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摘要：建筑业的快速发展和科学技术的带动，以及钢产量的逐年增加，很多大型复杂钢结构建筑出现在生产生活中，尤其是大型公共建筑领域的大型复杂钢结构不断出现并发挥着重要的作用。当前的大型复杂钢结构建筑主要集中在我国，对大型复杂钢结构施工力学和控制技术的创新研究和工程实际应用一直以来是我国工程建设中的重点和难点。因此，对大型复杂钢结构施工力学及控制新技术的研究和实际工程应用是非常有意义的，对促进大型钢结构建筑施工技术和水平有重要的帮助。
关键词：钢结构；施工力学；控制新技术
Abstract: The rapid development of the construction industry and promote science and technology, as well as steel production increases every year, many large and complex steel structures in production and life, especially for large complex steel structure of large public buildings and areas of emerging plays an important effect. The current large and complex steel buildings are mainly concentrated in China, the innovative research of large, complex steel construction mechanics and control technologies and engineering applications has always been the focus of construction and difficult. Therefore, the construction of large, complex steel structure and mechanical control of new technology research and practical application is very meaningful, to promote large-scale construction steel structure and level of technology has an important help.Keywords: steel; construction mechanics; controlling new technology
中图分类号：TU391 文献标识码：A
我国钢材产量一直保持世界领先地位，并且广泛应用在建筑施工中，尤其是近年来出现的很多大型建筑中采用了复杂钢结构。例如，鸟巢、CCTV新台址主楼部分、深圳宝安体育场等多处大型复杂钢结构的实际应用案例。若不能够正确认识和分析钢结构使用和施工阶段的受力状态情况，就会极大的增加钢结构使用和施工阶段的安全风险，对施工质量无法保证。通常，一般的结构分析和设计理念只考虑了结构在使用阶段对不同荷载或组合作用下的受力效应，这种对安全性和实用性的分析和控制是不够准确可靠的，在一般建筑中效果较好但是在大型复杂钢结构中则是不适用的。因此，要提高施工力学的模拟分析技术和控制技术。将临时构建、临时荷载、永久荷载、结构材料、施工环境等各方面纳入到力学分析和控制技术中。
一、大型复杂钢结构的一体化协同时变分析系统
大型复杂钢结构施工过程是一个统一有序和完整的施工过程，其中，对建筑设计、建筑材料、荷载、施工设备间的作用、施工环境和温度、施工结构受力性能等方面的考虑是一个综合的动态过程[1]。因此，要想实现对大型复杂钢结构的施工力学有效分析就要从整体上建立一个一体化的协同时变的分析系统，这种综合分析系统在国外和我国国内重大的大型复杂钢结构中应用效果显著。
这种施工力学和结构分析方法需要经过有限元建模、过程分析、施工控制、建筑成型结构的评估等几方面的综合分析过程，以此保证在结构施工过程中成型阶段的结构受力及位形、结构的安全性能和可靠性能都达到施工设计的标准。
（一）结构变形预调技术
無论是一般的建筑还是大型建筑，其建造过程都是一个动态的成长过程，在这个过程中，建筑结构逐渐形成、建筑材料逐渐成形、荷载增加，边界逐次出现。因此，在竣工时结构的变形和内力与施工过程中的路径和时间有密切联系。例如，在CCTV新台址主楼部分的倾斜和大悬挑结构就需要对给每个构建安装位形以定位构建的三维坐标和施工结构的成型状态达到设计标准。那么，其中的安装位形和设计位形之间的坐标差就是变频预调值，这也就是大型复杂钢结构的特点，不能仅考虑结构的预起拱值而是施工方案、顺序和结构的特点都在影响着结构的三维坐标的动态变化。所以可以对其进行分段倒拆迭代计算和阶段内正装迭代计算（如图1所示），可以降低迭代计算次数，提高收敛性，对结构的力学分析和受应力的考量非常有效。
图1 正装迭代法流程
（二）整体提升
这种技术主要应用在跨度较大的屋盖施工结构中。整体提升法通过提升塔架、提升拉索及提升设备来将在地面上拼装好的跨度非常大的屋盖结构提升到设计安装部位。在整体提升技术中会涉及到一些施工力学分析和控制的问题。首先，在对屋盖进行起提的过程中起受力状态及边界条件已经发生了变化，与结构设计中的标准不符，因此要对结构提升点位置及其周围的构件受力状态仔细的探究和分析；其次，在屋盖提升过程中，其结构与提升塔架、拉锁和设备等的作用力会影响到结构的安全受应力，对这一过程中的结构施工力学要进行详细的分析；再次，施工人员在分配提升塔和结构柱上的提升力的方法可以对易破坏构件进行保护；最后，对提升时风荷载、碰撞、断索和温度等情况下的提升系统的安全性能和受力分析也是比较困难的[2]。
因此，对整体提升结构施工的一体化模型分析，可以很好的解决结构提升时的钢结构位移而导致的计算收敛性的难题，从而形成平衡位形虚约束的解决方法。根据这种原理可以采用拟滑轮技术、冷冻升温技术和自动提升迭代计算法等。
（三）整体落架
这种技术也是解决大型复杂钢结构使用和施工过程中力学难题和固定钢结构整体的有效方法。主要是通过临时支撑起来的胎架进行分段拼装或高空组装，待施工完成后就可以将临床支撑胎架拆除并及时进行钢结构整体落架。这种整体落架技术是临时支撑胎架和柱体结构在互相作用力下的受力状态的转换过程。因此，最重要的是要对临时支撑胎架的设计、方案、过程进行预演和模拟才能保证临时支撑和主体结构间受力转台的合理转换。这种技术的一体化系统是根据非线性求解技术和生死单元技术并采用千斤顶单元、千斤顶接触单元和千斤顶间隙单元来模拟千斤顶上部在于主体结构接触及脱离过程中力学变化和错动情况下其有限抗弯刚度的作用力发挥程度。这种模拟能够实现对临时支撑胎架与主体结构间的接触、脱离、再接触、错动等方面的准确了解和分析，在实际施工中可以保证结构的安全性和层次性。
对大型复杂钢结构施工力学的计算和模拟有助于施工安全和质量保证，除了上述的三种处理方法外还有整体滑移、整体张拉、整体起扳（如图2所示）和依据施工成型过程的“活模型”结构设计等技术。
图2整体起扳施工方法
（二）大型复杂钢结构控制新技术
对大型复杂钢结构的控制主要是对钢结构的形和力进行控制。控制技术的革新和进步主要体现在对结构施工环境和温度的研究；提高张拉结构定长定尺的设计水平和敏感度，降低施工误差；提高对高层混合筒中筒钢结构混凝土收缩徐变形的分析力度；对焊缝收缩和施工合拢温度的控制技术的改进。
（一）优化复杂张拉结构施工方案
对于一些大型复杂钢型结构建筑的屋盖结构，最早使用车福式结构。例如，一些大型的体育馆，它的屋盖结构内环通常是柔性的索环，直径也比较大，对于这种屋盖采用整体张拉施工方案是比较合理的。而在当前很多大型复杂钢结构建筑中对大型屋盖的钢结构控制，采用复杂张拉结构方案较为合适，如，张拉环索、张拉径向索和顶升飞柱三种控制技术[3]。主要是对预应力较大的索先进行張拉，再对预应力较小的索进行张拉，这样就可以显著降低张拉过程中对千斤顶吨位的高要求。
（二）大型钢结构的施工环境和温度的新型分析和研究
不同的温度会对钢结构部件产生一定的影响，在热胀冷缩的影响下必然会对预应力大小产生作用，从而对张拉结构的刚度造成损害。因此，在控制复杂钢结构中对施工温度和环境也要有充分的认识，并依此改进和提高控制技术。钢结构成型下的索力和设计值间的差为△F，△F=A△T＋B△T1，其中，A与B受车福式结构边界条件和尺寸影响，且B≥A；△T是设计温度和安装温度差，△T1是环梁施工温度和拉锁施工温度差。由此，控制钢型受压环梁的制作环境的温度以及拉锁的制作环境温度是非常重要的。
结语
大型复杂钢结构的涌现和实际应用对力学施工和控制技术的要求越来越高，要采用一体化的协同时变分析系统来分析和模拟钢结构的力和形的动态变化。对施工结构、材料、设备接触等方面的受应力和控制技术进行改进和分析，在控制“形”的同时控制“力”，对力的变形和误差以及施工温度等进行精细分析和一体化建模，保证大型复杂钢结构施工的安全性和质量。
【参考文献】
[1]郭彦林，田广宇，周绪红等.大型复杂钢结构施工力学及控制新技术的研究与工程应用[J].施工技术，2011,1（10）.
[2]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，2008,9（20）.
[3]张庆林，刘禄宇，窦超等.复杂钢结构施工力学问题的研究与应用[J].施工技术，2009,12（8）.
关键词：钢结构；施工力学；控制新技术
Abstract: The rapid development of the construction industry and promote science and technology, as well as steel production increases every year, many large and complex steel structures in production and life, especially for large complex steel structure of large public buildings and areas of emerging plays an important effect. The current large and complex steel buildings are mainly concentrated in China, the innovative research of large, complex steel construction mechanics and control technologies and engineering applications has always been the focus of construction and difficult. Therefore, the construction of large, complex steel structure and mechanical control of new technology research and practical application is very meaningful, to promote large-scale construction steel structure and level of technology has an important help.Keywords: steel; construction mechanics; controlling new technology
中图分类号：TU391 文献标识码：A
我国钢材产量一直保持世界领先地位，并且广泛应用在建筑施工中，尤其是近年来出现的很多大型建筑中采用了复杂钢结构。例如，鸟巢、CCTV新台址主楼部分、深圳宝安体育场等多处大型复杂钢结构的实际应用案例。若不能够正确认识和分析钢结构使用和施工阶段的受力状态情况，就会极大的增加钢结构使用和施工阶段的安全风险，对施工质量无法保证。通常，一般的结构分析和设计理念只考虑了结构在使用阶段对不同荷载或组合作用下的受力效应，这种对安全性和实用性的分析和控制是不够准确可靠的，在一般建筑中效果较好但是在大型复杂钢结构中则是不适用的。因此，要提高施工力学的模拟分析技术和控制技术。将临时构建、临时荷载、永久荷载、结构材料、施工环境等各方面纳入到力学分析和控制技术中。
一、大型复杂钢结构的一体化协同时变分析系统
大型复杂钢结构施工过程是一个统一有序和完整的施工过程，其中，对建筑设计、建筑材料、荷载、施工设备间的作用、施工环境和温度、施工结构受力性能等方面的考虑是一个综合的动态过程[1]。因此，要想实现对大型复杂钢结构的施工力学有效分析就要从整体上建立一个一体化的协同时变的分析系统，这种综合分析系统在国外和我国国内重大的大型复杂钢结构中应用效果显著。
这种施工力学和结构分析方法需要经过有限元建模、过程分析、施工控制、建筑成型结构的评估等几方面的综合分析过程，以此保证在结构施工过程中成型阶段的结构受力及位形、结构的安全性能和可靠性能都达到施工设计的标准。
（一）结构变形预调技术
無论是一般的建筑还是大型建筑，其建造过程都是一个动态的成长过程，在这个过程中，建筑结构逐渐形成、建筑材料逐渐成形、荷载增加，边界逐次出现。因此，在竣工时结构的变形和内力与施工过程中的路径和时间有密切联系。例如，在CCTV新台址主楼部分的倾斜和大悬挑结构就需要对给每个构建安装位形以定位构建的三维坐标和施工结构的成型状态达到设计标准。那么，其中的安装位形和设计位形之间的坐标差就是变频预调值，这也就是大型复杂钢结构的特点，不能仅考虑结构的预起拱值而是施工方案、顺序和结构的特点都在影响着结构的三维坐标的动态变化。所以可以对其进行分段倒拆迭代计算和阶段内正装迭代计算（如图1所示），可以降低迭代计算次数，提高收敛性，对结构的力学分析和受应力的考量非常有效。
图1 正装迭代法流程
（二）整体提升
这种技术主要应用在跨度较大的屋盖施工结构中。整体提升法通过提升塔架、提升拉索及提升设备来将在地面上拼装好的跨度非常大的屋盖结构提升到设计安装部位。在整体提升技术中会涉及到一些施工力学分析和控制的问题。首先，在对屋盖进行起提的过程中起受力状态及边界条件已经发生了变化，与结构设计中的标准不符，因此要对结构提升点位置及其周围的构件受力状态仔细的探究和分析；其次，在屋盖提升过程中，其结构与提升塔架、拉锁和设备等的作用力会影响到结构的安全受应力，对这一过程中的结构施工力学要进行详细的分析；再次，施工人员在分配提升塔和结构柱上的提升力的方法可以对易破坏构件进行保护；最后，对提升时风荷载、碰撞、断索和温度等情况下的提升系统的安全性能和受力分析也是比较困难的[2]。
因此，对整体提升结构施工的一体化模型分析，可以很好的解决结构提升时的钢结构位移而导致的计算收敛性的难题，从而形成平衡位形虚约束的解决方法。根据这种原理可以采用拟滑轮技术、冷冻升温技术和自动提升迭代计算法等。
（三）整体落架
这种技术也是解决大型复杂钢结构使用和施工过程中力学难题和固定钢结构整体的有效方法。主要是通过临时支撑起来的胎架进行分段拼装或高空组装，待施工完成后就可以将临床支撑胎架拆除并及时进行钢结构整体落架。这种整体落架技术是临时支撑胎架和柱体结构在互相作用力下的受力状态的转换过程。因此，最重要的是要对临时支撑胎架的设计、方案、过程进行预演和模拟才能保证临时支撑和主体结构间受力转台的合理转换。这种技术的一体化系统是根据非线性求解技术和生死单元技术并采用千斤顶单元、千斤顶接触单元和千斤顶间隙单元来模拟千斤顶上部在于主体结构接触及脱离过程中力学变化和错动情况下其有限抗弯刚度的作用力发挥程度。这种模拟能够实现对临时支撑胎架与主体结构间的接触、脱离、再接触、错动等方面的准确了解和分析，在实际施工中可以保证结构的安全性和层次性。
对大型复杂钢结构施工力学的计算和模拟有助于施工安全和质量保证，除了上述的三种处理方法外还有整体滑移、整体张拉、整体起扳（如图2所示）和依据施工成型过程的“活模型”结构设计等技术。
图2整体起扳施工方法
（二）大型复杂钢结构控制新技术
对大型复杂钢结构的控制主要是对钢结构的形和力进行控制。控制技术的革新和进步主要体现在对结构施工环境和温度的研究；提高张拉结构定长定尺的设计水平和敏感度，降低施工误差；提高对高层混合筒中筒钢结构混凝土收缩徐变形的分析力度；对焊缝收缩和施工合拢温度的控制技术的改进。
（一）优化复杂张拉结构施工方案
对于一些大型复杂钢型结构建筑的屋盖结构，最早使用车福式结构。例如，一些大型的体育馆，它的屋盖结构内环通常是柔性的索环，直径也比较大，对于这种屋盖采用整体张拉施工方案是比较合理的。而在当前很多大型复杂钢结构建筑中对大型屋盖的钢结构控制，采用复杂张拉结构方案较为合适，如，张拉环索、张拉径向索和顶升飞柱三种控制技术[3]。主要是对预应力较大的索先进行張拉，再对预应力较小的索进行张拉，这样就可以显著降低张拉过程中对千斤顶吨位的高要求。
（二）大型钢结构的施工环境和温度的新型分析和研究
不同的温度会对钢结构部件产生一定的影响，在热胀冷缩的影响下必然会对预应力大小产生作用，从而对张拉结构的刚度造成损害。因此，在控制复杂钢结构中对施工温度和环境也要有充分的认识，并依此改进和提高控制技术。钢结构成型下的索力和设计值间的差为△F，△F=A△T＋B△T1，其中，A与B受车福式结构边界条件和尺寸影响，且B≥A；△T是设计温度和安装温度差，△T1是环梁施工温度和拉锁施工温度差。由此，控制钢型受压环梁的制作环境的温度以及拉锁的制作环境温度是非常重要的。
结语
大型复杂钢结构的涌现和实际应用对力学施工和控制技术的要求越来越高，要采用一体化的协同时变分析系统来分析和模拟钢结构的力和形的动态变化。对施工结构、材料、设备接触等方面的受应力和控制技术进行改进和分析，在控制“形”的同时控制“力”，对力的变形和误差以及施工温度等进行精细分析和一体化建模，保证大型复杂钢结构施工的安全性和质量。
【参考文献】
[1]郭彦林，田广宇，周绪红等.大型复杂钢结构施工力学及控制新技术的研究与工程应用[J].施工技术，2011,1（10）.
[2]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，2008,9（20）.
[3]张庆林，刘禄宇，窦超等.复杂钢结构施工力学问题的研究与应用[J].施工技术，2009,12（8）.