大跨度钢结构施工过程的结构分析方法研究

摘 要：采取有限元方法，对大跨度钢结构施工过程进行研究与分析，综合考虑钢结构施工步骤、荷载、支撑条件等因素，对钢结构施工进行全过程的模拟研究。

关键词：大跨度钢结构；结构分析；有限元方法

中图分类号：TU39 文献标识码：A

一、大跨度钢结构施工力学原理

大跨度钢结构施工属于连续化过程，其结构受力状态存在着变化过程。在钢结构上阶段施工后，其结构内力与位移则会对下一阶段刚阶段内力与位移产生一定影响，为此，在大跨度钢结构施工中应对每一个阶段的内力与位移状况进行跟踪与计算，从而获得准确的结构内力与结构位移累计效应。在大跨度钢结构每一阶段施工过程，均会产生一定的边界约束条件变化、构件增删、温度变化与预应力变化等，在计算过程中充分考虑这些因素可以保证计算结果的准确性。在力学研究与分析中，拉格朗日列式是描述物体运动的常用公式。按照拉格朗日列式描述，对位移度量属于固定在变形之前与变形之后的两个点上的相对运动。其描述方法在描述增量非线性分析时较为适用，在物体变形问题可以有效跟踪。在虚功原理的基础上应用拉格朗日列式获得几何非线性结构单元切线刚度矩阵：

其中，代表的是弹性刚度矩阵，代表的是几何刚度矩阵，代表的是非线性刚度矩阵。通过坐标转换，可以获得：

其中{U}代表的是结构位移列向量，{F}代表的是结构荷载列向量，[K（U）]代表的是整体刚度矩阵，属于位移向量函数。由此可以看出上公式为非线性公式，应用增量迭代法进行非线性有限元分析，可以获得结构变形的整个过程。其方法主要包括虚加弹簧法、位移控制法及牛顿拉斐尔方法等。

在施工过程中，如结构构件增加，则结构刚度矩阵会发生相应变化，设N为当前结构刚度，N-1为前一状态下结构刚度，则有：

其中，代表构件增加后刚度矩阵对总刚度贡献，代表新增单元的刚度矩阵对总刚度贡献。{U}N代表构件增加引起的节点位移列阵，{U}A代表的是构件增加后新增节点位移列阵。通过增量迭代方法可以将方程进行求解，可以获得全过程中构件增加对结构内力与变形影响。同理，可以获得构件撤除、荷载变化、外界条件变化下相应公式。

应用有限元软件对大跨度钢结构施工过程进行结构分析，其处理边界条件相对较为容易，处理构件增删与预应力动态变化相对较难。通过应用ANSYS软件中所具备的死活单元功能，借助计算机计算功能，开发出实现大跨度钢结构全过程跟踪分析的力学分析方法。

二、大跨度钢结构施工力学分析方法

如图1，为钢结构施工过程中新增单元与节点示意图。

在上图中，水平直线代表的是设计位置，虚线则代表的是钢结构安装过程中变形后位置，点划线代表新增构件。针对图1中所标示的三种情况，确定以下原则：第一，如新增构件与已有构件没有连接，则采取节点设计坐标为新的节点坐标。如图a，新节点o坐标则可以在已有构件JK延长线方向与设计长度|KL|进行计算，图b，JK属于结构中新增构件，不存在新增节点，其构件长度则可以通过变形后J与K节点长度进行确定。应用有限元软件，进行大跨度钢结构分析，其计算方法主要为：如新增构件与已有构件不存在连接，则可以应用设计坐标单元激活方式直接进行计算；如采取两节或三节为修正单位时，新增节点坐标则是应与设计位置重合；如新增单元向内合拢时，则新增节点坐标为设计位置没采取单元激活方法进行计算。以上是针对新增构件情况的研究，如进行边界变化情况、构件撤除等情况研究，则根据以上方法，应用有限元软件，可以获得其计算方法。通过这种方式，可以有效降低大跨度钢结构施工力学研究与分析的复杂性及难度，提高计算效率。

三、大跨度钢结构施工过程结构分析方法的实际应用

屋架钢梁采取的是H150×8-254×4规格焊接工字钢，应用Φ30圆钢为下弦拉杆，对施工过程中内力与变形情况是进行跟踪研究与分析。其研究过程主要分为两部分，第一部分：对结构施加q=4kN/m均布荷载；结构出现内力与变形后增加圆钢拉杆；设置集中向下F=20kN荷载于钢架跨中；第二部分为：在不施工荷载情况下，组装钢架与圆钢拉杆；对结构施加q=4kN/m均布荷载，并设置集中向下F=20kN荷载于钢架跨中，去除F=20kN荷载，在均布荷载基础上拆除圆钢拉杆。

通过对不同状态下钢结构位移与内力数据变化的分析，可以发现第一部分所采取的方法其外荷载小于第二部分，但其变形与内力变形却大于第二部分，说明圆钢拉杆可以有效控制结构在外荷载作用下产生大的变形。

结语

在大型钢结构施工过程中，对钢结构施工的过程中其强度、刚度及稳定性存在着明确要求，进行钢结构施工力学全过程分析是实现钢结构施工安全可控的重要措施。本文在分析钢结构施工结构力学分析原理的基础上，对大跨度钢结构施工力学分析方法与大跨度钢结构施工过程结构分析方法的实际应用进行了分析。实践证明，应用有限元对结构施工进行力学分析是可行且有效的。

参考文献

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