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.pdf

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.pdf

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2011年1月第40卷第1期施工技术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，weldingdeformationandconcretesshrinkage-creepandsoon.Theseproblemshavetobesolvedbyintegratedcooperativetime-variationanalysissysteminvolvedinspacedomain.Takingtypicallargecomplexsteelstructureshomeandabroadasexamples，theauthorspointouttheoriesandmethodsofintegratedcooperativetime-variationanalysissystemtosolveproblemsaboveandintroducesthenewalgorithmandFEelement，whichcanprovidereferenceforfurtherconstructionanalysisofprojects.Keywords:

constructionmechanics;constructioncontrol;integratedcooperativetime-variationsystem;largecomplexsteelstructures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:

（010）62796859，E-mail:

gyl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和施工控制技术上，需要解决许多新问题1。

这些问题已经不局限于结构时变的概念2，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、不均匀提升4等，以及结构的材料性能变化5、施工环境温度变化6-8等对施工过程和结构受力性能的影响。

甚至考虑建筑从建造到服役全生命周期的结构设计理念也已被提出9。

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变的有限元单元5。

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中的索力分布情况，需要准确进行数值模拟10。

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。

图2索夹Fig.2Clamp图3CCTV新台址主楼悬臂施工Fig.3ConstructionofcantileverofNewCCTVHeadquarter1.1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2011No.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，不是简单的预起拱值，而是与施工顺序、施工方案、结构特点密切相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。

其计算要遇到“死单元漂移”11、计算迭代次数过多等诸多问题，常规的“正装迭代法”和“倒拆迭代法”是无法解决的12。

因此本课题组研究了一种分阶段综合迭代法13以及分步建模技术14。

该方法将施工过程划分为若干阶段，各阶段之间采用倒拆迭代法计算，每个阶段内部采用正装迭代法计算。

这样能够有效减少迭代次数，收敛性非常好，可以解决上述问题。

在应用该方法的基础上，本课题组得到了CCTV新台址主楼施工过程全部构件的施工变形预调值;研究了其施工过程内力和位形的发展规律15、地基不均匀沉降对施工变形预调值的影响16-17以及幕墙体系的容差限值18等问题，计算结果为工程建设提供了支持。

这一技术还应用在广东省新博物馆悬挑结构施工19（见图4）、广州珠江新城西塔的环形索张拉顺序分析中20。

广东省新博物馆采用混凝土核心筒和预应力钢桁架悬挑结构，悬挑长度达23m。

楼层悬挂在钢桁架下方。

悬挂各楼层时，结构变形较大，且有累积和反复的特点。

依据悬挂施工顺序对各楼层设置了变形预调值，保证成型状态楼层处于水平位形。

广州珠江新城西塔顶部和底部直径小，中部直径大，外框筒设置了15道环形预应力拉索以提供环箍作用，减少外框筒在竖向荷载作用下的外凸变形。

通过分步张拉环索的分析研究，保证了成型状态外框筒的设计位形与内力要求。

在桥梁工程领域，对杭州湾跨海大桥（见图5）线形控制进行了研究21。

杭州湾跨海大桥采用斜拉桥形式，分为南北两部分，桥身为钢箱梁。

其施工特点是:

钢箱梁现场连接精度要求高，无微调空间;施工阶段桥身刚度低，线形受索力和温度影响明显。

通过对施工过程分析和控制，精确实现了设计的成型状态线形。

1.2整体提升技术整体提升技术一般应用在大跨度屋盖结构施工中，指的是利用提升塔架、拉索和提升设备将在地面拼装的大跨度屋盖结构提升安装就位的技术。

其过图4广东省新博物馆Fig.4GuangdongNewMuseum图5杭州湾跨海大桥Fig.5HangzhouBaySea-crossingBridge程一般包括起提、提升、合拢和落架4个步骤，涉及到的问题有:

起提后被提升结构受力状态和边界条件与设计状态不同，需要对提升点的位置和周围构件的受力状态进行研究;分析提升过程中被提升结构、拉索、塔架之间的相互作用，尤其是塔架和被提升结构的安全性;人为控制提升力在结构柱和提升塔架之间的分配，保护容易破坏的构件;评估提升过程中不均匀提升、风荷载、温度、碰撞、断索等情况下提升系统的安全性。

一体化系统通过建立包含提升塔架、拉索、被提升结构的一体化模型进行分析。

为解决提升过程中结构刚体位移引起的计算收敛性问题，提出平衡位形虚约束求解技术4，通过附加轴向刚度非常小的虚约束单元，消除刚体位移。

通过冷冻升温技术22、拟滑轮技术23和自动提升迭代算法4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-滑轮单元的吊装可动体系平衡状态24-25。

首都国际机场A380机库4屋盖采用网架结构（见图6），屋盖面积40372m2，提升质量8200t，用结构柱与门头桁架下的提升塔架组成共45个整体提升点。

提升点之多、一次提升面积和质量之大堪称世界之最。

由于提升点超出常规控制范围以及提升结构刚度不足，整个提升点的位移控制、提升过程中的温度与风荷载作用、结构合拢与落架对成型状态的影响成为关注的焦点。

广州新白云机场维修机库26利用全部结构柱充当提升过程中的支承结构（见图7），结构柱由设计状态下的两端刚接变成提升状态下承受偏心荷载的悬臂柱，结构整体稳定性变差。

一体化系统成功实现了提升系统内部相互作用的全过程分析，通过人为控制提升力在各柱间的分配关系，可以保护刚度较小的提升结构或者稳定性较差的提升柱;同时，一体化系统自动给出提升过程中的温度和风荷载作用，预报超应力构件以及最50施工技术第40卷大水平位移的位置，预警提升结构与支承柱之间的碰撞遭遇。

澳门多功能体育馆27采用将主桁架拱在跨中分割提升及两拱脚对拉的施工方案，存在提升点竖向位移和拱脚向内水平位移的最佳协调关系;同时，提升过程中提升塔架的刚度均比较弱，容易发生平面外失稳。

一体化系统给出了提升点位移与拱脚水平驱动位移的最佳协调关系以及提升过程中桁架拱与塔架受力的最佳匹配，给出了施工成型状态达到设计状态的超提升位移量。

图6首都机场A380机库Fig.6A380aircrafthangerofCapitalInternationalAirport图7新白云机场机库Fig.7AircrafthangerofGuangzhouNewBaiyunAirport1.3整体滑移技术一体化系统准确实现了对滑移结构与滑移支承体系间相互作用的主动控制，可以控制滑移结构与支承体系之间在不同位置、不同施工步的相互作用力。

如广东省新博物馆19钢结构屋盖重8800t，采用整体累计滑移施工方案，滑移距离达到124m（见图8）。

在施工中发明了“柔性轨道、分离式滑移技术”28，将承重轨道与顶推轨道分离，充分利用结构自身的刚度，通过一体化系统有效调节结构自重荷载在支承柱体系的分配，极大降低对轨道梁刚度与承载力的要求。

同样，应用一体化系统在新白云机场航站楼屋面桁架曲线滑移的施工方案制定中（见图9），预测了曲线滑移过程中单榀桁架面外失稳的危险性并及时采取了预防措施29。

图8广东省博物馆Fig.8GuangdongMuseum1.4整体落架技术采用临时支撑胎架分段拼装、高空组装是最为常见的大跨度结构施工方法之一。

施工结束后拆除临时支撑、完成结构落架的过程，是主体结构和临时支撑相互作用的受力状态转换过程。

临时支撑的设计、落架方案的制定都需要对落架全过程进行模拟。

图9广州新白云机场航站楼Fig.9TerminalofGuangzhouNewBaiyunAirport在生死单元技术和非线性求解技术的基础上14，一体化系统通过“千斤顶单元”、“千斤顶-接触单元”以及“千斤顶-间隙单元”3，11，能够模拟千斤顶上端与结构接触和脱离时力的变化以及相对错动时千斤顶有限抗弯刚度对结构的作用，从而实现了对结构与临时支撑之间接触-脱离-再接触以及相互错动等作用的精确分析，解决了以往采用支座位移法分析带来的计算结果失真等问题。

国家体育场（鸟巢）钢结构屋盖按照受力关系可将整个结构分为主结构与次结构（见图10）。

主结构由24榀空间门式桁架形成马鞍形双曲面，次结构为门式钢架之间不规则布置的构件。

由于其构件自重产生的内力较大，施工顺序对成型结构受力将产生明显影响，其中焦点问题是主结构落架后再安装肩部和顶面次结构时，其次结构与主结构以及次结构与次结构焊接连接时由于落架、温度作用、次结构的荷载作用及参与结构刚度贡献等因素产生的位移偏差分析与评估。

一体化系统比较了3种落架方案30-31，并给出了上述偏差的计算结果。

广州市新体育馆屋盖采用桁架结构（见图11），分为主桁架、辐射桁架和周边水平环梁。

主桁架跨度达160m，采用在胎架上安装后拆除临时支撑的施工方法。

在主桁架的吊装及拆撑分析中，课题组利用一体化系统制定的拆撑方案能够控制千斤顶下沉量使屋盖缓慢进入设计受力状态，屋盖各杆件内力均小于设计承载力32。

西安北站主站房屋盖长552m，宽182.5m，采用网架结构（见图12）。

屋盖结构采用“后单元安装-前单元落架”的技术方案，施工过程一体化系统分析发现部分临时支撑会导致某些楼面钢桁架侧向失稳，必须采取措施进行补强33。

1.5整体张拉技术初始预应力态对于张拉屋盖结构而言非常重要，是施工的目标状态，也是结构服役的起始状态。

传统上确定初始预应力态的找形分析方法有3种:

平衡矩阵法34、力密度法35和动力松弛法36。

但是它们都无法直接应用通用有限元软件求解，更难以与施工分析结合。

本课题组研究出一种可以在通用有限元软件ANSYS上进行索杆张拉结构找力分析的逐点去约束法37-38，该方法与辅助收敛方法392011No.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51图10国家体育场（鸟巢）屋盖结构Fig.10RoofstructureofNationalStadium（theNest）图11广州新体育馆屋盖主桁架与辐射桁架示意Fig.11MaintrussandradiatetrussesofGuangzhouGymnasium图12西安北站整体效果Fig.12ArchitecturaleffectofNewXianRailwayStation结合，实现了索杆张拉结构从找形到施工分析的无缝连接。

应用这一技术，对张拉屋盖结构及单层索网结构整体张拉进行了研究。

深圳宝安体育场屋盖采用车辐式整体张拉结构（见图13），平面投影为230m237m，由36榀索桁架组成。

采用张拉径向索的施工方案，即首先在地面上铺设上径向索和上环索;然后张拉上径向索，将其与环梁相连;张拉上径向索过程中，当上环索距离地面高度达到飞柱长度时，安装飞柱、下环索和下径向索;最后张拉下径向索。

研究表明，整体张拉施工成型过程会经历很多机构状态，还伴随着上径向索“松弛-张紧-再松弛-再张紧”这一复杂过程40，且上径向索发生松弛的时候，飞柱会发生倾斜。

但是在定尺定长设计与张拉技术的应用下，张拉完成时整个结构能够精确达到设计的初始预应力状态。

天津泰达市民文化广场是我国目前最高最复杂的金字塔结构（见图14），其玻璃幕采用单层索网支承结构体系与钢桁架杂交的支承体系，索网边界条件也随着钢桁架的变形而变化，交叉的拉索之间通过图2所示索夹连接，相互错动和共同变形的关系也随着索夹的放松和夹紧而变化。

一体化系统能够将整体张拉中的索网、刚性构件、边界条件融合在同一个模型中，基于目标索力的“荷载-位移”双控算法41等技术，精确模拟张拉过程中刚柔构件的相互作用、索夹卡紧与放松、索头逐步连接固定等边界条件的转变过程10，真实、准确把握张拉过程结构内力和位形的发展42。

图13宝安体育场Fig.13BaoanStadium图14天津泰达文化广场Fig.14TianjinTaidaCivilianPlaza1.6整体起扳技术为适应巨型钢拱、巨型环状钢结构工程建设需要，课题组提出一套完善的自适应整体起扳施工方案。

相对于传统的胎架拼装、分块提升的施工方法，该方法节约施工费用，缩短工期，受力明确，安全性易于控制。

首先在地面拼装巨型钢拱或钢环等起扳结构并建立起扳旋转销轴线，然后在就位点另一侧搭设A字形塔架并设置与其连接的起吊索与平衡索，形成一个自适应平衡状态（见图15）。

通过在塔架上设置穿心式千斤顶，牵引起吊索对起扳结构由平放位形旋转起扳，直到达到设计的竖直位形43-45。

图15整体起扳施工方法示意Fig.15Integratedpullingtechnology1.7基于结构施工时变分析结果的施工方案优化以往的施工分析将连续施工的结构离散为几个52施工技术第40卷静止的中间状态单独计算，忽略了结构时变效应以及内力和变形的累积过程，在非线性很强的结构中无法得到正确的内力和位形发展规律。

一体化系统则能够用时变分析方法保持施工过程连续性，对结构成型状态进行预演从而发现问题并优化施工方案。

例如，CCTV新台址主楼施工时变分析结果显示，必须将悬臂桁架根部与塔楼连接处的构件延迟到大连体合拢后安装，才能在整体结构施工完成后保证这些构件不会因为超应力而先行破坏15。

阿尔及利亚奥兰体育场屋盖结构为直径260m200m的椭圆，采用72榀空间曲线立体钢管桁架构成（见图16）。

课题组通过一体化系统分析了不同的吊装和落架顺序，避免了应力波动较大的施工方案，保证了结构施工过程中应力渐进、平稳地变化。

图16奥兰体育场屋盖结构示意Fig.16RoofstructureofOranStadium1.8考虑施工成型过程“活模型”结构设计与应用复杂钢结构制作与安装会产生不可忽视的几何与力学缺陷，已经造成许多重大的工程安全事故。

目前对于结构设计通常不考虑施工成型状态的初始变形与初始内力，在结构中会埋藏安全隐患。

通过一体化系统，能够得到反映施工成型状态真实的结构设计有限元模型，称之为“活模型”。

在不退出施工过程分析的情况下，实现施工“活模型”与结构设计及计算的无缝对接。

把结构施工过程中累积了初始应力与初始变形的“活模型”直接链接到结构设计分析模型中，再按照实际荷载顺序继续施加各种外部作用，模拟实际荷载作用的先后顺序与响应，检验结构的承载力与变形控制要求。

通过施工“活模型”与设计的对接，真正意义上实现了施工与设计一体化分析，从而可以反映结构逐步成型到使用（服役）阶段这一全过程的力学行为。

例如北京双全中心采光天顶9（见图17），采用双向张弦梁与单层索网结构组成的二次杂交结构，施工过程中需要对钢梁预起拱、对张弦梁与平面索网要进行分阶段多次顺序张拉，张拉成型后又要安装屋面玻璃，结构体系经历了复杂的变形与内力发展历程，施工成型后形成复杂的内力分布。

课题组将上述项目施工过程分析的“活模型”连接到结构设计模型中，计算结果表明考虑与不考虑施工过程的结构设计计算，前者比后者高出15%左右的附加内力。

这种考虑结构初始缺陷与施工因素不利影响的设计方法，对于上述复杂结构在不能准确预测不利因素影响的情况下不仅科学合理，而且可以规避安全隐患。

图17北京双全中心采光顶Fig.17GlassroofofBeijingSantransCenter2复杂钢结构施工“力”与“形”控制新技术的研究与应用施工过程中要重点控制的项目是结构的“力”与“形”。

对于刚性结构，施工单位习惯于控制“形”，而忽视了“力”，由于“力”是一个看不见、摸不着的东西，而复杂钢结构施工过程中埋藏在结构中的“附加内力”不可忽视。

课题组在复杂钢结构“力”与“形”控制领域，研究了以下几个方面的内容:

复杂张拉和杂交结构张拉方案模拟和优化;环境温度对张拉结构的影响;张拉结构定尺定长设计与施工的误差控制与敏感性分析;高层混合筒中筒结构的混凝土收缩徐变影响及伸臂桁架安装对策研究;施工合拢温度影响及焊缝收缩对屋盖结构成型状态的影响分析。

2.1复杂张拉结构施工张拉方案模拟与优化早期的车辐式结构跨度一般不大，内环采用刚性环，外环为混凝土环梁。

施工时首先浇筑混凝土环梁及其支承柱;然后在内环的设计位形下方搭设胎架，拼接刚性内环;再安装上下径向索，拆除胎架并张拉成型46。

北京工人体育馆47就是采用这种施工方法建设的。

但是大型体育场屋盖结构，内环往