大跨钢结构施工力学研究发展现状

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     大跨钢结构施工过程的复杂性决定了施工力学分析的必要性。我们系统地梳理了施工模拟普遍遇到的难点，以及当前的解决方法，指出了尚需研究的若干问题。
     近些年随着经济水平的发展，建筑形式呈现出多样化的发展趋势，为了追求强烈的建筑效果，以及实现一些特殊的建筑功能，愈来愈多的建筑突破原有模式而日趋复杂，这对结构施工与跟踪模拟带来挑战。在施工过程中，空间结构从无到有、从单根杆件到局部成形再到完整结构，整个体系的形态、荷载、边界条件不断变化，呈现出结构时变、材料时变和边界时变的特性，其“路径”和“时间”效应直接影响施工阶段及使用阶段结构的受力性能。
     大跨钢结构施工过程的时变性要求设计者不但要考虑设计结构本身，同时需要研究不同施工阶段内力与变形的相互影响，对施工过程中结构及工程介质的分析，形成了与工程建设密切相关的新的工程力学学科分支——施工力学。施工力学是力学理论与土木工程学科相结合的产物，研究的对象为施工过程中不断变化的结构系统，包括结构内部参数(如几何形状、物理特性、边界状态等)以及外部参数(如施加的荷载、环境温度)，因此施工力学是以物性为基础，耦合了时间与空间的多维力学问题。
   
    大跨钢结构施工分析必要性与目标
   
     随着经济的发展，工程建设进一步向大型化、复杂化发展，建成了一批体型复杂的大跨钢结构或混合结构，如中央电视台新台址主楼、西班牙马德里“欧洲之门”双斜塔、浦东机场航站楼、国家大剧院、国家体育场鸟巢等。这些复杂建筑的几何、材料和边界等条件在施工过程中往往存在着剧烈的变化，竣工时荷载作用下所产生的内力和变形由各施工步效应依次累积而成，其最终的大小与分布规律与实际施工过程密切相关。同时，在结构建造的某些阶段，需要增加支持体系与可变结构组成一个共同工作的系统，这时支持系统的支撑与拆卸影响到整个结构的作用效应，因此若不考虑施工过程的影响而采用一次成形的设计方法，就会与实际情况产生差别，对大型复杂结构而言尤为明显，可能会在施工过程中由于部分结构强度破坏、刚度退化或稳定性失效造成整个结构的坍塌，也可能会使竣工状态下的结构内力或变形未达到设计状态的合理要求，而造成较低的安全储备。
     据国家有关部门的不完全统计，在我国有大约三分之二以上的工程结构倒塌事故发生在施工期间，究其原因，设计时未考虑施工过程的复杂性，未进行施工过程分析占了很大比例，传统的施工方式越来越不能适应建筑结构发展的需要。
     时变结构可分为三种工作状态：快速时变结构力学、慢速时变结构力学、超慢速时变结构力学。施工力学属于慢速时变力学范畴，可以采用离散时间冻结来近似处理，把施工状态当作一序列时不变结构进行静力或动力分析，在每个状态中不考虑结构的变化来分析结构的强度、刚度和稳定性。
     目前，国内外很多学者对建筑结构施工力学问题进行了大量研究，初步确立了施工力学分析的总体目标：一、对施工各阶段的内力、变形予以跟踪分析，保证结构施工阶段的承载力与稳定性。二、将考虑施工过程的成型状态和设计状态的内力与变形进行对比分析，评估施工过程对结构最终状态的影响，优化施工方案，保证结构在使用中的安全性。
   
    施工过程模拟分析的难点
   
     在结构力学分析中，根据形成原因可分为三大类非线性：材料非线性、几何非线性和状态非线性。施工过程中钢材的性能基本不会变化，且施工过程中材料通常处于弹性阶段，因此施工模拟可不考虑材料非线性的影响。
     施工过程中结构的受力特点是，整个结构的几何形态、刚度及其荷载和边界条件按一定的次序先后形成。建造过程中已装结构上所承受的荷载，不可能在未装结构上产生影响，已装结构相对于新装结构来讲具有某种初变形和初内力，而后装结构将影响已有结构的受力状态，新装构件和新加荷载一旦形成，结构的受力状态及刚度将随之改变。整个施工过程需经历一系列准结构状态才能达到竣工状态，期间结构的受力状态、刚度与时间(施工步骤)在某种程度上表现出了一定的非线性关系，称之为状态非线性。伴随着施工步骤的进行，结构中的构件往往会发生较大的位移但应变仍然较小，即发生大位移小应变的几何非线性现象，所以施工力学分析中应考虑几何与状态两大非线性的耦合效应。