钢结构施工力学有限元模型研究

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随着我国经济的发展，大跨度空间钢结构的形式也日趋复杂，施工过程对结构的影响不能忽略。用施工力学的方法对施工过程进行预分析，不仅可以优选结构施工方案，而且保证施工过程中结构的安全性以及竣工状态结构的内力和位形满足设计要求。本文基于ANSYS、MARC等大型有限元平台上，并充分考虑施工步骤，等的影响，对结构施工进行跟踪模拟分析。

引言

大跨度空间钢结构其荷载、刚度以及边界条件是分步形成的，呈现出时变的特性，仅仅按照传统设计方法考虑整体结构建模，进行一次性施加荷载是远远不够的，施工过程力学的多变性对结构内力、荷载、刚度和变形的影响更大，结构施工完成后须满足正常承载力状态和变形极限状态两个基本条件。

钢结构施工力学原理

所谓施工就是把结构一定的次序先后形成，钢结构施工也不例外，但是钢结构在施工过程中整个结构的几何形状、荷载、刚度和边界条件是不断发生变化的，其特点是施工过程中上一阶段的结构内力和位移将会会对下一阶段的内力和位移产生影响，即已施工的结构相对于要建结构来讲已经有初始内力、初始变形和初始应力，而要建的结构将对已施工结构的受力状态也将产生内力和变形的影响。

施工力学分析方法

ANSYS是一个通用的大型有限元软件，大多数单元都具有被“激活”和“杀死”的功能，通常称为生死单元功能，即通过控制单元的“生”和“死”来模拟施工过程的构件先后顺序，结构的刚度矩阵、位移矩阵、荷载矩阵随着结构的增加不断地修正，不断地迭代计算，从而求得最后的结果。其功能可以描述如下：（1）“激活单元”是指结构按照先后顺序依次“激活”这一阶段的单元，并施加这一阶段所对应的荷载，不断地计算得到结构的内力与变形。如果结构上未作用新的荷载，结构的某些单元被激活，原有结构所产生的内力和变形不发生变化；结构上的新增荷载与原有的荷载一起影响结构的刚度，从而重新修正刚度，影响了结构的内力与变形，跟踪模拟结构的全变形。（2）“杀死单元”是指使单元处于初始状态即没有任何变形和内力的作用，这样结构在某一状态下，某些构件失效，那么它的荷载与刚度就发生了变化，对其他的结构也就产生影响。

钢结构施工有限元分析

1.钢结构施工分离建模

分离建模技术，即按照结构形成的先后顺序建模，但是实际工程建模较复杂，结构的截面信息、所施加的荷载、连接情况有很多的不同，从而采用一套不变的建模方案则是不可取的，也是很麻烦的，分离式建模技术则是把相同的信息放在一起，形成总的刚度矩阵，这样把所有的矩阵集成整体矩阵，从而省掉了不必要的麻烦，也给计算带来的方便，加速计算与处理，保证了结果的准确性，所以大型结构建议采用分离式建模。

2. 钢结构施工有限元分析

结构在施工过程中是逐层承受荷载的，并引起结构相应的内力和变形，每次对结构施加荷载时，结构便形成刚度，便产生内力与变形。当增加下一结构时，所施加的荷载与原来形成的荷载一起影响结构的变形与内力，这样不停地变化，内力与变形也在不停地发生变化，每次形成矩阵不断地迭代求解，有限元则是采用单元生死技术来控制结构的先后顺序，模拟变形，得到所需要的结果。

结构施工建模步骤如下：（1）建立构件三维空间有限元模型，形成结构整体刚度矩阵；根据施工步骤划分施工阶段，分阶段建模。（2）利用有限元软件ANSYS的单元生死技术钝化所有施工步（包括构件及其相应的边界条件、荷载和约束），先将整体结构建模，按照施工的顺序，将未建造结构单元的刚度矩阵乘以一个很小的缩减因子，即单元生死系数，这样单元就处于失效的状态下；（3）将单元载荷、质量、应变和刚度设为0值，未建结构单元的质量、刚度对已建结构不产生任何影响。（4）按结构实际施工顺序，激活当前安装施工步，逐层激活结构单元，使单元载荷、质量、刚度等随着施工的顺序发生变化，从而不停地迭代计算来模拟结构逐级加载的情况。（5）每激活一次结构单元，就计算一次结构总刚度矩阵，结构总刚度矩阵逐步得到修正，结构的内力和变形不断地变化，模拟的应力应变也随着发生变化。

结论

（1）钢结构施工力学问题属于时间与空间相互关联的力学问题，分析的难点在于结构时变、材料时变以及边界时变的模拟。

（2）采用单元生死技术与分离建模相结合，多步骤分析求解，不断实现结构刚度矩阵修正，模拟结构施工的全过程。

（3）简单的结构的受力分析可采用单元生死技术，而对复杂结构的受力计算则采用分步建模技术会更方便、更精确。

（4）根据结构的施工模拟结果，选择合理的施工方案与工艺，优化结构的设计，使得实际工程施工更加安全。

（作者单位：邢台市政建设集团有限公司）