大型复杂钢结构施工力学及控制新技术的研究与工程应用_郭彦林

2011年1月施工技术第40卷第1期CONSTRUCTIONTECHNOLOGY47大型复杂钢结构施工力学及控制新技术的研究与工程应用郭彦林1，田广宇1，周绪红2，陈国栋3(1.清华大学土木水利学院，北京100084;2.兰州大学土木工程与力学学院，甘肃兰州730000;3.浙江精工钢结构有限公司，上海200233)［摘要］随着我国钢材产量持续位居世界首位，钢结构在建筑工程中的应用越来越广泛。特别是大型公共建筑领域，涌现出大量复杂钢结构工程。它们对施工力学分析和控制技术提出了多方面挑战，尤其表现在三维动态变形预调技术的发展，整体提升、落架、起扳、滑移、张拉技术的信息化应用，面向建筑全生命周期结构设计理念的实现以及对施工误差、施工环境温度、焊缝收缩、混凝土收缩徐变等影响成型结构性能的因素的控制研究上。这些技术难点，必须通过能够在时间域和空间域进行协同时变分析的一体化系统来解决。结合国内外具有代表性的大型复杂钢结构工程，阐述了一体化协同时变分析系统在解决上述施工力学和控制问题时的原理、方法以及其中的新算法、新技术，为今后的工程建设提供参考。［关键词］施工力学;施工控制;一体化协同时变系统;大型复杂钢结构［中图分类号］TU391;TU74［文献标识码］A［文章编号］1002-8498(2011)01-0047-09ApplicationandResearchofConstructionMechanicsandNewControlTechnologyinLargeandComplexSteelStructuresConstructionGuoYanlin1，TianGuangyu1，ZhouXuhong2，ChenGuodong3(1.SchoolofCivilEngineering，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China;2.SchoolofCivilEngineeringandMechanics，LanzhouUniversity，Lanzhou，Gansu730000，China;3.ZhejiangJinggongSteelBuildingCo.，Ltd.，Shanghai200233，China)Abstract:WiththecapacityofsteelproductioninChinacontinuingtobethetopoftheworld，steelstructuresareusedmoreandmorewidelyinbuildings.Especiallyinlargepublicbuildings，lotsofcomplexsteelstructurescomeforth.Theychallengeconstructionmechanicsandcontroltechnologiesinmanyaspects，particularlyindevelopmentof3-Ddynamicpre-setconstructiondeformationtechnique，informationalapplicationofintegratedlifting，dismantling，pulling，slipping，tensiontechnique，realizationoffull-life-orientedstructuraldesign，controlcriteriaofconstructiondeviation，influenceofconstructionenvironmenttemperature，weldingdeformationandconcrete'sshrinkage-creepandsoon.Theseproblemshavetobesolvedbyintegratedcooperativetime-variationanalysissysteminvolvedinspacedomain.Takingtypicallargecomplexsteelstructureshomeandabroadasexamples，theauthorspointouttheoriesandmethodsofintegratedcooperativetime-variationanalysissystemtosolveproblemsaboveandintroducesthenewalgorithmandFEelement，whichcanprovidereferenceforfurtherconstructionanalysisofprojects.Keywords:constructionmechanics;constructioncontrol;integratedcooperativetime-variationsystem;largecomplexsteelstructures随着我国钢材产量持续位于世界首位，钢结构在大型公共建筑领域得到了广泛的应用，在高层结［收稿日期］2010-11-10［作者简介］郭彦林，清华大学土木水利学院土木工程系教授，博士生导师，北京100084，电话:[phone]，E-mail:[e-mail]构领域，出现了CCTV新台址主楼、深圳证券大厦这种大悬挑结构;在大跨度结构领域，既有国家体育场“鸟巢”、深圳湾体育中心、深圳大运体育中心等造型独特的刚性结构，又有佛山世纪莲体育场、深圳宝安体育场等由拉索构成的柔性结构。这些建筑不但对结构设计理论提出了挑战，更对施工技术发展有48施工技术第40卷图1一体化协同时变分析系统Fig.1Integratedcooperativetime-variationsystem了进一步的要求，尤其是在施工力学模拟分析技术［1］和施工控制技术上，需要解决许多新问题。这些［2］问题已经不局限于结构时变的概念，而是将结构从时间域上的变化扩展到时间域和空间域上:不但要研究主体结构逐步成型的过程，还要考虑临时构件的进入与撤出;不但要考虑永久荷载的作用，还要考虑临时荷载的出现和消失;尤其要精细化分析主体结构与临时构件、施工设备之间的相互作用，如接触、脱离［3］［4］、不均匀提升等，以及结构的材料性能变化［5］［6-8］等对施工过程和结、施工环境温度变化构受力性能的影响。甚至考虑建筑从建造到服役全［9］生命周期的结构设计理念也已被提出。因此，施工分析向一体化发展的趋势是必然的。本文将首先介绍课题组建立的一体化协同时变分析系统(以下简称一体化系统，见图1)以及它在国内外重大工程中的应用，其次阐述复杂钢结构施工“力”与“形”控制方面的研究成果与工程应用。1一体化协同时变分析系统的创立与应用对复杂结构施工过程的分析，要经历“有限元建模”、“施工过程分析”、“施工控制”以及“成型结构评估”一系列过程，才能保证施工过程结构的安全、施工成型状态结构受力和位形都符合设计要求。一体化系统在建立协同分析有限元模型时，考虑了结构时变的特性，包括材料、边界条件和荷载的时变。例如，广州珠江新城西塔采用混合结构(筒中筒结构)，钢管混凝土组成的外框筒与混凝土核心筒之间通过水平伸臂钢桁架、楼板和梁连接。施工过程中，核心筒混凝土会发生收缩徐变，从而造成内外筒高差，影响二者之间构件的受力。结构施工过程分析建模时，需要采用能够模拟混凝土收缩徐［5］变的有限元单元。再如，玻璃幕墙结构采用单层索网支承体系时，纵横交错的拉索之间通过索夹连接，如图2所示。张拉过程中，两根拉索可以顺着各自的方向滑动，仅在二者所在的平面外共同变形;张拉完成后，锁紧索夹，拉索就无法相互错动了。这一边界条件的转换，影响索网体系在施工及使用过程［10］中的索力分布情况，需要准确进行数值模拟。进行施工过程时变分析时，一体化系统依据不同类型的工程及施工方法，分别有对应的分析模块。1.1动态三维变形预调技术对于类似CCTV新台址主楼这样的“倾斜、闭环、大悬挑”结构(见图3)，如果按照设计给出的位形安装构件，那么在自重作用下，施工完成的结构必然因为变形而偏离设计位形。因此，需要给每个构图2索夹图3CCTV新台址Fig.2Clamp主楼悬臂施工Fig.3ConstructionofcantileverofNewCCTVHeadquarter2011No.1郭彦林等:大型复杂钢结构施工力学及控制新技术的研究与工程应用49件一个“安装位形”确定三维坐标，以保证结构施工逐渐完成后其成型状态与结构设计位形一致。结构构件的安装位形与设计位形的坐标差就是变形预调值。造型复杂结构的变形预调值，不是简单的预起图4广东省新博物馆拱值，而是与施工顺序、施工方案、结构特点密切相Fig.4GuangdongNewMuseum关的动态三维坐标差的变化。因为每个构件从安装上去到结构成型，都发生连续不断的弹性变形和刚体位移。某个构件在当前安装位形的确定，不但与其本身所在的施工步有关，还与之前已经装上和之后将要安装构件的安装位形都有关系。其计算要遇［11］到“死单元漂移”、计算迭代次数过多等诸多问图5杭州湾跨海大桥题，常规的“正装迭代法”和“倒拆迭代法”是无法解Fig.5HangzhouBaySea-crossingBridge决的［12］。因此本课题组研究了一种分阶段综合迭程一般包括起提、提升、合拢和落架4个步骤，涉及代法［13］［14］以及分步建模技术。该方法将施工过程到的问题有:①起提后被提升结构受力状态和边界划分为若干阶段，各阶段之间采用倒拆迭代法计算，条件与设计状态不同，需要对提升点的位置和周围每个阶段内部采用正装迭代法计算。这样能够有效构件的受力状态进行研究;②分析提升过程中被提减少迭代次数，收敛性非常好，可以解决上述问题。升结构、拉索、塔架之间的相互作用，尤其是塔架和在应用该方法的基础上，本课题组得到了CCTV新被提升结构的安全性;③人为控制提升力在结构柱台址主楼施工过程全部构件的施工变形预调值;研和提升塔架之间的分配，保护容易破坏的构件;④评究了其施工过程内力和位形的发展规律［15］、地基不估提升过程中不均匀提升、风荷载、温度、碰撞、断索［］均匀沉降对施工变形预调值的影响16-17以及幕墙等情况下提升系统的安全性。［］体系的容差限值18等问题，计算结果为工程建设提一体化系统通过建立包含提升塔架、拉索、被提供了支持。升结构的一体化模型进行分析。为解决提升过程中这一技术还应用在广东省新博物馆悬挑结构施结构刚体位移引起的计算收敛性问题，提出平衡位形工［19］(见图4)、广州珠江新城西塔的环形索张拉顺［4］［20］虚约束求解技术，通过附加轴向刚度非常小的虚约序分析中。广东省新博物馆采用混凝土核心筒［22］和预应力钢桁架悬挑结构，悬挑长度达23m。楼层束单元，消除刚体位移。通过冷冻升温技术、拟滑［23］［4］悬挂在钢桁架下方。悬挂各楼层时，结构变形较大，轮技术和自动提升迭代算法实现提升过程的模拟。一体化系统还可利用椭圆优化算法计算含有索-且有累积和反复的特点。依据悬挂施工顺序对各楼［24-25］层设置了变形预调值，保证成型状态楼层处于水平滑轮单元的吊装可动体系平衡状态。首都国际机场A380机库［4］位形。广州珠江新城西塔顶部和底部直径小，中部屋盖采用网架结构(见图6)，屋盖面积40372m2，提升质量8200t，用结直径大，外框筒设置了15道环形预应力拉索以提供构柱与门头桁架下的提升塔架组成共45个整体提环箍作用，减少外框筒在竖向荷载作用下的外凸变升点。提升点之多、一次提升面积和质量之大堪称形。通过分步张拉环索的分析研究，保证了成型状世界之最。由于提升点超出常规控制范围以及提升态外框筒的设计位形与内力要求。结构刚度不足，整个提升点的位移控制、提升过程中在桥梁工程领域，对杭州湾跨海大桥(见图5)的温度与风荷载作用、结构合拢与落架对成型状态线形控制进行了研究［21］。杭州湾跨海大桥采用斜的影响成为关注的焦点。广州新白云机场维修机拉桥形式，分为南北两部分，桥身为钢箱梁。其施工库