钢结构施工力学及控制技术研究与应用.pdf

建材世界 2 0 1 1 年第3 2 卷第5 期 D O I ：1 0 3 9 6 3 j c n 4 2 1 7 8 3 T U 2 0 1 1 0 5 0 2 2 钢结构施工力学及控制技术研究与应用 朱文兵 ( 合肥水泥研究设计院，合肥2 3 0 0 5 1 ) 摘要：目前，众多发达国家已将钢结构施工控制纳入施工管理工作中，控制方法已从人工测量、分析与预报发展 到计算机自动控制监测、分析与预报。现已形成较完善的钢结构施工控制系统，如自适应施工控制系统等。该文从钢 结构力学角度展开讨论，希望对以后的工程提供一些有益的探讨。 关键词：结构力学；控制技术；钢结构 R e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o nA b o u tS t e e IC o n s t r u c t i o nM e c h a n i c s a n dC o n t r o lT e c h n o l o g y Z H U 肌，2 6 i 咒g ( H e f e iC e m e n tR e s e a r c h & D e s i g nI n s t i t u t e ，H e f e i2 3 0 0 5 1 ，C h i n a ) A b s t “l c t ： M a n yd e v e l o p e dc o u n t r i e sh a v eb r o u g h ts t e e lc o n 8 t r u c t i o nc o n t r o lp r o c e s si n t oc o n s t r u c t i o nm a n a g e m e n t w o rk C o n t r o lm e t h o d sd e v e l o pf r o mt h em a n u a lm e a s u r e m e n t 、a n a l y s i sa n df o r e c a s tt oa u t o m a t i cm o n i t o r i n g 、a m l y s i s a n dp r e d i c t i o no fc o m p u t e rc o n t r o l -I th a sf o r m e dac o m p l e t es t e e lc o n s t r u c t i o nc o n t r o ls y s t e m s ，s u c ha st h ea d a p t i v e c o n t r o lc o n s t r u c t i o ns y s t e m s I nt h i sp a p e r ，m e c h a n i c a lp r o b l e mi nt h es t e e lc o n s t r u c t i o nw a sd i s c u s s e d ，h o p i n gt 0 p r o v i d es o m eu s e f u la d v i c ef o rs u b s e q u e n tp r o j e c t K e yw o r d s ： c o n s t r u c t i o nm e c h a n i c s ；c o n t r o lt e c h n o l o g y ；s t e e ls t r u c t u r e 自2 0 世纪8 0 年代改革开放以后，国家在钢结构工程施工过程中已注意到结构应力的调整问题以及预 拱度的设置问题，但是国家技术方面的原因并未在施工过程中引入系统控制的概念，而且国家的钢结构施工 技术中没有建立起一套比较完整的的施工组织管理体系和施工过程控制体系。2 0 世纪9 0 年代以后，国内 工程技术人员不断探索，从理论和实践中认识到了钢结构施工过程控制的重要性和可行性 1 ，在该领域我国 与发达国家之间的差距正在缩小。 l 无支架的缆索吊装和悬臂施工 1 9 世纪中期以前，各种钢结构的施工都是利用带有支架的设备作为施工方法来拼装钢梁或浇筑混凝土 主梁，整个钢结构的施工过程中主梁均处于无应力状态来保证结构的整体和局部的稳定性。1 9 世纪中期， 悬臂钢桁梁的出现解决了当时设计与施工上的难题。由于悬臂桁梁具有施工应力与营运应力一致的特点， 这种优势给悬臂施工方法提供了科学的依据，使得悬臂施工方法被工程界广泛的采用。1 0 0 多年来，在钢结 构施工过程中缆索吊机成为了主要吊装工具，这种吊装工具的成功应用为梁结构的无支架施工带来了方便， 提高了可行性。采用多段吊装和扣索临时扣挂拱段来安装主拱圈，也使无支架吊装拱结构的施工方法日益 完善。2 0 世纪6 0 年代，钢结构悬臂施工从钢结构推广到预应力混凝土结构，为预应力混凝土悬臂梁结构、 连续梁结构、连续刚构结构、拱结构和斜拉结构等大跨度钢结构的发展提供了有力的施工技术保障，开创了 收稿日期：2 0 1 1 一0 6 2 3 作者简介：朱文兵( 1 9 6 3 一) ，高级工程师E _ m a i l ：a h h f z w b 1 6 3 c o m 8 7 万方数据 建材世界 2 0 1 1 年第3 2 卷第5 期 现代大跨度钢结构发展的新时代。 悬臂施工通常分为悬臂浇筑和悬臂拼装两类“ 。它们都是利用已建成的结构墩，从墩顶开始沿结构跨 方向逐段对称( 或不对称) 悬出接长，然后合龙的施工方法。两类悬臂施工成结构后的受力及结构行为基本 相同，主要区别在于施工阶段的内力与变形不同。悬臂浇筑是用挂篮就地分段( 一般3 8m ，悬臂伸展部 分，节段适当加长) 现浇( 见图1 ) ，待每段混凝土养护并张拉预应力后再将挂篮前移，以备浇筑下一节段之 用。悬臂浇筑时，梁体钢筋连续性好，混凝土整体性也较好。悬臂拼装是用已制造好的钢粱杆件或预制好的 预应力梁节段( 一般为2 5m ) ，用悬拼吊机悬吊于上部结构上( 见图2 ) ，将杆件或节段粱逐一牢固拼装，形 成向结构跨中逐渐增大的悬臂，直至跨中合龙或拼至下一个墩台上去。随着梁段增加即悬臂长度的增长，梁 内出现的负弯矩也不断增大，因此对于混凝土结构必须在粱段上缘施加预应力，使已完成的梁段连成整体。 图1 悬臂浇筑图2 悬臂拼装 悬臂施工使梁跨中正弯矩转移为支点处的负弯矩，大大提高了钢结构的跨越能力。该法工序较为简单， 施工设备较少；多孔结构可平行作业，施工工期短；适用于深水、峡谷和有通航要求的河段及大跨、高墩钢结 构施工。早期曾应用于T 型刚构结构，后来又被推广应用于悬臂梁结构、连续梁结构、连续刚构结构、斜拉 结构和拱结构等无支架施工。这些结构型采用悬臂施工时，一般存在施工过程受力体系转换问题，因此应在 施工中及时调整所施加的预应力来适应这一转换，并消除因体系转换及其它因素引起的次内力。 2 结构体系转换与内力调整 为了承受施工阶段的内力，悬臂上的预应力钢束应分批分期张拉。当按顺序合龙钢结构形成体系转换 时，在合龙梁段上要张拉连续预应力钢束，这些连续束的张拉是在超静定体系上进行的，势必产生由预加力 引起的次内力。计算预加力的次内力的一般方法是：选定结构的基本体系，计算出预加力对基本体系的弯 矩即初预矩( 静定力矩) ；然后用力法求解结构在预加力作用下的赘余力，即所谓“二次内力矩”口 。 当钢结构施工依次合龙，结构体系由静定变为超静定受力，合龙时的温差也会在结构中产生温度变化的 次内力。混凝土自身材料收缩、徐变的特性，也导致体系转换后次内力的产生。混凝土施工过程的徐变分 析，也是一项复杂的力学计算，程序设计采用增量理论，其中徐变系数的计算是关键，涉及徐变变化规律，多 采用狄辛格法。 “简支转连续”是目前中、小跨径连续梁结构施工中较为常见的一种方法。“先简支后连续”是预制时按 预制筒支梁的受力状态进行第一次预应力筋( 正弯矩筋) 的张拉锚固，安装完成后经调整位置、浇筑墩顶接头 处混凝土、更换支座，进行第二次预应力筋( 负弯矩筋) 的张拉锚固，进而完成一联预应力混凝土连续梁的施 工。所谓“准连续梁”与上述不同的是主梁接头采用普通钢筋混凝土连接，形成连续梁结构。它在恒载作用 下大致呈简支梁受力状态，而在活载作用下却呈现连续粱受力特点。不同的连续顺序，外因产生的次内力也 有所不同。总之，在简支转连续的体系转换中，成结构连续梁的跨中正弯矩要比现浇一次落架大，而支点负 弯矩要比现浇一次落架小。 3 施工控制及其发展现状 大跨度钢结构的施工是一个复杂的系统工程。在实现设计目标的整个过程中，将受到许多确定或不确 定的误差因素( 包括设计计算、材料性能、施工精度、荷载或气温变化等) 的影响，因此施工过程应从受影响而 8 8 万方数据 建材世界 2 0 1 1 年第3 2 卷第5 期 失真的参数中找出相对的真实值，并对施工状态进行实时识别( 监测) 、调整( 纠偏) 和预测。这项以现代控制 理论为基础的工作，称之为施工控制。 大型结构的最终形成都经历了一个漫长而复杂的施工过程以及结构体系转换过程。对旄工过程中每个 阶段的变形计算和受力分析是结构施工控制中的最基本内容。在大跨度钢结构的施工控制中现存3 种模拟 分析方法o 。其中，正装计算法是按照钢结构实际施工加载顺序来进行结构变形和受力分析，它能较好地模 拟钢结构的实际施工历程，得到钢结构在各个施工阶段的位移和受力状态为钢结构施工控制提供依据。倒 装计算法则是按照钢结构实际施工加载顺序的逆过程来进行结构行为分析，目的是要获得钢结构在各个施 工阶段理想的安装位置( 标高) 和理想的受力状态。无应力状态法是以钢结构各构件的无应力长度和曲率不 变为基础，将钢结构的成结构状态和施工各阶段的中间状态联系起来，这种方法特别适应于大跨度拱结构和 悬索结构的施工控制。 在预应力混凝土梁体分段悬浇施工过程中，每节段都需要经过移动挂篮就位、立模浇筑混凝土、完成预 应力束张拉等工序，形成若干施工循环。假定结构受力条件和材料参数，运用结构分析方法对施工全过程进 行模拟分析，由于理想状态与施工实际不可能完全一鹭加上施工方法的变异因素，会造成实际结构受力和 位移不同于理想计算结果，并导致累计施工误差。因此需要建立施工动态控制系统，借助测量信息反馈系 统。对每一施工循环进行控制系统误差分析修正系统参数，进而对下一循环预测控制参数，如此重复循环， 使系统参数误差逐步消除，其后状态控制参数更为精确模拟分析与实际施工过程可趋于一致从而使钢结 构的分段浇筑施工最大限度满足结构设计要求，达到施工全过程的随机最优控制。 在桁式组合拱结构悬臂施工控制中，主f L 预拱度的设置考虑恒载、活 载和徐变挠度为消除施工中各种因素引起的非弹性变形，各段构件在安 装时还要增加施工预抬高度。根据徐变计算反映的规律，墩顶至断缝区 段徐变挠度小，断缝至拱顶区段徐变挠度较大，因此相应节段所取施工抬 高值是个变量。施工中应根据挠度观测数据和徐变计算的结果逐段予 以调整。台龙时两岸桁片的高程差应控制在规范允许的范围内。悬拼 施工中，结构处于悬臂桁架体系状态合龙后将进行体系转换。为了保证 在体系转换时结构有更大的稳定性可采取分次放张，分次加载的方式， 使结构逐步，缓慢地由悬臂桁架体系过渡到桁架拱体系( 见图3 ) 。 4 结论 图3 粱拱体系转换 施工过程中，若在内力较大的杆件中布置监控测点。将监测的实际值 与计算的预计值比较及时发现异常问题，并停工检查和分析原因，则可能避免类似加拿大魁北克结构施工 中突然崩塌坠落事故的发生。若在建设钢结构时还预留长期观测点，则将给钢结构终身安全监测创造条件， 并为钢结构运营阶段的养护工作提供科学可靠的数据，确保钢结构使用安全避免像韩国圣水桥那样的惨剧 发生( 该结构在行车高峰期突然在中跨断塌5 0m ，断裂的原因是该结构长期超负荷运营钢桁粱螺栓和杆件 疲劳破坏所致) 。在这方面，刚通车的“世界第一拱”上海卢浦大桥已走在世界前列。大桥拱肋顶上的气象仪 随时提供大桥结构温度、风速、雨量等技术参数；匝引道下安装的感应线圈已把日平均车流量逾6 4 2 万辆次 的信息及时传回中央控制室；电力、设备、交通、结构健康等数据也都在掌握之中。结构上装有除湿机自动除 湿，保证了大桥钢结构的安全。 悬臂施工中钢结构的稳定性与可靠性控制，仍是当今钢结构建设的重点研究课题”1 。 参考文献 1 胨巢陈焕景桩