新时期钢结构建筑施工力学问题分析

程鹏

0 引言

近年来，建筑工业化改革后，创新了装配式工艺，扩大了钢结构建筑类型的快速发展。从目前的应用情况看，钢结构建筑中包括了柔性结构、大跨度刚性结构、被吊结构、预应力结构等。尤其在建筑外墙装饰方面，钢结构的使用相对增多，钢桁架形式的使用，也使钢结构建筑屋面、墙体等方面的施工效率获得了大幅度提升。但是，在钢结构建筑施工时，对于力学原理的分析不精准会引起一系列的质量问题，包括钢结构施工变形、钢结构构件吊装失衡、钢结构锁定内力不当等，此类问题发生后，也容易使钢结构建筑的安全性、稳定性受到严重影响。因此，在新时期钢结构建筑施工中需要加强相关力学问题分析。

1 工程概况

以某钢结构厂房建筑为例，总用地面积为20.9hm，总建筑面积为103 000m，占地82 600m，地面建筑面积98 000m，地下建筑面积5 000m，主要用于车辆大修，包括调机车库、部件检测间、转向架车间、厂修库、车体库、调试库、停车库，以及各类配套的材料、设备设施存放及管理间。钢结构建筑以库房为主，由于使用该结构时的成本较大，质量要求较高，而且存在施工周期紧的情况。因此在设计施工一体化条件下，需要对其中的钢结构几何形态、刚性程度、边界条件等做出全面探讨，并将重点放在相关力学问题分析方面，保障施工安全质量。

2 钢结构建筑施工力学问题分析

（1）在该项目工程中，除设计单位外，建设单位、施工单位、监理单位派遣的专职人员对于施工力学问题的分析重视程度不够，在实际受力分析时也不详细。由于钢结构建筑本身的负载量较大（包括自重负载、装饰负载、周围结构负载等），施工过程中需要以循序渐进的方式将钢结构材料与构件安装到建筑主体结构，因而，在施工过程受力累积的情况下，不排除恒定荷载造成的内力变形问题。

（2）该钢结构建筑施工时，与施工路径、施工进度密切关联。在确定施工路径的条件下，随着施工时间的延长钢结构内力会逐渐发生变化，当内力变化程度较大时，其强度与稳定性会受到相应影响，从而引起安全质量风险，进一步造成其材料性质与结构特征出现变化。因此，在该建筑的实际施工中，需要对内力变化、外部受力的极限值进行合理控制，预防因稳定性丧失而引起坍塌事故。另外，钢结构建筑工程施工中搭设的临时结构内，会使用到千斤顶，它只能承载压力，并不能承担拉力。随着施工进度的变化与临时支撑逐渐拆除，千斤顶也会下降。此时，一旦发生主体结构位移量小于千斤顶累积下降量的情况，主体结构承担的荷载会越来越大。而且，在临时支撑卸载后主体结构中的变形会随之增大。从实质上看，相当于扩大了钢结构荷载量。简单讲，临时支撑的卸载使主体结构承担了更多荷载，并在拉力影响下逐渐通过位移变化造成了变形增大的问题。

（3）本项目工程的稳定性，在受到钢结构荷载、几何形态边界条件、刚性程度的影响的情况下，钢结构建筑荷载量会持续增加。超过设计标准值后，其受力性能会出现变化。从实践经验看，因受力性能变化引起的质量问题发生在施工不同阶段。例如，在材料加工时的构件变形问题，吊装时因失去平均造成的安装不精准问题，内力不稳定问题等。

3 钢结构建筑施工力学分析与应对举措

3.1 施工跟踪措施

（1）在钢结构建筑施工时，存在材料时变、结构时变、边界条件时变等情况，跟踪管理难度较大。因而在实践过程中，需要对其进行相应的模拟分析。以材料时变的模拟为例，钢结构材料于施工过程中并不会发生较大变化，可是钢结构建筑中并不是全部使用钢材，其中还会配套使用混凝土材料。此类材料应用时其材料性能会随着时间的变化而改变，具有十分明显的线性特点。而且在钢结构建筑中的施工顺序不同，混凝土的收缩、徐变等时变效应会出现相应变化。因而需要对此类材料时变效应进行关联分析。以结构时变的模拟为例，本项目工程属于大型钢结构建筑，钢结构的构件安装中要求搭建临时支撑，当施工进度持续推进时，临时支撑会发生变化。此时，不排除拆除临时支撑后柔性结构张拉力改变的现象。在这种情况下，需要将临时支撑、求解区域进行关联分析。以边界条件的模拟为例，本项目中的跨度相对较大，结构边界会发生变化。此时需要在施工初期做好部分自由度的释放记录工作，并在后续施工成型阶段进行相应的约束。

（2）本项目工程施工始终处于动态变化过程，当材料逐次叠加、结构逐渐成形的条件下，其中的荷载量会相应增加。而且，在施工过程与竣工后，仍然会因内力变化、变形等问题，降低其稳定性与承载能力。因此，在应用力学方法时，应结合施工路径与施工进度方面的时间变化及产生的效应，合理利用效应理论，分析不同路径、不同进度情况下的建筑受力情况，从而在施工量增加、荷载量增大的基本条件下，选择相应的处理办法。

（3）从该项目工程施工经验看，需要按照常用LSM 线性计划表法，编制施工进度方案。利用时间、空间（路径）之间的关系，梳理清楚安装顺序，并在不同的安装阶段，实时进行校正。例如，在钢柱与钢柱间支撑、钢桁架与框架梁、托梁与屋面钢梁等分部项目中，应该按照全过程管理办法，保障其安装时的实时校正，从而保障施工安全与质量。钢结构建筑分部项目如下图1 所示。

图1 钢结构建筑分部项目施工安装校正示意

3.2 变形预调措施

本项目中的6 个钢结构库房中，1# 库房（厂修库）、2#库房（调试库）、3#库房（车体库）体量相对较大。其中，1# 库房长度为162m，宽度为118m，最大跨达到了24m，而且跨度总计6 跨，纵向每跨设置的门式刚架共计28 列。2# 库房外形尺寸方面，长、宽度分别为94.7m、54m，虽然钢结构仅为2 跨，但是最大跨度在达到了33m，是三个库房中跨度最大的钢结构，纵向每跨设置的门式刚架共计16列。3# 库房长、宽度分别为185m、62m，3 跨钢结构中最大跨度为25m，纵向设置门式刚架共计31 列。由于钢结构十分复杂，施工中的重点、难点集中到了安装中的变形问题上，具体包括设计安装位置与实际安装位置存在偏差，受力条件出现变化等。因此，在施工中需要对钢结构变形进行预调处理。

具体操作时，要求在安装施工结束后，根据工程质量检测小组的变形检测结果，以受力变形稳定为前提，开展相应的安装位置调整。考虑到变形问题发生在施工过程之中，而且具有不断变化的特点，在本项目施工时，质量管理小组与质量检测小组采用协同合作的办法，一方面增加了放线测量方面的二次复验，另一方面实施了安装时的技术指标控制，结合监理施工监督，较好地实现了安装施工质量控制及安装后的变形预调工作。需要说明的是，钢结构构件施工时，需要进行工厂预拼装，或者实施现场预拼装，此时牵涉到构件精度的控制与内力变化的控制，尤其在曲线面桁架制作方面，构件本身的制作也会出现变形问题。因此，在本项目中结合实际情况，应用了拼装胎具（如下图2 所示），通过确定基准参考点（选择上弦或下弦均可），有利于通过拼装胎具提高其制作精度，使其满足施工时的强度、刚度、精度要求等。

图2 拼装胎具示意

3.3 吊装平衡措施

（1）钢结构建筑中以装配工艺为主，为了保障施工的精准性，预防吊装施工时发生失衡并导致质量问题。而且本项目工程中的钢结构构件类型较多，包括钢梁、钢柱、刚性系杆、檩条、柱间支撑等。其中钢柱最大重量为3.9t，H 型钢梁重量较大，整跨应用时的最大重量达到了7.1t。加上钢柱与钢梁的尺寸相对较大，在实际吊装时具有一定的难度。因此，施工单位在综合评估吊装施工难度及可能出现的吊装失衡情况后，应用了BIM 技术预先进行了施工模拟。具体操作方面，主要是将CAD 施工平面图导入到Revit 软件创建三维施工模型，然后按照IFC 软件中的数据兼容优势，将三维施工模型导入Navisworks 平台开展施工动画模拟，确定吊装施工时设备停放位置，吊壁移动半径范围，从而划定安全施工区域。

（2）在吊装施工时选择了整体吊装方案，要求先在施工现场进行原位预拼装，构成完整的钢梁后再通过吊装方式进行操作。在最大钢柱与最重钢梁方面，配套应用了80t 吊车设备进行吊装施工，其它重量相对较轻的构件则根据实际情况，应用了50t、20t 吊装设备。考虑到吊装施工时整体构件会发生受力变化，不能满足设计标准要求，甚至发生偏差较大的情况。

本次吊装施工中对其全过程进行了细致分析，同时针对空间姿态调整难度进行了科学评估，尽可能细化了吊装方案。具体如下：

①在吊装形式方面，选择了锁滑轮装置，在吊装结构内容设置了滑轮、吊索等。

②根据钢结构构件吊装时移动路径的变化情况、弹性变形情况、滑轮之间的受力变化情况等，科学剖析了吊装施工时钢结构构件的受力特征。

③按照吊索长度与钢结构构件空间姿态调整之间存在的关联，对不同重量的钢结构构件受力情况与吊索长度控制数据进行了统计。结果显示，当多根吊索长度均较大时，对于钢结构构件的空间姿态调整容易实现，反之则难；当多根吊索中的一根钢索受力较大时，其空间姿态调整难度大，反之则容易。当吊索与吊索之间的受力差异较大时，其空间姿态调整容易实现，反之则较难实现。在全面分析基础上，调整了各项影响因素，较好地实现了构件吊装平衡。需要说明的是，在钢结构构件吊装方案设计时，吊索与滑轮体系之间的力学问题相对复杂，一方面应区分不同滑动类型与相对滑移类型的拉索连接节点，另一方面则应根据吊索-滑轮结构体系整体上的可动体系特点，增强索的非线性、索与滑轮接触的非线性受力分析。

3.4 内力锁定措施

新时期在钢结构建筑施工力学分析方面，应用了先进的信息技术，能够完成力学性能数值模拟分析。因此，在实际的装配施工过程中，当出现钢结构建筑整体内力受力情况的精准分析难度较大时，可以利用此类技术深化设计，开展模拟分析，以此解决分部项目施工过程中内力计算难以实现的问题，进而为分步成型、一步成型施工方法的应用创造条件。具体而言，钢结构建筑竣工后，内力会逐渐趋于稳定，可以根据这个特点，对其内力进行有效锁定。

在本项目工程中，施工单位从整体视角出发，按照设计施工一体化的实际现状，编制了全过程跟踪分析方案。考虑到施工单位人力资源方面的短板，通过监理单位与设计单位协商，由设计单位应用Karamba 建筑力学分析软件，对钢结构内壁变化情况进行实际分析，根据多倍位情况、结构内部变化问题等，由施工单位制定具体的解决对策。内力锁定的重点集中在结构内力大小控制方面，旨在使不同部分之间实现重新组合，从而使受力状况保持在有利于建筑稳定的水平。具体操作时，以设计单位模拟分析结果为准，对竣工项目内力变化进行监测，并通过调整不同构件的精度等，保障内力的稳定性。

需要注意的是，该项目工程中使用的钢板厚度较大，而且部分钢板超过了80mm，施工时需要根据“米”字形节点、“目”字形节点进行节点焊接连接。这时焊接工艺的选择与焊接顺序，能够对节点承载性能、延性造成的一定影响。同时，焊接时钢结构构件受到的温度往往不均匀。根据热胀冷缩的物理原理看，在温度较高的部位会出现膨胀现象。但是，与之相邻的钢材也会对其产生约束作用，从而造成被焊接构件内部的温度应力增高问题。当焊接施工持续变化时，则会造成局部区域出现塑性变形。另外，焊接作业完成后，构件材料会因温度下降而逐渐冷却，这种情况下构件内部会形成因节点焊接引起的残余应力。虽然这种类型的力属于自平衡力系，然而在承载期间，通过应力叠加会增加多余的外载应力，容易使部分区域的屈服强度提前达到，进而产生塑性变形，最终引起构件承载能力的下降。因此，该项目工程信息部技术人员与施工质量管理人员协同合作，结合ANSYS 有限元分析模拟了施焊时热流动及扩散分布规律，在确定残余应力分布与大小的前提下，优化了焊接工艺与焊接顺序，较好地达到了对残余应力的合理控制，预防了塑性变形及其引起的构件承载力下降问题。

4 结语

总之，钢结构建筑生产建造时的施工材料、施工工艺、施工技术，与传统建筑存在较大差异，当施工路径与施工进度动态变化时，材料性能、构件形态及相关因素会随之变化，从而引起变形、安装不精准、吊装失衡、内力动态变化等多种问题。所以，在此类建筑生产建造时，一方面需要增强施工力学问题分析，另一方面则应该结合施工过程，合理地开展施工跟踪，尽可能根据施工过程中出现的问题制定针对性较强的解决措施。