复杂钢结构施工过程仿真综述

复杂钢结构的施工过程仿真的研究综述摘要：本文对复杂钢结构的施工过程仿真的一些研究进行分析，为相关工程技术人员的提供有价值的参考。

关键词：复杂钢结构，施工过程，仿真
1.课题的提出
复杂钢结构的施工安装过程是一个从部分到整体的过程，即构件→部分结构→整体结构这样一个动态变化的过程。

在这样一个时变的过程中，结构构件的数量、体量规模、刚度矩阵、边界条件、荷载状况等均在随时间的变化而不但发生改变，进而使得结构体系和传力途径也在不断发生转换，此外，施工工艺和结构安装顺序的不同也会使得结构成型过程中的受力状态出现显著差别。

传统的结构设计方法只关注结构的最终成型状态的受力与变形，而对于复杂钢结构，施工过程中变化的因素很多，结构的危险工况一般出现在施工过程中，因此，不仅要重视结构的最终设计成型状态，更应该关心结构的施工安装成型过程。

据有关资料统计，建筑工程事故中约有78%是发生在施工阶段，通过对事故原因的调查分析得出结论，其中因结构设计时未能考虑施工过程中诸多因素或对施工过程中
复杂与突发情况事前未进行应有的受力分析而引起的约占到了36%；而且，复杂钢结构通常用于体量规模较大的体育场馆、会议中心、展览中心等大型的公共建筑，其结构庞大复杂，施工方法和施工工艺繁琐，一旦产生施工安全隐患，其后果将是不堪设想的[1]。

由此，为了确保复杂钢结构在整个施工过程中的安全性和成
型后整体结构的可靠性，必须对结构施工过程进行必要的力学分析，找出最不利工况，求得施工控制参数，并依据此参数对施工过程进行科学合理的控制。

截至到目前，国内外一些高校和科研机构的专家、学者和教授已经对桥梁结构、高层建筑和部分大型钢结构的施工过程进行了一些相关的研究，而且施工力学分析与控制这一课题也逐渐受到土木工程领域专家的重视。

但是，对巨型钢框架结构及柔性悬挂结构组合而成的杂交复杂钢结构体系的施工过程研究目前还极为少见，采用计算机对巨型钢框架结构及柔性悬挂结构组合而成的杂交复杂钢结构体系的施工过程进行力学仿真分析，找出最不利工况，求得施工控制参数，并依据此参数对施工过程进行科学合理的控制，从而保证结构施工的安全性，这仍是一个值得深入研究的课题。

2.仿真技术的应用综述
目前，计算机仿真技术已广泛应用于军事、工业、农业、交通运输和医学等各个领域。

近年来，计算机仿真技术在结构工程中的应用日益普遍。

国内外很多学者已在这方面做了大量的工作，如美国康奈尔大学的cundall教授采用离散单元技术模拟了岩石边坡的渐近过程；日本东京大学有关学者运用计算机仿真技术对钢筋混凝土框架结构在遭遇强烈地震作用时的倒塌过程进行了仿真分析；国内清华大学江见鲸教授等对混凝土构件的破坏过程进行模拟；同济大学顾祥林教授等对混凝土结构基本构件、钢筋混凝土杆系结构在不同外界干扰作用下的破坏过程以及钢筋混凝土框架结构在单调
荷载作用下的倒塌反应进行过仿真分析。

目前，关于复杂钢结构的施工仿真技术方面，仿真技术多是在工程投标阶段的技术标中采用，而实际的结构施工阶段还较少采用施工仿真分析的结果，主要原因是目前的仿真技术与实际施工状态之间还存在一定的差别。

复杂钢结构仿真研究方面，国内的清华大学、同济大学、浙江大学、华中科技大学、北京交通大学、深圳大学、上海理工大学等都在结合具体的工程实践及相关课题对复杂钢结构施工过程的分
析理论、分析方法进行探索研究，并且积累了一些有用的理论与实践经验。

华中科技大学的李红波、王晓鸣在ug平台上探讨ug三维可视化仿真软件，并对结构的施工全过程进行了“预演仿真”和“反演仿真”的决策优化，建立三维可视化仿真施工全程虚拟技术流程。

深圳大学的李景茹使用c++语言，并且将之与gis地理信息系统结合，从而开发出了混凝土坝施工的三维动态可视化仿真软件。

文献[1]中浙江大学袁行飞、董石麟提出了施工反控制法来模拟索弯项的施工；文献[2]中罗尧治、胡宁、董石麟对“折叠展开式”整体提升法在提升过程中机构的受力及结构动力响应问题进行了
研究；文献[3]中沈祖炎，张立新提出了用非线性有限元法来模拟索弯顶的施工：文献[4]中卓新，董石麟提出了大跨球面网壳悬挑安装时的施工内力分析方法：文献[5]中李永梅、张毅刚、杨庆山提出了索承网壳结构施工计算的循环前进分析方法，并对索网结构
施工状态的实时跟踪分析与控制进行了研究；文献[6]中清华大学郭彦林、刘学武建立了施工过程分析的有限元模型，对其进行施工全过程跟踪模拟分析，给出施工过程结构的内力发展和变形变化的过程；文献[7]中郭彦林、刘学武还做了施工过程锁定内力分析及施工方案优化、文献[8]中郭彦林、刘学武提出了施工变形预调值的确定、柔性结构成型过程分析、大跨度钢结构拆撑过程分析、文献[9]中郭彦林对国家体育场钢结构屋盖落架过程进行了模拟分析等；文献[10]中北京交通大学唐兴国、钟铁毅等使用ansys 生死单元技术，对超高层钢结构的施工过程进行数值模拟分析，考虑了分层加载、结构刚度逐层修正，详细模拟计算了结构在施工中的应力变化过程；文献[11]中南阳油田油建公司包建聪等做了大屋盖钢结构整体提升点位的研究；文献[12]中上海建工集团伍小平等做了国家大剧院钢壳体施工全过程模拟分析。

但是，这些研究还主要是集中在一些特定结构成形方面，研究内容还比较零碎，没有形成系统。

其原因一方面是因为施工过程仿真分析研究起步较晚，更重要的还是由于复杂钢结构施工过程受不同施工工艺、施工顺序的影响较大，并且在施工过程中影响因素非常多，这些因素之间又相互关联，这又增加了施工全过程模拟分析的难度。

目前，还没有能够真正指导复杂钢结构施工全过程分析的实用理论，但现阶段做的比较好的有：文献[13]中提出了施工阶段状态变量叠加法，这种方法将各施工过程计算所得的相应内力与位移分
别叠加，作为施工完毕后结构的最终内力和位移来实现对结构施工全过程的分析；文献[2]中提出了基于非线性有限元方法的多阶段施工全过程分析理论：这种方法将不同施工阶段的时间顺序作为变量，在各个施工阶段下，将本施工阶段工况下的结构、荷载、约束条件等，分别进行计算，并且将前一个施工工况的内力与变形等结果作为后一个施工工况的初始条件，考虑后续结构的施工对前面已成型结构的影响，如此不断进行各个施工工况的叠加计算，直至整个结构安装完成达到最终的成型状态。

参考文献
[1] 袁行飞，董石麟．穹顶结构施工控制反分析[j]．建筑结构学报，2001，22(2)：7
[2] 罗尧治，胡宁，董石麟等．网壳结构“折叠展开式”计算机同步控制整体提升施工技术[j]．建筑结构进展，2005，7(4)：27-32
[3] 沈祖炎，张立新．基于非线性有限元的索弯顶施工模拟分析[j]．计算力学学报，2002，4(3)：67-70
[4] 卓新，董石麟．大跨球面网壳的悬挑安装法与施工内力分析[j]. 浙江大学学报，2002，36(2)：148-151
[5] 李永梅，张毅刚，杨庆山．索承网壳结构施工张拉索力的确定[j]．建筑结构学报，2004，25(4)：77-81
[6] 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，2007，37(9)：1-8
[7] 刘学武，郭彦林. 钢结构施工变形预调值及分析方法[j]. 工业建筑，2007，37(9)：9-15
[8] 郭彦林，郭宇飞，高巍，等. 国家体育场钢结构屋盖落架过程模拟分析[j]. 施工技术，2006，35(12)：36-40
[9] 唐兴国，钟铁毅. 北京电视中心高层钢结构施工模拟分析[j]北京交通大学学报，2006，30(1)：59-62
[10] 包建聪，乔聚甫，路克宽. 大屋盖钢结构整体提升点位的研究与应用[j]. 钢结构，2005，20(5)：72-74
[11] 伍小平，高振锋，李子旭. 国家大剧院钢壳体施工全过程模拟分析[j]. 建筑结构学报，2005，26(5)：40-45
[12] 卓新，董石麟．施工阶段内力与变位叠加法及其应用[j]．浙江大学学报，2003，37(5)：557-559。