摘要：现阶段，我国的综合国力不断地提高，人们的生活水平也越来越高。为满足人们文化及精神生活的需求，各种大型建筑应运而生。尤其，近年来各种空间钢结构不断涌现，如网架结构、桁架结构、网壳结构等广泛应用于实际工程中。对大跨空间钢结构而言，由于其结构施工过程复杂，施工方法和施工工艺繁琐，在施工阶段出现风险的概率要比其他结构高。运用有限元分析，可以在钢结构施工过程中进行计算机模拟跟踪计算，为施工过程提供安全精确的数值分析结果和动态模拟。
关键词：有限元分析；钢结构工程施工；应用
引言
随着我国经济的发展，大跨度空间钢结构的形式也日趋复杂，施工过程对结构的影响不能忽略。用施工力学的方法对施工过程进行预分析，不仅可以优选结构施工方案，而且保证施工过程中结构的安全性以及竣工状态结构的内力和位形满足设计要求。本文基于ANSYS、MARC等大型有限元平台上，并充分考虑施工步骤，等的影响，对结构施工进行跟踪模拟分析。
1有限元方法及软件介绍
有限元法可以称为有限单元法或有限元素法，基本思想是将物体（即连续求解域）离散成有限个且按一定方式相互连接在一起的单元组合，来模拟和逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题求解的数值分析法。
结构在施工过程中是逐层承受荷载的，并引起结构相应的内力和变形，每次对结构施加荷载时，结构便形成刚度，便产生内力与变形。当增加下一结构时，所施加的荷载与原来形成的荷载一起影响结构的变形与内力，这样不停地变化，内力与变形也在不停地发生变化，每次形成矩阵不断地迭代求解，有限元则是采用单元生死技术来控制结构的先后顺序，模拟变形，得到所需要的结果。
结构施工建模步骤如下：（1）建立构件三维空间有限元模型，形成结构整体刚度矩阵；根据施工步骤划分施工阶段，分阶段建模。（2）利用有限元软件ANSYS的单元生死技术钝化所有施工步（包括构件及其相应的边界条件、荷载和约束），先将整体结构建模，按照施工的顺序，将未建造结构单元的刚度矩阵乘以一个很小的缩减因子，即单元生死系数，这样单元就处于失效的状态下；（3）将单元载荷、质量、应变和刚度设为0值，未建结构单元的质量、刚度对已建结构不产生任何影响。（4）按结构实际施工顺序，激活当前安装施工步，逐层激活结构单元，使单元载荷、质量、刚度等随着施工的顺序发生变化，从而不停地迭代计算来模拟结构逐级加载的情况。（5）每激活一次结构单元，就计算一次结构总刚度矩阵，结构总刚度矩阵逐步得到修正，结构的内力和变形不断地变化，模拟的应力应变也随着发生变化。
2有限元分析在钢结构工程施工中的应用
2.1结构施工阶段模拟计算
施工中各子结构施工工序的不同对结构成型有很大的影响，施工过程中结构受力与工作状态有着明显的区别，必须针对不同的施工工序事先对结构的施工过程进行模拟分析，才能确保结构的初始状态的正确成形，才能保证结构施工过程和工作状态的安全性。某体育馆屋盖为双曲面椭球形大跨度钢结构，水平投影面为椭圆。钢屋盖造型为双曲线椭球面，对安装精度要求较高，且因造型特殊会导致结构安装过程中结构的稳定性较差，保证安装过程中的结构安全是重点控制内容。为此，应选择合理的安装顺序。施工前利用有限元分析软件MIDAS对构件安装过程进行工况分析，保证安装过程中结构的应力及变形在规范要求的范围之内。根据结构特点、场地状况、边界条件和构件特性拟采用对称分步安装，利用软件模拟各个施工状态的内力和位移，同时考虑计算模型的连续性，即前一施工阶段的终止状态作为后一施工阶段的初始状态。双曲面椭球形钢屋盖安装共分为18个施工阶段。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆根据各个施工阶段结构的位移图可以确定各施工阶段结构的位移分布情况，且能确定最大位移的数值及出现的位置。同理，还可以给出个施工阶段的应力图，确定结构应力出现的最不利位置，有助于确定结构的应力变化情况，便于施工中及时采取相应措施。有限元软件模拟钢屋盖的施工工序，不仅可以模拟结构的成型过程，还可以跟踪采集每个施工阶段结构的变形和应力，有益于提前发现施工中的不利工况，为实际施工提供参考。
2.2焊接变形分析
北京某钢桥主塔为三维异形门式结构，钢塔所有壁板均为三维曲面，钢索塔截面从塔底13.8m×12m渐变到塔顶3m×5m，钢箱塔柱截面采用矩形空心箱。
钢塔现场分节段进行吊装，节段长度8m，节段吊装精确定位后进行焊接，由于壁板板厚大，现场的焊接方法和焊接顺序对焊接变形影响极大，如何确定钢塔截面上焊缝的焊接顺序，直接关系到钢塔的整体安装精度和线形，下文在ABAQUS软件对现场焊接进行模拟的有限元分析，对不同的焊接方案进行结果比对，选出最优方案指导现场施工。
根据实际工程经验及大量计算结果，采用分中对称焊接方案对钢塔节段进行拼装焊接。分中对称焊接方案和顺序焊接方案相比较，焊接收缩量小，且截面各部分收缩差均较小。
最优焊接顺序为“先焊腹板外侧，然后焊短边外侧，再焊长边内侧”，最差焊接顺序为“先焊长边外侧，然后焊长边内侧，再焊短边外侧”，如图1所示，余下部分的焊接顺序对结果影响不大。
2.3钢结构节段整体吊装分析
随着大型远洋运输设备和起重设备的快速发展，钢结构制作越来越来已整体节段和模块的形式进行运输，到达现场后整体吊装，极大地缩短了施工周期，同时又保证了产品质量。下面结合工程实例简要介绍钢结构整体吊装的有限元分析方法。
沪通铁路桥通航孔桥采用节段整体吊装，节段尺寸为28m（长）×36m（宽）×17.65M（高），总重约1780吨。采用通用有限元分析软件ANSYS10.0进行建模计算，由有限元计算结果可见，在吊装过程中，桁架节段最大应力和最大变形均在安全范围之内，可安全进行吊装作业。
3工程机械钢结构动力学分析
传统的机械结构设计阐述了静态载荷下强度、刚度分布，工程机械工作强度高，在工作状态下，钢材料受力学作用影响，会出现应力变化，受摩擦影响，还可出现升温，出现机械性能改变，弹性体振动等问题直接影响结构工作状态。故，需对机械钢结构进行动力学分析。以结构的振动特性为例，振动特性直接决定结构对各种动力载荷的响应，采用传统的解析法无法解出复杂结构的固有频率。机械结构可以视为多个自由度的振动系统，自振频率与振型取决于结构本身刚度、质量分布，对于工程机械结构而言，工作状态下，发动机工作振动特点、仪器操作者操控水平、工作面上自振动的人或物振动特点等都影响机械动态状态下载荷。许多机械工程钢结构设计者往往忽略了动力学分析，导致设计完成的构件在工作状态下载荷超出上限，直接影响构件寿命、工作状态，甚至造成事故。
结语
现代钢结构设计和制造过程中涉及到大量的力学计算和焊接计算，传统的计算方法计算复杂，需要投入较多的人力和时间，计算精度较低。有限元可以对各种结构进行应力分析，将其应用于工程实践中，可以为施工方案的实施提供参考依据；对结构施工全过程进行模拟跟踪计算，提供安全精确的数值分析结果。将有限元应用于施工过程中，可以为施工中结构的安全性以及施工完成后整体结构的可靠性提供保障。总之，有限元作为一种有效的数值计算方法，在工程中发挥着重要作用。
参考文献
[1]马晓峰.ABAQUS6.11中文版有限元分析从入门到精通[M].清华大学出版社，2013.
[2]商跃进，王红.有限元原理与ANSYS实践[M].清华大学出版社，2012.
[3]张洪才.ANSYS14.0理论解析与工程应用实例[M].机械工业出版社，2013.
论文作者:邓联文
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年1期
论文发表时间:2019/5/9
标签：结构论文; 有限元论文; 钢结构论文; 刚度论文; 单元论文; 应力论文; 顺序论文; 《建筑学研究前沿》2019年1期论文;