大跨結(jié)構(gòu)的建造往往是一個長期的過程,通常都是分階段逐步完成的。結(jié)構(gòu)計算分析一般是假設(shè)結(jié)構(gòu)整體建成后,一次性加入結(jié)構(gòu)所要承受的全部荷載,即所謂的一次加載法。一次加載法把施工過程假定為一個靜態(tài)過程,忽略了施工過程對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響,從而導(dǎo)致建成后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形等于計算結(jié)果有較大出入。

施工力學(xué)分析與傳統(tǒng)力學(xué)分析最大差異在于分析對象的幾何(甚至物理、邊界)特性隨時間變化,是時間函數(shù),因此施工力學(xué)在學(xué)科上屬于時變力學(xué)范疇。時變力學(xué)是研究對象(包括幾何、物理、質(zhì)量與邊界等參數(shù))隨時間發(fā)生變異的力學(xué)學(xué)科分支,是由現(xiàn)代控制論派生而來,近代有許多工程與科技領(lǐng)域與此有關(guān),成為這些領(lǐng)域新的理論基礎(chǔ)之一。

目前,在橋梁工程、巖土工程和高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的施工力學(xué)分析理論有了一定的研究成果。但關(guān)于空間結(jié)構(gòu)施工力學(xué)分析的理論研究進(jìn)展不多尚不成熟,目前僅對一些結(jié)構(gòu)成形和施工過程密切相關(guān)的因素進(jìn)行了 一定的研究,比如羅務(wù)治等對“折疊展開式”整體提升施工中機構(gòu)的受力特性和動力響應(yīng)等進(jìn)行了相關(guān)研究。

國內(nèi)一些學(xué)者對索彎頂?shù)氖┕ぶ械氖芰Ψ治鲆沧髁艘欢ǖ难芯?袁行飛,董石麟提出了施工反控制法來模擬索彎頂?shù)氖┕み^程;沈祖炎等人提出了用非線性有限元法來模擬索彎頂?shù)氖┕?并通過實驗予以驗證;羅務(wù)治,沈雁彬提出了索承網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工計算的循環(huán)前進(jìn)分析方法,可實現(xiàn)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)施工狀態(tài)的實時跟蹤分析與控制;李永梅等人對網(wǎng)殼和網(wǎng)架的一些施工方法的施工分析(網(wǎng)殼安裝的內(nèi)擴(kuò)法)也有一定的研究];郭彥林等人對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的施工力學(xué)問題及分析方法、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究,歸納了近年來大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)亟待解決的問題,并對CCTV新臺址以及廣州新白云機場主航站樓進(jìn)行了施工過程力學(xué)分析。

范重等人在研究國家體育場的時候采用的各種模擬手段來模擬施工中的位移、應(yīng)力、變形、溫度效應(yīng)等,同時采用逐次“激活”單元技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)安裝進(jìn)行模擬計算,研究表明施工順序?qū)?gòu)件的內(nèi)力和變形影響顯著。這些研究取得了豐富的成果,為大跨鋼結(jié)構(gòu)施工過程模擬提供了 一定的經(jīng)驗。施工控制是為了確保施工過程中結(jié)構(gòu)的安全,保證結(jié)構(gòu)成形后變形及受力狀態(tài)基本符合設(shè)計要求。為了達(dá)到施工控制的目的,必須對分階段施工過程中每個階段的受力狀態(tài)和變形進(jìn)行監(jiān)測。

因此,必須采用合理的理論分析和計算方法來確定結(jié)構(gòu)施工過程中每個階段在受力和變形方面的實際狀態(tài),以便控制施工過程中每個階段的結(jié)構(gòu)狀態(tài),使其最終的成形狀態(tài)滿足設(shè)計要求。施工模擬計算方法主要有:一般迭代法、正裝迭代法、倒拆迭代法和無應(yīng)力狀態(tài)分析法等。

(1)  一般迭代法一般情況下,把結(jié)構(gòu)在自重及附加恒載作用下的位形值,反號疊加到設(shè)計位形上,即可得到變形預(yù)調(diào)值的近似值。但因非線性等因素的影響,需通過反復(fù)迭代法才能收斂到精確的變形預(yù)調(diào)值。迭代法可以用來計算滿堂腳手架法施工的結(jié)構(gòu)變形預(yù)調(diào)值,但不能計算懸臂施工法等情況下的結(jié)構(gòu)變形預(yù)調(diào)值。

(2)正裝迭代法設(shè)計位形作為安裝的初始位形,按照實際施工方案對結(jié)構(gòu)進(jìn)行跟蹤模擬分析,得到成型時的變形,把該變形反號疊加到設(shè)計位形上,即為初始位形。如果結(jié)構(gòu)在施工過程中非線性變形較強,基于該初始位形的施工成型位形將不能滿足要求,需經(jīng)過多次正裝分析且反復(fù)設(shè)置預(yù)調(diào)值才能收斂到精確的初始位形和分步位形,從而得到構(gòu)件的加工預(yù)調(diào)值和安裝預(yù)調(diào)值。正裝迭代法真實地模擬了實際施工的全過程,可考慮非線性等因素的影響,計算精確度高。但對于大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu),如施工過程中變形較大且復(fù)雜,采用正裝迭代法可能會出現(xiàn)因“死”單元漂移過大或發(fā)生畸變而導(dǎo)致算法不收斂。

(3)倒拆迭代法與正裝法對施工過程進(jìn)行正序的跟蹤分析不同,倒拆法是對施工過程進(jìn)行逆序分析,主要是分析所拆除構(gòu)件對剩余結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響。該方法在每一步的分析中可考慮非線性等因素的影響,而總變形和內(nèi)力的求解釆用了疊加原理,適用于分析非線性比較弱的結(jié)構(gòu)。倒拆迭代法計算變形預(yù)調(diào)值的基本思路為:根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計狀態(tài),考慮最后一施工步所安裝的構(gòu)件對剩余結(jié)構(gòu)變形的影響,根據(jù)該變形確定最后一施工步構(gòu)件的安裝位形。如此類推,依次倒退分析各施工步構(gòu)件對巳安裝結(jié)構(gòu)變形的影響,從而確定各構(gòu)件的安裝位置。倒拆迭代法僅可部分的考慮非線性等因素的影響,計算精度比正裝迭代法低,但可避免復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析過程中因“死”單元漯移過大而帶來的不收斂問題。

(4)無應(yīng)力狀態(tài)法將一座已建成的結(jié)構(gòu)解體,結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件或者單元的無應(yīng)力長度和曲率是一個確定的值。用構(gòu)件或單元的無應(yīng)力長度和曲率保持不變的原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析的方法稱為無應(yīng)力狀態(tài)法。其概念更加清晰,適應(yīng)性更強,利用結(jié)構(gòu)單元無應(yīng)力狀態(tài)量穩(wěn)定的特點,避免了施工中溫度和施工臨時荷載的影響,可適用于所有結(jié)構(gòu)形式的施工模擬,是一種用于施工模擬計算的新方法。