鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)及控制技術(shù)研究與應(yīng)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 鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)及控制技術(shù)研究與應(yīng)用 朱文兵 ( 合肥水泥研究設(shè)計(jì)院，合肥2 3 0 0 5 1 ) 摘要：目前，眾多發(fā)達(dá)國家已將鋼結(jié)構(gòu)施工控制納入施工管理工作中，控制方法已從人工測(cè)量、分析與預(yù)報(bào)發(fā)展 到計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制監(jiān)測(cè)、分析與預(yù)報(bào)?，F(xiàn)已形成較完善的鋼結(jié)構(gòu)施工控制系統(tǒng)，如自適應(yīng)施工控制系統(tǒng)等。該文從鋼 結(jié)構(gòu)力學(xué)角度展開討論，希望對(duì)以后的工程提供一些有益的探討。 關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)力學(xué)；控制技術(shù)；鋼結(jié)構(gòu) 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(fā) 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 世紀(jì)8 0 年代改革開放以后，國家在鋼結(jié)構(gòu)工程施工過程中已注意到結(jié)構(gòu)應(yīng)力的調(diào)整問題以及預(yù) 拱度的設(shè)置問題，但是國家技術(shù)方面的原因并未在施工過程中引入系統(tǒng)控制的概念，而且國家的鋼結(jié)構(gòu)施工 技術(shù)中沒有建立起一套比較完整的的施工組織管理體系和施工過程控制體系。2 0 世紀(jì)9 0 年代以后，國內(nèi) 工程技術(shù)人員不斷探索，從理論和實(shí)踐中認(rèn)識(shí)到了鋼結(jié)構(gòu)施工過程控制的重要性和可行性 1 ，在該領(lǐng)域我國 與發(fā)達(dá)國家之間的差距正在縮小。 l 無支架的纜索吊裝和懸臂施工 1 9 世紀(jì)中期以前，各種鋼結(jié)構(gòu)的施工都是利用帶有支架的設(shè)備作為施工方法來拼裝鋼梁或澆筑混凝土 主梁，整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的施工過程中主梁均處于無應(yīng)力狀態(tài)來保證結(jié)構(gòu)的整體和局部的穩(wěn)定性。1 9 世紀(jì)中期， 懸臂鋼桁梁的出現(xiàn)解決了當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)與施工上的難題。由于懸臂桁梁具有施工應(yīng)力與營運(yùn)應(yīng)力一致的特點(diǎn)， 這種優(yōu)勢(shì)給懸臂施工方法提供了科學(xué)的依據(jù)，使得懸臂施工方法被工程界廣泛的采用。1 0 0 多年來，在鋼結(jié) 構(gòu)施工過程中纜索吊機(jī)成為了主要吊裝工具，這種吊裝工具的成功應(yīng)用為梁結(jié)構(gòu)的無支架施工帶來了方便， 提高了可行性。采用多段吊裝和扣索臨時(shí)扣掛拱段來安裝主拱圈，也使無支架吊裝拱結(jié)構(gòu)的施工方法日益 完善。2 0 世紀(jì)6 0 年代，鋼結(jié)構(gòu)懸臂施工從鋼結(jié)構(gòu)推廣到預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，為預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂梁結(jié)構(gòu)、 連續(xù)梁結(jié)構(gòu)、連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)、拱結(jié)構(gòu)和斜拉結(jié)構(gòu)等大跨度鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了有力的施工技術(shù)保障，開創(chuàng)了 收稿日期：2 0 1 1 一0 6 2 3 作者簡介：朱文兵( 1 9 6 3 一) ，高級(jí)工程師E _ m a i l ：a h h f z w b 1 6 3 c o m 8 7 萬方數(shù)據(jù) 建材世界 2 0 1 1 年第3 2 卷第5 期 現(xiàn)代大跨度鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的新時(shí)代。 懸臂施工通常分為懸臂澆筑和懸臂拼裝兩類“ 。它們都是利用已建成的結(jié)構(gòu)墩，從墩頂開始沿結(jié)構(gòu)跨 方向逐段對(duì)稱( 或不對(duì)稱) 懸出接長，然后合龍的施工方法。兩類懸臂施工成結(jié)構(gòu)后的受力及結(jié)構(gòu)行為基本 相同，主要區(qū)別在于施工階段的內(nèi)力與變形不同。懸臂澆筑是用掛籃就地分段( 一般3 8m ，懸臂伸展部 分，節(jié)段適當(dāng)加長) 現(xiàn)澆( 見圖1 ) ，待每段混凝土養(yǎng)護(hù)并張拉預(yù)應(yīng)力后再將掛籃前移，以備澆筑下一節(jié)段之 用。懸臂澆筑時(shí)，梁體鋼筋連續(xù)性好，混凝土整體性也較好。懸臂拼裝是用已制造好的鋼粱桿件或預(yù)制好的 預(yù)應(yīng)力梁節(jié)段( 一般為2 5m ) ，用懸拼吊機(jī)懸吊于上部結(jié)構(gòu)上( 見圖2 ) ，將桿件或節(jié)段粱逐一牢固拼裝，形 成向結(jié)構(gòu)跨中逐漸增大的懸臂，直至跨中合龍或拼至下一個(gè)墩臺(tái)上去。隨著梁段增加即懸臂長度的增長，梁 內(nèi)出現(xiàn)的負(fù)彎矩也不斷增大，因此對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)必須在粱段上緣施加預(yù)應(yīng)力，使已完成的梁段連成整體。 圖1 懸臂澆筑圖2 懸臂拼裝 懸臂施工使梁跨中正彎矩轉(zhuǎn)移為支點(diǎn)處的負(fù)彎矩，大大提高了鋼結(jié)構(gòu)的跨越能力。該法工序較為簡單， 施工設(shè)備較少；多孔結(jié)構(gòu)可平行作業(yè)，施工工期短；適用于深水、峽谷和有通航要求的河段及大跨、高墩鋼結(jié) 構(gòu)施工。早期曾應(yīng)用于T 型剛構(gòu)結(jié)構(gòu)，后來又被推廣應(yīng)用于懸臂梁結(jié)構(gòu)、連續(xù)梁結(jié)構(gòu)、連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)、斜拉 結(jié)構(gòu)和拱結(jié)構(gòu)等無支架施工。這些結(jié)構(gòu)型采用懸臂施工時(shí)，一般存在施工過程受力體系轉(zhuǎn)換問題，因此應(yīng)在 施工中及時(shí)調(diào)整所施加的預(yù)應(yīng)力來適應(yīng)這一轉(zhuǎn)換，并消除因體系轉(zhuǎn)換及其它因素引起的次內(nèi)力。 2 結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換與內(nèi)力調(diào)整 為了承受施工階段的內(nèi)力，懸臂上的預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)分批分期張拉。當(dāng)按順序合龍鋼結(jié)構(gòu)形成體系轉(zhuǎn)換 時(shí)，在合龍梁段上要張拉連續(xù)預(yù)應(yīng)力鋼束，這些連續(xù)束的張拉是在超靜定體系上進(jìn)行的，勢(shì)必產(chǎn)生由預(yù)加力 引起的次內(nèi)力。計(jì)算預(yù)加力的次內(nèi)力的一般方法是：選定結(jié)構(gòu)的基本體系，計(jì)算出預(yù)加力對(duì)基本體系的彎 矩即初預(yù)矩( 靜定力矩) ；然后用力法求解結(jié)構(gòu)在預(yù)加力作用下的贅余力，即所謂“二次內(nèi)力矩”口 。 當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)施工依次合龍，結(jié)構(gòu)體系由靜定變?yōu)槌o定受力，合龍時(shí)的溫差也會(huì)在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生溫度變化的 次內(nèi)力?；炷磷陨聿牧鲜湛s、徐變的特性，也導(dǎo)致體系轉(zhuǎn)換后次內(nèi)力的產(chǎn)生?；炷潦┕み^程的徐變分 析，也是一項(xiàng)復(fù)雜的力學(xué)計(jì)算，程序設(shè)計(jì)采用增量理論，其中徐變系數(shù)的計(jì)算是關(guān)鍵，涉及徐變變化規(guī)律，多 采用狄辛格法。 “簡支轉(zhuǎn)連續(xù)”是目前中、小跨徑連續(xù)梁結(jié)構(gòu)施工中較為常見的一種方法。“先簡支后連續(xù)”是預(yù)制時(shí)按 預(yù)制筒支梁的受力狀態(tài)進(jìn)行第一次預(yù)應(yīng)力筋( 正彎矩筋) 的張拉錨固，安裝完成后經(jīng)調(diào)整位置、澆筑墩頂接頭 處混凝土、更換支座，進(jìn)行第二次預(yù)應(yīng)力筋( 負(fù)彎矩筋) 的張拉錨固，進(jìn)而完成一聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的施 工。所謂“準(zhǔn)連續(xù)梁”與上述不同的是主梁接頭采用普通鋼筋混凝土連接，形成連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。它在恒載作用 下大致呈簡支梁受力狀態(tài)，而在活載作用下卻呈現(xiàn)連續(xù)粱受力特點(diǎn)。不同的連續(xù)順序，外因產(chǎn)生的次內(nèi)力也 有所不同?？傊诤喼мD(zhuǎn)連續(xù)的體系轉(zhuǎn)換中，成結(jié)構(gòu)連續(xù)梁的跨中正彎矩要比現(xiàn)澆一次落架大，而支點(diǎn)負(fù) 彎矩要比現(xiàn)澆一次落架小。 3 施工控制及其發(fā)展現(xiàn)狀 大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的整個(gè)過程中，將受到許多確定或不確 定的誤差因素( 包括設(shè)計(jì)計(jì)算、材料性能、施工精度、荷載或氣溫變化等) 的影響，因此施工過程應(yīng)從受影響而 8 8 萬方數(shù)據(jù) 建材世界 2 0 1 1 年第3 2 卷第5 期 失真的參數(shù)中找出相對(duì)的真實(shí)值，并對(duì)施工狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別( 監(jiān)測(cè)) 、調(diào)整( 糾偏) 和預(yù)測(cè)。這項(xiàng)以現(xiàn)代控制 理論為基礎(chǔ)的工作，稱之為施工控制。 大型結(jié)構(gòu)的最終形成都經(jīng)歷了一個(gè)漫長而復(fù)雜的施工過程以及結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過程。對(duì)旄工過程中每個(gè) 階段的變形計(jì)算和受力分析是結(jié)構(gòu)施工控制中的最基本內(nèi)容。在大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工控制中現(xiàn)存3 種模擬 分析方法o 。其中，正裝計(jì)算法是按照鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際施工加載順序來進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形和受力分析，它能較好地模 擬鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工歷程，得到鋼結(jié)構(gòu)在各個(gè)施工階段的位移和受力狀態(tài)為鋼結(jié)構(gòu)施工控制提供依據(jù)。倒 裝計(jì)算法則是按照鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際施工加載順序的逆過程來進(jìn)行結(jié)構(gòu)行為分析，目的是要獲得鋼結(jié)構(gòu)在各個(gè)施 工階段理想的安裝位置( 標(biāo)高) 和理想的受力狀態(tài)。無應(yīng)力狀態(tài)法是以鋼結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的無應(yīng)力長度和曲率不 變?yōu)榛A(chǔ)，將鋼結(jié)構(gòu)的成結(jié)構(gòu)狀態(tài)和施工各階段的中間狀態(tài)聯(lián)系起來，這種方法特別適應(yīng)于大跨度拱結(jié)構(gòu)和 懸索結(jié)構(gòu)的施工控制。 在預(yù)應(yīng)力混凝土梁體分段懸澆施工過程中，每節(jié)段都需要經(jīng)過移動(dòng)掛籃就位、立模澆筑混凝土、完成預(yù) 應(yīng)力束張拉等工序，形成若干施工循環(huán)。假定結(jié)構(gòu)受力條件和材料參數(shù)，運(yùn)用結(jié)構(gòu)分析方法對(duì)施工全過程進(jìn) 行模擬分析，由于理想狀態(tài)與施工實(shí)際不可能完全一鷺加上施工方法的變異因素，會(huì)造成實(shí)際結(jié)構(gòu)受力和 位移不同于理想計(jì)算結(jié)果，并導(dǎo)致累計(jì)施工誤差。因此需要建立施工動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，借助測(cè)量信息反饋系 統(tǒng)。對(duì)每一施工循環(huán)進(jìn)行控制系統(tǒng)誤差分析修正系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)而對(duì)下一循環(huán)預(yù)測(cè)控制參數(shù)，如此重復(fù)循環(huán)， 使系統(tǒng)參數(shù)誤差逐步消除，其后狀態(tài)控制參數(shù)更為精確模擬分析與實(shí)際施工過程可趨于一致從而使鋼結(jié) 構(gòu)的分段澆筑施工最大限度滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，達(dá)到施工全過程的隨機(jī)最優(yōu)控制。 在桁式組合拱結(jié)構(gòu)懸臂施工控制中，主f L 預(yù)拱度的設(shè)置考慮恒載、活 載和徐變撓度為消除施工中各種因素引起的非彈性變形，各段構(gòu)件在安 裝時(shí)還要增加施工預(yù)抬高度。根據(jù)徐變計(jì)算反映的規(guī)律，墩頂至斷縫區(qū) 段徐變撓度小，斷縫至拱頂區(qū)段徐變撓度較大，因此相應(yīng)節(jié)段所取施工抬 高值是個(gè)變量。施工中應(yīng)根據(jù)撓度觀測(cè)數(shù)據(jù)和徐變計(jì)算的結(jié)果逐段予 以調(diào)整。臺(tái)龍時(shí)兩岸桁片的高程差應(yīng)控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。懸拼 施工中，結(jié)構(gòu)處于懸臂桁架體系狀態(tài)合龍后將進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換。為了保證 在體系轉(zhuǎn)換時(shí)結(jié)構(gòu)有更大的穩(wěn)定性可采取分次放張，分次加載的方式， 使結(jié)構(gòu)逐步，緩慢地由懸臂桁架體系過渡到桁架拱體系( 見圖3 ) 。 4 結(jié)論 圖3 粱拱體系轉(zhuǎn)換 施工過程中，若在內(nèi)力較大的桿件中布置監(jiān)控測(cè)點(diǎn)。將監(jiān)測(cè)的實(shí)際值 與計(jì)算的預(yù)計(jì)值比較及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常問題，并停工檢查和分析原因，則可能避免類似加拿大魁北克結(jié)構(gòu)施工 中突然崩塌墜落事故的發(fā)生。若在建設(shè)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)還預(yù)留長期觀測(cè)點(diǎn)，則將給鋼結(jié)構(gòu)終身安全監(jiān)測(cè)創(chuàng)造條件， 并為鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)營階段的養(yǎng)護(hù)工作提供科學(xué)可靠的數(shù)據(jù)，確保鋼結(jié)構(gòu)使用安全避免像韓國圣水橋那樣的慘劇 發(fā)生( 該結(jié)構(gòu)在行車高峰期突然在中跨斷塌5 0m ，斷裂的原因是該結(jié)構(gòu)長期超負(fù)荷運(yùn)營鋼桁粱螺栓和桿件 疲勞破壞所致) 。在這方面，剛通車的“世界第一拱”上海盧浦大橋已走在世界前列。大橋拱肋頂上的氣象儀 隨時(shí)提供大橋結(jié)構(gòu)溫度、風(fēng)速、雨量等技術(shù)參數(shù)；匝引道下安裝的感應(yīng)線圈已把日平均車流量逾6 4 2 萬輛次 的信息及時(shí)傳回中央控制室；電力、設(shè)備、交通、結(jié)構(gòu)健康等數(shù)據(jù)也都在掌握之中。結(jié)構(gòu)上裝有除濕機(jī)自動(dòng)除 濕，保證了大橋鋼結(jié)構(gòu)的安全。 懸臂施工中鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與可靠性控制，仍是當(dāng)今鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)的重點(diǎn)研究課題”1 。 參考文獻(xiàn) 1 胨巢陳煥景樁