大跨度张弦梁结构张拉施工方案优化探讨

摘要：施工优化不同于一般意义上的优化，它是针对不同的施工过程而进行分析，其目的

是从有限个结构时变过程中优选出满足施工实际力学要求的时变过程。对于大跨度张弦梁结构，合理选择和确定下弦拉杆(索)张拉的具体方案是施工的关键之一，同时也是零状态的决定因素之一。

关键词：大跨度钢结构;施工力学;优化

1. 引言

结构工程建设有两个关键环节，即设计和施工。提高建筑物的质量的同时降低工程成本的重要措施是对这两个环节进行优化。有关结构设计的优化，传统的做法是依据初定的建筑物及各种内外条件，在力学框架和基础上求取建筑物对于内外条件的响应，即传统的工程设计是依据规范和经验，确定设计方案，进一步计算分析并验算初定结构物是否满足各种内外荷载及使用要求。这类设计过程的优化深度取决于设计者的经验、水平，以及反复计算分析次数，最终找到一个相对理想设计方案，但一般不是最佳方案。其原因在于每次计算均以结构物最终形态为基础，而未能将施工过程中结构物的受力和变形加入考虑，而这部分工作恰恰留给工程建设的第二个环节，即施工方面的考虑。传统意义上，由于受力学计算方法以及求解的困难所限，尽管施工方法经过多次优化，实际上仅仅是几个方案的比选，没有真正意义上的优化。

施工力学的提出和应用，给优化分析带来了新的飞跃。施工过程是一个时变概念，随着力学分析的发展，设计对象可以不给定，是可变体，力学分析的目的不是上述讲的响应，而变为求取最佳对象，这才是真正的优化分析。设计者应该充分运用对可变体的优化分析，以施工过程中变化结构的内力峰值为基础来考虑设计，对于大型复杂结构要改变传统设计和施工之间的矛盾，要么按这里提到的时变过程优化设计，要么选择合理路径优化施工方案，使得施工的方式、工艺、进度等满足已有结构设计的要求。

施工优化是一个复杂的问题，它建立在对施工过程时变力学问题清楚认识的基础上、可靠的分析计算。原因在于施工过程是结构体系不断变化，由不完整逐渐完整，承受不断变化的外部荷载。整个过程中构件内力分布不断变化，重分配，其内力最大值发生的时空点及大小与设计者的控制点或布置有所差异，严重时将导致结构的不安全甚至破坏，所以施工过程的优化显得十分重要，它是相对不断改变的过程系统而言。时变力学施工优化往往不是传统意义上对某些参数与形状的优化，是优化路线，这是优化领域的新问题。其优化模型的建立涉及整个施工力学分析全过程，优化方法与理论和常规(完整)结构的优化有许多不同，核心问题是变化的过程。选择适当的施工流程，不但会减少施工结构或构件的内力和变形，提高安全度，而且会降低对周围环境的影响。因而施工路径的优劣问题就是施工优化的关键，在工程中具有深远意义。

张弦梁结构在预张拉及胎架下落工程中将会产生较大的位移，所以张拉、落架的施工顺序对于结构各构件的应力、变形历史将产生很大的影响，它可能影响施工工程的安全可靠性。因此，施工循序的优化对于保证施工质量、结构强度以及构件的整体和局部稳定性有着非常重要的意义。张弦梁预张拉的施工顺序可分为两个层次：(1)单榀张弦梁的张拉方案及顺序，即张拉是一端、两端或花篮螺栓调节，花篮螺栓的调节顺序;(2)整个屋盖各榀预张拉顺序。施工顺序优化的目标，一是保证施工质量，张拉后达到初始态所要求的位形，二是保证施工过程的安全可靠，即变形、应力历史须在刚度、强度和稳定性要求的范围内。

2. 张弦梁结构张拉施工方案优化问题

2.1 优化问题

随着结构型式的不同，下弦所采用的构件形式也不同，通常有拉索和拉杆两种。张拉方式有从索的一端或两端拉拔，以及通过花篮螺栓调紧等。由于撑杆与下弦的每个节点都是三个轴力组成的汇交力系的平衡，所以，不论采用何种形式张拉，当结构设计图、下弦预张拉轴力及外荷载确定时，整个结构包括上弦、下弦和撑杆等各构件的应力状态决定于张拉完成后的最终状态，从这个意义上说，张拉施工方案对于最终状态各构件的受力及强度并不重要。但是，正如在土木结构工程中事故往往在施工过程中发生类似，张弦梁不同的张拉施工方案将可能在张拉过程中承受不同的变形及应力过程，即变形、应力历史不同，撑杆的转角及轴力等不同。通过以上的分析可以看出，撑杆在下弦张拉过程中的转角对于其本身及上下弦的受力、变形历史影响较大，甚至是起关键作用的。

2.2 优化算法

对优化问题进行通常的优化分析是一件非常复杂的事情。但张弦梁张拉过程中结构及受力变形具有以下特点：

(1) 张弦梁结构下弦段数一般相对较少，多则10多段(如上海浦东机场屋盖)，少则寥寥数段，如深圳会展中心为6段，因此，采用计算机作优化分析时，有关张拉跨段的确定可采用枚举法进行优选;

(2) 尽管张弦梁结构张拉过程是一个大位移、大转动、小应变过程，但当转动角度较小时(即优化目标参数)，其几何非线性程度不是很强。

根据以上特点，对该问题采用基于正问题求解的优化分析，同时，正问题的分析采用线性化近似计算，确定优选的张拉段，并初定每段的张拉量，然后通过基于几何非线性的找形分析确定每段准确的张拉量及零状态。这是张拉施工方案优化的一种线性预测-非线性校正的方法。

3. 张拉施工方案优化算例

下面以例子进行张拉施工方案的优化分析。假设某结构上弦梁单元横截面面积为 0.0282m2，弹性模量为 210GPa，抗弯刚度 2.14E6kN.m2;撑杆截面积为 0.0025m2，弹性模量为 210GPa;下弦截面积为 0.001256 m2，弹性模量为 180GPa;下弦的预张拉力为 800kN。结构一端为固定铰支座，另一端为水平滑动铰支座。

首先确定张拉段数k，这里取 k=2，有C 217种张拉组合。对试验中所有张拉组合下的线性预测结果，可以找出在第 11、14 两端进行张拉时各撑杆的转动角最小，预测得到的温降值为 184.44K 和 187.69K。同时，从结果可以看出，对于这个算例，除了从靠近端部的索段施加张拉时撑杆转角较大外，其他张拉组合对应的撑杆最大转角相差不是很大。这也说明，端部张拉从结构的变形和受力历史来看不是很好，但施工方便。

按这里优化预测的张拉方案及找形算法，得到零状态，确定的温降值为 171.70K 和 174.72K。与端部张拉对应的零状态比较，这里的撑杆转角相对较小，结构位形更规则。由于不同的张拉施工方案对应的零状态不同，特别是撑杆在张拉过程经历转动的角度不同，其应力历程也会有较大的区别。

可以看出，按优化的方案施工时，由于转动角度较小，应力时程基本为线性变化的，其它两种方案转动角度较大，对应的应力时程相对复杂一点，特别是单独右端张拉的方案，应力变化幅度、梯度较大，特别是还会出现受拉的过程，这对于施工过程中的安全可靠性不利。

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