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、2011 年 1 月施 工 技 术第 40 卷 第 1 期CONSTRUCTION TECHNOLOGY47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

2、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)01-0047-09Application and Researc

3、h of Construction Mechanics and New Control Technology in Large and Complex Steel Structures ConstructionGuo Yanlin1 ，Tian Guangyu1 ，Zhou Xuhong2 ，Chen Guodong3(1. School of Civil Engineering，Tsinghua University，Beijing100084，China;2. School of Civil Engineering and Mechanics，Lanzhou University，Lanz

4、hou，Gansu730000，China;3. Zhejiang Jinggong Steel Building Co. ，Ltd. ，Shanghai200233，China)Abstract:With the capacity of steel production in China continuing to be the top of the world，steel structures are used more and more widely in buildings. Especially in large public buildings，lots of complex st

5、eel structures come forth. They challenge construction mechanics and control technologies in many aspects，particularly in development of 3-D dynamic pre-set construction deformation technique， informational application of integrated lifting，dismantling，pulling，slipping，tension technique，realization

6、of full-life-oriented structural design，control criteria of construction deviation，influence of construction environment temperature，welding deformation and concrete's shrinkage-creep and so on. These problems have to be solved by integrated cooperative time-variation analysis system involved in

7、 space domain.Taking typical large complex steel structures home and abroad as examples，the authors point out theories and methods of integrated cooperative time-variation analysis system to solve problems above and introduces the new algorithm and FE element， which can provide reference for further

8、 construction analysis of projects.Key words:construction mechanics; construction control; integrated cooperative time-variation system; large complex steel structures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: ( 010 ) 62796859，E-mail: gyl ma

9、il.tsinghua. edu. cn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. 1Integrated cooperative time-variation system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

10、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34、不均匀提升等，以及结构的材料性能变化56-8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

11、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

12、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

13、离设计位形。因此，需要给每个构图 2索夹图 3 CCTV 新台址Fig. 2Clamp主楼悬臂施工Fig. 3 Construction ofcantilever of NewCCTV Headquarter2011 No. 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. 4 Guangdong New Museum关的动态三

14、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. 5 Hangzhou Bay Sea-crossing Bridge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1314以及分步建模技术。该方法将施工过程到的问题有:起提后被提升结构受力状态和边界划分为若干

15、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;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;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;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

16、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420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234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

17、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40 372m2 ，提升质量8 200t，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

18、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26利用全部结构柱充当提升过程中的支承结构特点是:钢箱梁现场连接精度要求高，无微调空间;( 见图 7) ，结构柱由设计状态下的两端刚接变成提施工阶段桥身刚度低，线形受索力和温度影响明显。升状态下承受偏心荷载的悬臂柱，结构整体稳定性通过对施工过程分析和控制，精确实现了设计的成变差。一体化系统成功实现了提

19、升系统内部相互作型状态线形。用的全过程分析，通过人为控制提升力在各柱间的1. 2整体提升技术分配关系，可以保护刚度较小的提升结构或者稳定整体提升技术一般应用在大跨度屋盖结构施工性较差的提升柱;同时，一体化系统自动给出提升过中，指的是利用提升塔架、拉索和提升设备将在地面程中的温度和风荷载作用，预报超应力构件以及最拼装的大跨度屋盖结构提升安装就位的技术。其过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27碰撞遭遇。澳门多功能体育馆 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，

20、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 机库图 7新白云机场机库Fig. 6 A380 aircraftFig. 7Aircraft hangerhanger of Capitalof Guangzhou NewInternational AirportBaiyun Airport1. 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19力。如广东省

21、新博物馆 钢结构屋盖重8 800t，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28术” ，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29危险性并及时采取了预防措施。图 8广东省博物馆Fig. 8Guangdong Museum1. 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

22、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. 9Terminal of Guangzhou New Baiyun Airport14在生死单元技术和非线性求解技术的基础上，一体化系统通过“千斤顶单元”、“千斤顶-接触单元 ”3，11以及“千斤顶-间隙单元”，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

23、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30-31案，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

24、、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32载力。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33桁架侧向失稳，必须采取措施进行补强。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

25、定初始预应力态的找形分析方法有 3 种:平衡矩阵法343536、力密度法和动力松弛法。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37-3839，该方法与辅助收敛方法2011 No. 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. 10 Roof structure of National Stadium ( the Nest)图 11 广州新体育馆屋盖主桁架与辐射桁架示意Fig. 11 Main truss and radiate trusses of Guangzhou Gymnasium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41型中，基于目标索力的“荷载-位移 ”双控算法 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10变过程，真实、准确把握张拉过程结构内力和位42形的发展。图 13宝安体育场Fig. 13Baoan Stadium图 12西安北站整体效果Fig. 1