摘要：施工力学包含的范围很广，分析对象几何参数、域边界以及荷载作用位置和大小随时间不断变化问题。本文对大跨桥施工力学的计算及施工力学研究进展进行了综述。
关键词：施工力学；计算；研究进展
施工力学包含的范围很广，例如分析对象几何参数、域边界以及荷载作用位置和大小随时间不断变化问题；分析对象尚未达到整体形成过程中的不完整结构，极易受到其他外荷载影响而破坏；工程施工过程中的构件材料（介质）力学特性随时间不断变化，甚至涉及流变特性、粘性、温度场等的问题。
1 大跨桥施工力学的计算
1.1 计算对象动态时空变化
大跨度钢结构一般分解为多个部分，分别施工，组装成整体后，再进行张拉或者施加荷载。随着施工过程的进展，分析对象由分部构件逐渐延伸到结构整体，逐渐由多个非静定体系形成整体超静定体系。分部构件的约束一般为胎架等局部支撑体系，整体结构的约束由分部构件约束形成，伴随约束条件的转变或拆除，整体结构逐渐形成。半刚性结构的刚度不仅来源于构件本身，而且来自体系的空间形态和约束条件。所以在施工过程中，刚度发展和荷载生长是时变切同步的，也可能存在刚度落后点。
1.2 荷载效应动态变化。
首先是施工设备、材料和临时支撑体系不可忽略，存在临时性施工荷载。虽然施工荷载相对结构整体承载能力显得较小，但对施工过程中已完成结构的作用效应和影响会很大。其次，本身的自重等设计荷载随施工进展发生变化，并作用于非完整结构。第三，构件的吊装或者结构体系的张拉过程，可能会存在构件的应力重分布，直接影响稳定性。所以施工过程中，随时变荷载产生的内力同样具有时变特征，要分析施工过程单个构件的内力时变，模拟计算构件内力的变化和最大值，与常规规范条件下设计内力同时作为施工的控制指标。
1.3 边界条件或场域动态变化
施工过程结构构件分段形成，边界条件发生变化。对于已经形成的结构，依据施工方式不同，其边界约束条件也会发生变化。施工完成前要拆除临时支撑，边界条件亦会发生变化。有些结构施工期间会遇到不同的场域，温度场等外部条件的改变会产生大的温度应力，对超静定非线性结构很不利。因而边界条件或场域时变问题也是施工力学不同于常规设计的重要原因。
1.4 最终形态的路径依赖性
路径依赖性是指不同的施工方案和施工顺序导致最终结构受力和变形有所不同。由于材料非线性、几何非线性或者状态非线性问题的存在，许多大型结构的安装过程相当复杂，同样出现非线性效应，需要深入研究。尤其刚柔结合、组合结构、空间杂交等大型复杂结构，不同施工方式不仅会发生施工过程结构构件的内力差别以及安全稳定，将直接影响最终结构体系内力和变形，甚至结构的正常使用。所以施工路径和相关性问题的研究分析，是施工力学和常规设计方法的重大区别。
传统的刚性结构施工变形很小，所以每个施工子过程均可以零状态几何作为参考构形，把每个施工过程单独进行常规静力分析，最终状态应力和变形是所有施工子过程应力和变形的线性叠加。在大跨度钢结构施工过程中，结构刚度是逐渐形成的，施工过程中结构将经历大变形，下一步施工过程须基于前一步并依赖于之前所有施工步，分析时参考构形须基于当前几何而不再是零状态几何，这种施工步骤之间的耦联称为路径依赖。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
2施工力学研究进展
2.1 结构施工力学
结构施工力学重点研究建筑物施工过程结构构件（介质）本身的形成及力学状态，包括随时间变化或工程进展对结构构件的应力、应变、位移、施工质量、安全性、以及稳定性方面的研究。环境施工力学重点研究随施工进展的推进，施工对象本身对周围环境及周边既有建筑物（介质）的影响。分析对其造成的危害，提出回避风险的方法，预测和防治。按施工对象本身来分，施工力学又可分为高层建筑施工力学、桥梁施工力学、大跨度空间结构施工力学、大体积混凝土施工力学、岩土施工力学等。其中前三类和后二类研究方法有相同性、又有各自侧重点。前者重点研究不同时间间隔不同构件的形成和安装过程整体系统内外的力学状态，存在材料非线性和几何非线性问题，对于钢结构多数是几何非线性。而后者重点讨论随时间变化的材料（介质）内外力学性能，多属于粘性、温度场等材料（场域）非线性问题。
2.2 地下工程施工力学
近30年来，地下工程施工力学方面已经进行了大量研究工作。相对而言，地上工程尤其结构工程施工力学方面的研究工作少一些，主要是近10多年来随着我国高、奇、特等大型结构物的兴建而引起重视。在国外Majid讨论了时变结构施工过程的力学状态和变形，Trincher分析了可变体内应力应变状态后给出相关问题求解公式，Arutyunyan给出针对动态可变体分析的数学模型。Naumov对可变体固体力学作了回顾。Choi（1985）在讨论框架结构施工分析时，利用子结构技术形成多层框架施工过程逆序求解的新方法，运用“激活”和“杀死”概念模拟施工过程与结构的关系，探讨了框架结构体系按子结构形成过程中各相关构件的内力变化。Choi进一步讨论上述原理在高层结构工程有序施加恒载作用下的施工过程分析。张其林采用坐标迁移理论，结合拉索长度在施工中受预加力的影响，考虑有限元非线性问题，自编程序模拟了大跨度预应力悬臂钢结构施工过程。曹志远很早提出施工力学概念，并在多个领域展开了深入研究。先后在地下工程、地上工程中考虑材料非线性、几何非线性、以及路径相关性方面做了大量工作，多次强调施工力学的重要性和研究方法。运用超级有限元、时变元等概念模拟分析高层结构施工力学及变形分析。郭彦林近年来在大跨度空间结构施工力学方面做了许多研究，提出了该类大型结构施工中存在的问题，在大型有限元程序平台上，结合几何非线性概念推导了相应方程和运算矩阵，利用“生死单元”、“分步建模”技术，构造了施工过程及其支撑条件。
2.3 大跨度桥梁施工力学
模拟施工过程、求解位移和内力，进行了施工力学分析。董石麟、罗尧治及其课题组重点研究了空间结构的施工力学，并有试验数据和数值模拟分析，提出了施工力学在空间结构分析中的重要意义、必要性以及过程优化分析。鲍广鑑总结了多年来的施工方法，对施工过程做了反复比选分析。同样，在大跨度桥梁施工方面进行施工力学数值模拟深入分析，与常规方法比较，在单元划分、约束条件、荷载施加等方面考虑时变因素展开讨论。由于一般性有限元法解决施工力学问题的局限性，进而通过神经计算法，避免了网格重新剖分与解决矩阵运算奇异性问题。尽管如此，结构工程施工力学在理论和应用上取得不少研究成果，某种程度上解决了大型复杂结构施工过程的力学问题，但该领域研究还是不算成熟，未系统化，理论成果与实际运用方面还存在一定差距。另外，鉴于有限元方法的限制，实践中仍需要在其平台上改进和创新方能有效解决实际问题。
参考文献
[1]董丹琪.大跨度钢结构施工过程中结构分析[J].工业设计，2016（05）：110-111.
[2]田黎敏，郝际平，郑江，王先铁，钟炜辉.大跨度复杂钢结构施工力学模拟的研究与应用[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2012，44（03）：324-330.
[3]金春福.地下大跨度新管幕结构体系施工力学性能研究[D].大连理工大学，2012.
[4]刘学武，郭彦林.考虑几何非线性钢结构施工力学分析方法[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2008（02）：161-169.
[5]郭彦林，刘学武.大型复杂钢结构施工力学问题及分析方法[J].工业建筑，2007（09）：1-8.
论文作者:曹杉
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/26
标签：力学论文; 结构论文; 构件论文; 荷载论文; 过程论文; 几何论文; 内力论文; 《建筑学研究前沿》2018年第18期论文;