大跨度空间钢结构施工过程的力学研究

李卫萍

深圳市坐标建筑装饰工程股份有限公司广东深圳518000

摘要：大跨度空间钢结构施工过程不仅是大型工程的动态过程，而且工程不是一次就可以完成的，是一个多阶段的动态过程。结构体系随着施工过程在不断发生变化，前后工程的结构受力状态既相互影响又有着密切的联系，所以，最终的构型与施工过程中的不同方法和顺序直接相关。空间钢结构的设计与施工完成后，它最终的工作状态可能也会与设计之初有所偏差，因为空间钢结构所具有的三维受力特性会是它产生动态变化，因此，对于结构施工全过程的受力状态的跟踪研究就很有必要了。

关键词：大跨度空间钢结构；施工；力学研究

1引言

空间钢结构是一种具有三维空间形体，三维受力特性的结构，为近年来发展最快的结构形式之一。凡是在需要大跨度、大空间的体育场馆、会展中心、文化设施、交通应纽乃至工业厂房，无不见到其踪影，比如北京奥运会主体育场、首尔上岩体育场、慕尼黑安联体育场、雅典奥运会主体育场。

建筑所要求的适用性、耐用性以及美观，空间钢结构统统能够满足，足以见得它在建筑行业中的重要作用了。新兴技术的开发利用，建筑施工领域技术的创新突破，不断完善的理论分析，都给空间钢结构带来蓬勃的发展力。而在将来空间钢结构也可能会为公众贡献出更多精美作品，在世界建筑的大舞台上展现大跨度空间结构的无限魅力。

2空间钢结构施工力术学与技研究现状

施工力学所面临的一个难题就是，怎样才能真实地模拟空间钢结构受力成型的动态过程，从而运用到实际的施工过程中去，提高安全性和经济性，这也是近年来发展起来的一门新兴学科。通常在在变力学范畴内对施工力学进行分析研究，需要重点研究的对象是几何参数、物理参数、边界参数，它们都是时间的函数。大跨度空间钢结构的工程复杂，而且规模很庞大，前文已经提到，它的施工安装环节是分阶段进行的，在不同阶段中结构会产生力学状态的变化，这与各阶段系列准结构的几何形态、刚度、材料性能及其荷载和边界条件发生变化有关。且这些变化并非表现出线性的特征，没有规律可循，所以必须考虑施工过程等对结构最终成型的影响，对结构进行施工全过程非线性分析。在目前，主要应用的分析方法有两种，一是生死单元技术，一是施工多阶段分析理论。生死单元技术则较多地应用于一般结构的受力计算，后者则常应用于复杂结构的受力计算，因为采用分步建模技术计算结果会更更加精确。

3理论基础

3.1时变结构理论

时变结构的特点就是结构随着时间的变化而发生变化。先建模在分析，这是传统的结构设计理论存在的弊端，按照结构按建成后的几何条件建立计算模型，再来分析这些结构在实际工作状态下的结构受力特点是有很大程度上的滞后性的，无法进行动态跟踪。如今，技术的发展伴随着人们的高要求，时变结构理论的应用势在必行。建筑的全寿命周期过程中的位移、内力和应力等结构信息，力学变化特点都会逐渐明朗，而建筑自身也会有一定的自适应能力和自控能力。

时变结构理论包括动力和静力两个状态的分析，前文已经提到空间钢结构的受力是动态变化的，这体现在它自身几何特性以及其他几何参数的变化，属于时变结构理论中的结构动力学问题。但是这种变化可能是极其缓慢的，具有离散的非线性特征，对于这种离散的时间特性，可以采用近似的时间冻结处理，进行工作过程中的静力分析或者近似动力的分析，将工作环节当中的不利因素和状态进尽可能完善与规避。这一分析过程就属于时变结构理论中的结构静力学问题。环境、材料以及建筑自身机械损伤等因素会在结构建成后的发生内在变化，即使是极其缓慢的，其动态累计效果也不容小觑，因此时变结构理论对这种结构的分析评估属于可靠度理论。

3.2考虑施工工况的施工阶段状态变量叠加法

不同的施工阶段有不同的结构受力状态，每个施工阶段的结构形态、所受荷载和支座边界条件均不相同。完整的结构模型对于受力情况分析来说很重要，不同的施工阶段的结构受力状态会有所不同，空间钢结构的受力分析计算就依赖于该模型的建立。当然，这样的计算方式只是近似的，因为并没有结合实际工作中的具体施工环节，在带来快捷方便的同时也不同程度增加了施工过程的误差，如果想要减少这种误差，就需要结构中每一环节的受力情况符合实际施工要求，那就只能从构件承载力校核的角度出发去考虑了。虑施工工况的施工阶段状态变量叠加法是目前许多大跨度空间钢结构的施工优选方案，可见其优势所在。

4案例分析

大跨度空间钢结构的优势很多，但因为其规模庞大和复杂的特性，也会在建造过程中出现许多问题，而这些问题是它所独有的，大多都与工程结构相关，而结构中的受力特性分析则至关重要。结构的几何特性不断发上变化，对于复杂的大跨度钢结构而言，这种效应的影响是不可忽略的。积极地分析研究大跨度空间钢结构的力学特征，包括建立全真模型，深化设计与施工细节，进行案例分析研究都对大跨度空间钢结构具有重要意义。

4.1空间钢结构索张拉控制

预应力空间钢结构空间钢结构与预应力技术相结合产生的一类新型结构体系，由于充分利用了索材等材料的高强特性并依靠可控预应力提高结构刚度，使得其跨越能力较。索网张力结构的特点是，它可以充分利用材料的刚度，通过索的轴向拉伸抵抗外荷载的作用，避免空间钢结构出现弯矩和剪力等情况的发生。而且，因为这样的特性，空间钢结构的质量有了很大提高，且能较为轻松的实现大跨度空间。

4.2钢结构屋盖模拟施工阶段的静力分析

空间钢结构的刚度不足是常常存在的问题，在荷载的作用下容易产生较大位移，采用忽略节点变形的线性理论已经不能准确计算结构反映。结构分析时应考虑节点位移对其内力分布的影响，属于几何非线性结构。对于一般大型空间钢结构而言，在一般的荷载工况下结构多保持在弹性范围内工作。考虑结构几何非线性的施工过程内力分析，变量叠加法可以有效避免不同施工环节分工序施所造成的节点位移不连续性带来的误差，对于大跨度空间钢结构来说，这样的误差应该减少为零。

5结束语

建筑设施是城市化进程不断发展的重要标志，公众会对其设计要求越来越高，尤其是现代社会的基础设施建设是全社会的的关注重点。而公共建筑建设中又以大跨度空间网架结构居多，这也直接导致当下对于大跨度空间网架结构的安装及卸载等施工方法的研究与改进就显得更有现实意义。施工中的力学研究与工程实际紧密相关联，覆盖面广泛，而且海域不同基础学科交叉渗透，需要它们之间的密切配合，大跨度空间钢结构施工全过程的力学特性仅仅通过本文的简单分析显然是不够的，许多问题都有待研究。

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