慮施工過程中諸多因素或?qū)κ┕み^程中復(fù)雜與突發(fā)情況事前未進行應(yīng)有的受力分析而引起的約占到了36%；而且，復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)通常用于體量規(guī)模較大的體育場館、會議中心、展覽中心等大型的公共建筑，其結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，施工方法和施工工藝繁瑣，一旦產(chǎn)生施工安全隱患，其后果將是不堪設(shè)想的[1]。由此，為了確保復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)在整個施工過程中的安全性和成型后整體結(jié)構(gòu)的可靠性，必須對結(jié)構(gòu)施工過程進行必要的力學(xué)分析，找出最不利工況，求得施工控制參數(shù)，并依據(jù)此參數(shù)對施工過程進行科學(xué)合理的控制。

截至到目前，國內(nèi)外一些高校和科研機構(gòu)的專家、學(xué)者和教授已經(jīng)對橋梁結(jié)構(gòu)、高層建筑和部分大型鋼結(jié)構(gòu)的施工過程進行了一些相關(guān)的研究，而且施工力學(xué)分析與控制這一課題也逐漸受到土木工程領(lǐng)域?qū)＜业闹匾?。但是，對巨型鋼框架結(jié)構(gòu)及柔性懸掛結(jié)構(gòu)組合而成的雜交復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)體系的施工過程研究目前還極為少見，采用計算機對巨型鋼框架結(jié)構(gòu)及柔性懸掛結(jié)構(gòu)組合而成的雜交復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)體系的施工過程進行力學(xué)仿真分析，找出最不利工況，求得施工控制參數(shù)，并依據(jù)此參數(shù)對施工過程進行科學(xué)合理的控制，從而保證結(jié)構(gòu)施工的安全性，這仍是一個值得深入研究的課題。

2.仿真技術(shù)的應(yīng)用綜述

目前，計算機仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸和醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域。近年來，計算機仿真技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用日益普遍。國內(nèi)外很多學(xué)者已在這方面做了大量的工作，如美國康奈爾大學(xué)的cundall教授采用離散單元技術(shù)模擬了巖石邊坡的漸近過程；日本東京大學(xué)有關(guān)學(xué)者運用計算機仿真技術(shù)對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在遭遇強烈地震作用時的倒塌過程進行了仿真分析；國內(nèi)清華大學(xué)江見鯨教授等對混凝土構(gòu)件的破壞過程進行模擬；同濟大學(xué)顧祥林教授等對混凝土結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件、鋼筋混凝土桿系結(jié)構(gòu)在不同外界干擾作用下的破壞過程以及鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在單調(diào)荷載作用下的倒塌反應(yīng)進行過仿真分析。

目前，關(guān)于復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的施工仿真技術(shù)方面，仿真技術(shù)多是在工程投標(biāo)階段的技術(shù)標(biāo)中采用，而實際的結(jié)構(gòu)施工階段還較少采用施工仿真分析的結(jié)果，主要原因是目前的仿真技術(shù)與實際施工狀態(tài)之間還存在一定的差別。

復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)仿真研究方面，國內(nèi)的清華大學(xué)、同濟大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京交通大學(xué)、深圳大學(xué)、上海理工大學(xué)等都在結(jié)合具體的工程實踐及相關(guān)課題對復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過程的分析理論、分析方法進行探索研究，并且積累了一些有用的理論與實踐經(jīng)驗。

華中科技大學(xué)的李紅波、王曉鳴在ug平臺上探討ug三維可視化仿真軟件，并對結(jié)構(gòu)的施工全過程進行了“預(yù)演仿真”和“反演仿真”的決策優(yōu)化，建立三維可視化仿真施工全程虛擬技術(shù)流程。

深圳大學(xué)的李景茹使用c++語言，并且將之與gis地理信息系統(tǒng)結(jié)合，從而開發(fā)出了混凝土壩施工的三維動態(tài)可視化仿真軟件。

文獻[1]中浙江大學(xué)袁行飛、董石麟提出了施工反控制法來模擬索彎項的施工；文獻[2]中羅堯治、胡寧、董石麟對“折疊展開式”整體提升法在提升過程中機構(gòu)的受力及結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)問題進行了研究；文獻[3]中沈祖炎，張立新提出了用非線性有限元法來模擬索彎頂?shù)氖┕ぃ何墨I[4]中卓新，董石麟提出了大跨球面網(wǎng)殼懸挑安裝時的施工內(nèi)力分析方法：文獻[5]中李永梅、張毅剛、楊慶山提出了索承網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工計算的循環(huán)前進分析方法，并對索網(wǎng)結(jié)構(gòu)施工狀態(tài)的實時跟蹤分析與控制進行了研究；文獻[6]中清華大學(xué)郭彥林、劉學(xué)武建立了施工過程分析的有限元模型，對其進行施工全過程跟蹤模擬分析，給出施工過程結(jié)構(gòu)的內(nèi)力發(fā)展和變形變化的過程；文獻[7]中郭彥林、劉學(xué)武還做了施工過程鎖定內(nèi)力分析及施工方案優(yōu)化、文獻[8]中郭彥林、劉學(xué)武提出了施工變形預(yù)調(diào)值的確定、柔性結(jié)構(gòu)成型過程分析、大跨度鋼結(jié)構(gòu)拆撐過程分析、文獻[9]中郭彥林對國家體育場鋼結(jié)構(gòu)屋蓋落架過程進行了模擬分析等；文獻[10]中北京交通大學(xué)唐興國、鐘鐵毅等使用ansys生死單元技術(shù)，對超高層鋼結(jié)構(gòu)的施工過程進行數(shù)值模擬分析，考慮了分層加載、結(jié)構(gòu)剛度逐層修正，詳細(xì)模擬計算了結(jié)構(gòu)在施工中的應(yīng)力變化過程；文獻[11]中南陽油田油建公司包建聰?shù)茸隽舜笪萆w鋼結(jié)構(gòu)整體提升點位的研究；文獻[12]中上海建工集團伍小平等做了國家大劇院鋼殼體施工全過程模擬分析。

但是，這些研究還主要是集中在一些特定結(jié)構(gòu)成形方面，研究內(nèi)容還比較零碎，沒有形成系統(tǒng)。其原因一方面是因為施工過程仿真分析研究起步較晚，更重要的還是由于復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過程受不同施工工藝、施工順序的影響較大，并且在施工過程中影響因素非常多，這些因素之間又相互關(guān)聯(lián)，這又增加了施工全過程模擬分析的難度。

目前，還沒有能夠真正指導(dǎo)復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工全過程分析的實用理論，但現(xiàn)階段做的比較好的有：文獻[13]中提出了施工階段狀態(tài)變量疊加法，這種方法將各施工過程計算所得的相應(yīng)內(nèi)力與位移分別疊加，作為施工完畢后結(jié)構(gòu)的最終內(nèi)力和位移來實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)施工全過程的分析；文獻[2]中提出了基于非線性有限元方法的多階段施工全過程分析理論：這種方法將不同施工階段的時間順序作為變量，在各個施工階段下，將本施工階段工況下的結(jié)構(gòu)、荷載、約束條件等，分別進行計算，并且將前一個施工工況的內(nèi)力與變形等結(jié)果作為后一個施工工況的初始條件，考慮后續(xù)結(jié)構(gòu)的施工對前面已成型結(jié)構(gòu)的影響，如此不斷進行各個施工工況的疊加計算，直至整個結(jié)構(gòu)安裝完成達(dá)到最終的成型狀態(tài)。

參考文獻

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[2]羅堯治，胡寧，董石麟等．網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)“折疊展開式”計算機同步控制整體提升施工技術(shù)[j]．建筑結(jié)構(gòu)進展，2005，7(4)：27-32

[3]沈祖炎，張立新．基于非線性有限元的索彎頂施工模擬分析[j]．計算力學(xué)學(xué)報，2002，4(3)：67-70

[4]卓新，董石麟．大跨球面網(wǎng)殼的懸挑安裝法與施工內(nèi)力分析[j].浙江大學(xué)學(xué)報，2002，36(2)：148-151

[5]李永梅，張毅剛，楊慶山．索承網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工張拉索力的確定[j]．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2004，25(4)：77-81

[6]郭彥林，劉學(xué)武.大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)問題及分析方法[j].工業(yè)建筑，2007，37(9)：1-8

[7]劉學(xué)武，郭彥林.鋼結(jié)構(gòu)施工變形預(yù)調(diào)值及分析方法[j].工業(yè)建筑，2007，37(9)：9-15

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[9]唐興國，鐘鐵毅.北京電視中心高層鋼結(jié)構(gòu)施工模擬分析[j]北京交通大學(xué)學(xué)報，2006，30(1)：59-62

[10]包建聰，喬聚甫，路克