复杂钢结构施工过程时变分析及控制关键技术研究与工程应用

发布日期：2012-3-27

来源：中国建设报 作者：郭彦林

清华大学教授、博士生导师郭彦林做为第一完成人的科研成果——《复杂钢结构施工过程时变分析及控制关键技术研究与工程应用》获得2011年国家科学技术进步奖（通用项目）二等奖。我国著名钢结构专家蔡益燕曾说：“郭彦林在钢结构方面的创新项目很多，创新程度也很高，他参与了国家体育场、广州新电视塔等工程的研究工作，并将在工程中所遇到的技术难题上升到理论的高度进行扩展性研究。”1988年即开始执教的郭彦林已经桃李满天下，他的学生当中有企业的总经理或总工程师，也有行业主管部门的工作人员，最重要的是，他们都活跃在目前的钢结构行业，与他们的老师郭彦林一起为我国成为钢结构强国在不懈地努力。本报将分两次刊登获得2011年国家科学技术进步奖（通用项目）二等奖的《复杂钢结构施工过程时变分析及控制关键技术研究与工程应用》一文，敬请关注。——编者

施工力学计算理论与施工控制技术是与大型复杂钢结构工程建设同步发展的。目前，世界上已建成或在建的大型复杂钢结构工程项目主要集中在中国，其施工力学计算理论与施工控制技术一直是工程建设要解决的关键难题。《复杂钢结构施工过程时变分析及控制关键技术研究与工程应用》课题组（以下简称课题组）在我国大型复杂钢结构工程项目的施工技术研究与应用过程中，逐步建立和完善了复杂钢结构施工过程一体化协同时变分析系统及计算理论，解决了施工时变结构“形”与“力”控制的关键技术难题，推动了我国复杂钢结构施工力学计算理论与施工控制技术的跨越式发展。

一、复杂钢结构施工过程一体化协同时变分析系统的建立与应用

针对以往在施工过程仿真计算中割裂了施工的连续性及施工体系各部分之间的相互作用等问题，我们建立了复杂钢结构施工过程一体化协同时变分析系统及计算理论。通过集成生死单元等现有技术和课题组创立的状态非线性求解技术、索滑轮自适应算法、千斤顶——接触单元、逐点去约束找形法等新技术，融合了施工过程中永久性构件的逐步安装、临时支撑的装配与拆除、施工临时荷载的出现与消失、温度与风荷载的作用等，能够真实地反映结构安装、边界条件、荷载作用以及材料性能的时变性；尤其善于精确分析时间与空间域上施工体系的演变，准确计算施工体系各部分之间的相互作用，精准把握施工成型过程中结构的内力和位形的连续变化与非线性累积过程。

课题组针对施工路径及施工变形发展过程特别复杂的结构，建立了其施工过程三维动态变形预调值计算的多阶段综合迭代法，有效地解决了央视新址主楼与广东省博物馆新馆变形预调值计算难题。

在将数字模拟计算技术有效地整合到结构整体提升、整体落架、整体滑移、整体张拉及整体起扳等新施工技术中，我们建立了准确评估施工方案和施工过程结构安全的数字化及信息应用技术。

在整体提升施工技术中，形成了提升体系安全保障机制，预防了设计状态和提升状态受力情况不同引起提升结构及胎架的潜在破坏风险；形成了提升力的合理分配机制，可自动控制提升总重量在结构柱及提升胎架之间的复杂分配关系；形成了全程时变控制机制，实现了对提升结构“脱离胎架——提升——合龙——落架”等提升环节数字模拟分析的“无缝连接”，揭示了提升结构体系与支承结构体系之间的复杂相互作用机理，并且能够在一个整体有限元分析模型中实现提升点位移不同步、提升过程中碰撞、断索等特殊情况以及风荷载、温度作用等荷载工况的自动分析与评估。

在整体滑移施工技术中准确实现了对滑移结构与滑移支承体系之间在不同位置、不同施工步的相互作用力的主动控制；在整体落架施工技术中，实现了对结构与胎架之间接触——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的失真问题；在张拉结构整体张拉施工技术方面，实现了初始预应力态找形分析、张拉过程分析及使用期间作用效应分析的无缝连接，弥补了索结构针对大位移、复杂边界条件转变的计算技术缺陷；为适应巨型钢拱、巨型环状钢结构安装的需要，我们提出了一套完善的自适应整体起扳施工方案及一体化建模协同时变分析技术；提出了施工过程结构分析的状态非线性求解技术、动态位形求解技术、逐点去约束找形分析方法、结构吊装的拟滑轮与可动索滑轮单元新技术等，建立了基于时变分析的施工方案优化技术，有效地解决了施工过程时变结构内力和位形的非线性变化及累积的模拟分析难题。

二、复杂钢结构施工过程“力”与“形”控制关键技术研究与应用

对于复杂张拉屋盖结构，如果依据施工现场索力的测试结果调整索长以期达到设计预应力，无异于人工进行数学分析中的迭代计算，基于索之间的复杂作用很难准确调整到张拉力设计值，我们在屋盖整体张拉结构中采用了定尺定长设计与施工技术，设计上抛弃了以往含有可调螺纹的索头形式，通过精确控制拉索的制作长度和锚固位置确保张拉成型状态索力与设计值一致。《复杂钢结构施工过程时变分析及控制关键技术研究与工程应用》课题组（以下简称课题组）提出的基于可靠度理论的索长误差限值的计算与控制方法，用概率理论科学地处理了车辐式屋盖内大量拉索长度误差的非简单“叠加作用”，填补了该类索结构施工误差控制与验收标准的空白。首先，依据数值分析结果寻找施工误差对索力影响敏感的主控构件；其次，建立索力变化量与误差随机变量的映射关系并得到可靠度指标；最后，综合考虑误差敏感性和加工难度确定不同类型构件的误差限值。

目前对结构服役期间的温度效应研究较多，却很少涉及复杂变化的施工环境温度对结构施工成型态的影响。但对屋盖张拉结构而言，温度变化引起构件的热胀冷缩与预应力张拉产生的拉索伸长量在同一水平，会严重影响预应力的大小以及结构整体刚度。课题组以环状空间车辐式张拉结构为研究对象，将施工环境温度作用划分为两类，分别是刚性构件与柔性拉索加工环境温度之差、施工环境温度与设计基准温度之差，将它们与设计温度效应叠加，得到了结构预应力变化量的表达式，通过限制预应力变化幅值得到施工环境温度效应的安全温度控制范围图，进而建立在制作和安装阶段对索长和刚性构件尺寸进行修正的“等效温差法”，扩大了复杂张拉结构在不同地域环境下的施工适应性，大大增强了复杂索结构的拉索张拉与刚性构件合龙施工的可控性。

针对高层混合结构在施工过程中由于混凝土收缩徐变在内外筒之间产生的竖向不均匀压缩变形对结构成型态的影响，基于核心筒混凝土结构施工逐层找平浇注的特点，建立了“等效徐变温差法”以精确模拟混凝土的收缩徐变，再通过设置动态变形预调值消除了混凝土收缩徐变的滞后效应在楼板梁和转换桁架等横向构件两端产生的竖向变形差以及对应的次应力，从而找到了在内外筒施工过程中转换桁架的合龙时机，并将研究成果应用在广州西塔工程中。

焊接残余应力在构件截面上是自平衡的，不影响构件的计算强度，但是，近年来发生的多起钢结构屋盖倒塌事故和课题组对大型屋盖结构进行的焊接合龙过程数值分析已经使得人们改变了对于焊接残余内力危害程度的认识,重新审视这一隐藏在结构内部的“附件内力”的不利作用：从过去对单根构件截面焊接残余应力的研究，扩展到复杂结构体系层面焊接残余内力的分析与评估，并将其与常规荷载效应进行组合以检验结构的安全。课题组以体育场馆大型钢结构屋盖的焊接合龙为例，通过“温度——应力耦合场单元”模拟焊接的热物理过程，首先通过准确的模拟分析获得了单根构件对接焊的残余收缩变形公式，再通过创立的“等量收缩法”将构件对接接口的焊接收缩变形引入到整体结构构件的焊接合龙分析过程中，揭示了焊缝收缩变形在屋盖结构层面上产生的残余内力以及支承胎架反力的变化规律，为检验结构与胎架设计的安全提供了依据，能有效避免结构在施工和使用中由于焊接残余内力而导致的安全事故。

本研究成果已应用在国家体育场、深圳大运会体育中心、深圳市宝安体育场、南通体育会展中心、广东省博物馆新馆、首都机场A380机库、澳门多功能体育馆、天津泰达市民文化广场、央视新址主楼及广州西塔等30余项复杂结构工程的施工计算及施工控制中，发表学术论文100余篇，授权发明专利10余项，为推动我国施工力学计算理论与施工控制技术进步作出了贡献。

（作者系清华大学教授、博士生导师，2011年国家科学技术进步奖（通用项目）二等奖《复杂钢结构施工过程时变分析及控制关键技术研究与工程应用》第一完成人。）