基于向量式有限元的大跨度钢结构施工力学分析方法

工作中受压而不受拉的特点，可采用与张拉索单元类似的模拟方法，建立千斤顶单元的内力计算公式.不同的是，千斤顶单元只能受压不能受拉，因此，当fA2B2>0时，E0=0.

3 大跨度钢结构施工力学分析

施工力学分析方法主要包括有限单元法、时变单元法和拓扑变化法等.时变单元法是指离散网格不变，通过单元大小的变化来实现求解区域的变化，但存在数值积分稳定性问题.拓扑变化法应用拓扑学原理用数值手段实现求解区域的变化，但要求时变次数不能太多，否则计算效率不高.有限单元法因为理论成熟，易于程序化，得到了广泛的应用.但对于大变形、大变位甚至刚体位移等非线性过程的求解往往很难收敛.本文采用向量式有限元方法，可根据实际施工顺序通过确定新增单元或节点，直接建立新增构件加入初始模型进行分析.由于向量式有限元求解本身即为动态求解过程，因此不需调整参数，真实模拟实际施工顺序，跟踪受力和变形过程.

3.1 算例1

如图3所示的悬臂梁结构，分为4段施工，仅考虑自重荷载，后续构件的安装按照切线的方式进行.悬臂梁截面规格为H1400 mm×500 mm×10 mm×22 mm，材料弹性模量为2.06×105MPa，密度为7.85×103 kg/m3.

采用大型通用有限元软件ANSYS中的生死单元法和本文方法分别计算各阶段节点挠度，结果如表1所示.考虑在施工过程中，两者均按照切线方式进行下一步施工，对比生死单元法和本文方法可知，两者结果相差不大，这表明本文方法是有效的.

3.2 算例2

如图4所示两端为铰支座的索桁架初始态，拉索均为无应力长度，粗实线表示钢拉杆Φ102 mm×6 mm，弹性模量2.06×105MPa，细实线为拉索Φ20，弹性模量1.6×103 MPa，密度均为7 850 kg/m3，不考虑自重影响.通过张拉AD和CD两根拉索对索桁架进行预应力张拉，直至最终态（见图5）.

建立向量式有限元模型，其中杆件BD采用杆单元，拉索AB和CB采用索单元，拉索AD和CD采用张拉索单元.对拉索进行张拉有两种模拟方式：一是设置阻尼系数，采用拟静力分析的方法，拉索长度一次变更到原长，忽略拉索长度变化及预应力建立的过程，得到最终成形状态；二是设阻尼系数为零，采用动力分析的方法，拉索长度以一定的速度逐渐变化至原长，这样可以跟踪模拟预应力在整个结构中建立的过程.

图6和图7分别给出了采用这2种方法得到的单元内力和节点竖向位移时程曲线，其中阻尼系数为0时，拉索提升速度为4.06 mm/s.

由图6和图7可知，当阻尼系数为20时，拉索原长突变，内力和位移曲线均产生振动，但随着阻尼力的作用逐渐趋于最终结果；当阻尼系数为0时，因为拉索原长以缓慢的速度变化，产生的振动较小，而内力和位移均缓慢增加，最终也达到了平衡状态.算例表明，采用两种方法得到的最终结果是一致的，内力为6 933.4 N，竖向位移为250 mm，且与理论解一致.

4 工程实例

南京水利科学研究院河口海岸深水航道试验大厅屋盖采用大跨度张弦桁架结构体系，跨度达119.8 m，上部钢屋盖支承于下部型钢混凝土框架柱，一端简支一端滑动（图8）.屋盖由18榀张弦桁架组成，单榀桁架采用倒三角截面立体管桁架形式，矢高7 m，垂度5 m，总高12 m；下弦拉索采用PES7-163缆索，弹性模量1.95×1011MPa，施加预应力1 190 kN.根据工程特点及施工条件，采用单榀桁架带胎架张拉，支撑胎架与桁架之间通过千斤顶连接，支撑胎架卸载后，桁架沿轴向累积滑移技术进行钢结构安装.支撑胎架采用2.0 m×2.0 m格构式标准节，高22.0 m.立杆采用L152×6，横杆采用L75×6，斜杆采用L100×6，柱顶连梁采用I20a，如图9所示.

根据实际施工过程，首先在胎架上拼装上部刚性管桁架，然后挂索并进行张拉，利用向量式有限元可以首先将拉索的弹性模量设为零，分析上部管桁架自重作用下的受力状态，然后改变索长进行张拉模拟.由于本工程为单榀张拉施工，本文对钢结构屋盖端部的第一榀张弦桁架施工张拉过程进行模拟分析，跟踪结构位形及内力变化.

建立向量式有限元模型，管桁架使用梁单元模拟，撑杆为杆单元，考虑张拉过程实际情况，假定拉索的端部索段为原长可以改变的张拉索单元，以此模拟张拉过程，中间索段为只受拉不受压索单元.桁架下部采用双拼格构式支撑胎架，桁架与支撑胎架之间通过千斤顶单元连接.时间步长取为0.000 12 s.

图10和图11分别为上部钢桁架跨中竖向位移和支座节点水平位移时程曲线，图12和图13分别为拉索内力和千斤顶内力时程曲线.0～1.2 s为钢桁架拼装阶段，设阻尼系数为30，拟静力计算跨中位移逐渐达到静态稳定；1.2～13.2 s为预应力张拉阶段，令阻尼系数为0，进行动态分析，位移和内力逐渐增大，但在6.6 s左右时跨中位移和内力均有突变，这是由于在6.6 s时千斤顶内力变为0，由图13可知，此时钢桁架脱架.当时间为13.2～18.0 s时，令阻尼系数为30，位移和内力趋于稳定.最终得到跨中竖向位移为212.4 mm，支座节点水平位移为-77.1 mm，拉索内力为1 193.4 kN，千斤顶内力为零.

图14和图15均为采用大型通用有限元软件ANSYS程序根据目标索力进行找力之后的分析结果，跨中竖向位移和支座水平位移分别为211.0 mm和-76.6 mm.拉索索力为1 190 kN，临时支撑可以脱架.

5 结 论

1）本文基于向量式有限元的基本理论，推导了张拉索单元和千斤顶单元两种新型单元，实现了施工力学实时分析，编制了含有张拉索单元和千斤顶单元的结构计算分析程序，实现了预应力张拉过程分析.

2）编制了大跨度张弦桁架张拉施工分析程序，并针对具体工程进行了模拟，验证了理论推导和程序的有效性.但自编程序的计算效率与传统有限元相比还有待提高，可优化程度较大.

3）施工力学分析的难点在于施工过程中，结构的几何、材料和边界条件等均有可能随时间变化.相对于传统有限元分析方法来说，本文提出的分析方法从动力学方程出发，能够适应大变形、大变位等复杂非线性条件的分析，具有较强的适用性，且能够跟踪施工过程中的内力和位移变化情况，得到整个施工过程中内力和位移的动态时程曲线，监控施工过程的安全，对内力和位移较大的杆件与节点进行预警.

参考文献

[1] 向中富.桥梁施工控制技术[M].北京：人民交通出版社，2001：1-10.

XIANG Zhong-fu.Control technique for construction of bridge[M]. Beijing： China Communication Press， 2001：1-10.（In Chinese）

[2] CHIU H S. Long-term deflection control in cantilever prestressed concrete bridge I：control method[J]. Journal of Engineering Mechanics， ASCE， 1996， 122（6）：489-494.

[3] 杨孟刚， 陈政清. 自锚式悬索桥施工过程模拟分析[J]. 湖南大学学报：自然科学版， 2006， 33（2）： 26-30.

YANG Meng-gang， CHEN Zheng-qing. An analysis of construction stages simulation for self-anchored suspension bridges[J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences， 2006， 33（2）： 26-30.（In Chinese）

[4] 李瑞礼，曹志远.高层建筑结构施工力学分析[J].计算力学学报，1996，16（2）：157-161.

LI Rui-li， CAO Zhi-yuan. Construction mechanics analysis in tall buildings [J]. Chinese Journal of Computational Mechanics， 1996，16（2）：157-161.（In Chinese）

[5] LEVY M P.The Georgia dome and beyond achieving lightweight-long span structure[C]//Proceedings of IASS-ASCE International Symposium.New York：ASCE， 1994：560-562.

[6] GEIGER D H.The design and construction of two cable domes for the Korean Olympics[C]// Proceedings of IASS-ASCE International Symposium on Shells，Membranes and Space Frames.Osaka：ASCE，1986：265-272.

[7] 王光远.论时变结构力学[J].土木工程学报，2000，33（6）：105-108.

WANG Guang-yuan. On mechanics of time-varying structures[J]. China Civil Engineering Journal， 2000，33（6）：105-108.（In Chinese）

[8] 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，2008，40（2）：161-169.

LIU Xue-wu， GUO Yan-lin. Construction mechanics analytical procedures for steel structures in view of the geometric nonlinearity[J]. Journal of Xi’an University of Architecture & Technology：Natural Science Edition， 2008，40（2）：161-169.（In Chinese）

[9] TING E C，SHIH C，WANG Y K.Fundamentals of a vector form intrinsic finite element： part I. basic procedure and a plane frame element [J]. Journal of Mechanics， 2004， 20（2）： 113-122.

[10]TING E C，SHIH C，WANG Y K.Fundamentals of a vector form intrinsic finite element： part Ⅱ. plane solid elements[J].Journal of Mechanics， 2004， 20（2）：123-132.

[11]SHIH C，WANG Y K，TING E C.Fundamentals of a vector form intrinsic finite element： part Ⅲ. convected material frame and examples[J]. Journal of Mechanics， 2004， 20（2）：133-143.

[12]WANG R Z，CHUANG C C，WU T Y，et al. Vector form analysis of space truss structure in large elastic-plastic deformation[J]. Journal of the Chinese Institute of Civil Hydraulic Engineering，2005， 17（4）： 633-646.

[13]WANG C Y， WANG R Z， CHUANG C C， et al. Nonlinear analysis of reticulated space truss structures[J].Journal of Mechanics， 2006， 22（3）： 199-212.

[14]向新岸. 张拉索膜结构的理论研究及其在上海世博轴中的应用[D]. 杭州： 浙江大学建筑工程学院， 2010：114-124.

XIANG Xin-an. Theoretical research of cable-membrane structures and application on the EXPO axis project in Shanghai [D]. Hangzhou：College of Civil Engineering and Architecture， Zhejiang University， 2010：114-124.（In Chinese）

[15]朱明亮， 董石麟. 向量式有限元在索穹顶静力分析中的应用[J]. 工程力学， 2012， 29（8）：236-242.

ZHU Ming-liang， DONG Shi-lin. Application of vector form intrinsic finite element method to static analysis of cable domes[J]. Engineering Mechanics， 2012， 29（8）：236-242.（In Chinese）

[16]ZHU Ming-liang， DONG Shi-lin，YUAN Xing-fei. Failure analysis of cable domes due to cable slack or rupture[J]. Advances in Structural Engineering， 2013，16（2）：259-271.

[17]朱明亮，董石麟. 基于向量式有限元的弦支穹顶失效分析[J].浙江大学学报：工学版，2012，46（9）：1611-1618.

ZHU Ming-liang， DONG Shi-lin. Failure analysis of suspen-dome by vector form intrinsic finite element method[J]. Journal of Zhejiang University：Engineering Science， 2012，46（9）：1611-1618.（In Chinese）

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