大跨度钢结构分步施工模拟方法

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1、万方数据第38卷第9期2010年9月华南理工大学学报(自然科学版)JournalofSouthChinaUniversityofTechnology(NaturalScienceEdition)V01．38No．9September2010文章编号：1000-565X(2010)09·0123·04大跨度钢结构分步施工模拟方法木潘多忠1魏德敏2(I．华南理工大学土木与交通学院，广东广州510640；2．华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州510640)摘要：针对施工过程中结构几何及边界条件随时间不断变化这一

2、施工力学分析难点，基于先装和后装结构间可通过节点设计构造预夹角的工程实践，提出“生死”子结构先后独立求解、调整“死”结构边界节点转动约束条件的施工模拟方法．分别针对“死”结构为静定和超静定的体系，阐述了两种边界转角条件的调整方法，推导了“生死”子结构的有限元方程，并用该方法对典型算例进行分析、模拟．结果表明，该施工工艺便于后装结构加工且后装结构变形较小，施工完成后结构更接近设计原型．关键词：大跨度钢结构；施工模拟；分步施工；生死单元法；边界转角；独立求解中图分类号：TU35doi：10．3969／j．issn．1000-

3、565X．2010．09．023随着大型钢结构的不断发展，其施工方案更加复杂，施工力学问题逐渐受到关注．大型钢结构通常需要历经漫长的工期，经多阶段分步施工后由子结’构逐步组装形成，伴随着施工临时支撑的拆除，存在施工荷载．施工过程的力学特征主要包括结构的几何参数、边界参数和荷载参数随时间的变化⋯．这些参数的时变效应将以附加应力和附加变形的形式累积到最终结构中，应进行定量分析确定；施工过程中可能会发生由于结构不完整导致不堪施工荷载的情形，须进行施工过程力学分析以保证结构的安全性。除了结构参数的时变外，施工过程力学分析的主要难

4、点是伴有的几何非线性和边界非线性．目前的分析方法包括有限单元法、时变单元法和拓扑变化法¨J，其中有限单元法理论完备，已经成为广泛应用的数值分析方法，并发展出成熟的商用软件，可以很好地解决非线性问题．基于有限元理论模拟参数时变的方法有生死单元法和分步建模技术等【2引．分步施工时，往往需要将结构分为几个子结构分别放样加工，通过对交界节点进行设计，实现交汇于此的子结构之间形成指定的夹角．利用这点，在依次安装子结构时，后装与先装子结构之间可以在建筑几何指定的夹角上叠加一定预夹角．可以通过迭代调整预夹角，使得结构安装完成后，参数时

5、变效应累积抵消预夹角，最终变形到建筑几何外形．文中在此基础上提出了一种施工模拟的新方法，生、死结构独立形成有限元控制方程，“生”结构先求解，将求得的“生死”结构交界点位移作为“死”结构的位移边界条件，并放松死结构的转动约束进行求解．先后独立求解的方法避免了整体求解时刚度矩阵病态的可能，与分步建模技术的基本思想一致；对死结构转角边界进行处理可以减弱其变形，从而避免结构畸变，对工程施工有着实际意义．1“生死"子结构的有限元控制方程单元生死技术通过单元的生和死实现求解域的时变，即通过在结构整体刚度矩阵中增加或消除相应构件单元的

6、贡献来模拟构件的安装或拆除，同时修改整体荷载矩阵来模拟构件上荷载的产生和消失．在分析结构施工时，开始一次性建立结构体系及施工过程中所有的临时辅助构件的模型，随后对应收稿R期：2010-03-09*荩金项目：科技部重大基础研究前期研究专项项目(2004CCA03300)作者简介：潘多忠(1962一)，男，博士生，高级工程师，主要从事钢结构施工力学研究．E．mail：ddp201@126．corn万方数据124华南理工大学学报(自然科学版)第38卷施t未开始状态杀死全部单元．然后随着施工的进行，根据施工顺序分批激活相应施工阶

7、段的结构段，根据实际情况激活或杀死辅助单元．假设一个工程由Ⅳ个依次安装的子结构组成，对每个单元形成单元局部刚度矩阵r和局部荷载向量Jre，进行坐标转换到整体坐标系下，组装得到初始的全系统有限元方程：Ku=F(1)其中：K为整体刚度矩阵；比为位移向量；F为荷载向量．结构的整体质量矩阵肘可由单元质量矩阵"组装形成．在施工过程中任一阶段，结构构件可根据其生死状态分为两类：处于激活状态的生单元，标记为A子结构；处于死状态的单元，标记为D子结构．全系统有限元方程可写为(K“+Ko)比=F(2)其中：∥、Ko分别为生、死子结构的刚度

8、矩阵．从而有限元离散后得到的节点可以据此划分为3类：A子结构内部节点，标记为a；D子结构内部节点，标记为d；生死子结构交界上的共用节点，标记为b．将共用节点作为边界，可分别对生、死子结构形成控制方程：∥阱陋剖州引㈩矿卧陵L舯．]『-Ⅱ．D--。]jL-hJ2(4)式中：上标A、D表示此参数属于生、死子结构；刚度矩阵的