钢结构施工过程时变分析及控制关键技术研究与工程应用  
 
发布时间:2012-3-27 9:50:00

 

华大学教授、博士生导师郭彦林做为第一完成人的科研成果——《复杂钢结构施工过程时变分析及控制关键技术研究与工程应用》获得2011年国家科学技术进步奖(通用项目)二等奖。我国著名钢结构专家蔡益燕曾说:郭彦林在钢结构方面的创新项目很多,创新程度也很高,他参与了国家体育场、广州新电视塔等工程的研究工作,并将在工程中所遇到的技术难题上升到理论的高度进行扩展性研究。”1988年即开始执教的郭彦林已经桃李满天下,他的学生当中有企业的总经理或总工程师,也有行业主管部门的工作人员,最重要的是,他们都活跃在目前的钢结构行业,与他们的老师郭彦林一起为我国成为钢结构强国在不懈地努力。本报将分两次刊登获得2011年国家科学技术进步奖(通用项目)二等奖的《复杂钢结构施工过程时变分析及控制关键技术研究与工程应用》一文,敬请关注。——编者

施工力学计算理论与施工控制技术是与大型复杂钢结构工程建设同步发展的。目前,世界上已建成或在建的大型复杂钢结构工程项目主要集中在中国,其施工力学计算理论与施工控制技术一直是工程建设要解决的关键难题。《复杂钢结构施工过程时变分析及控制关键技术研究与工程应用》课题组(以下简称课题组)在我国大型复杂钢结构工程项目的施工技术研究与应用过程中,逐步建立和完善了复杂钢结构施工过程一体化协同时变分析系统及计算理论,解决了施工时变结构控制的关键技术难题,推动了我国复杂钢结构施工力学计算理论与施工控制技术的跨越式发展。

一、复杂钢结构施工过程一体化协同时变分析系统的建立与应用

针对以往在施工过程仿真计算中割裂了施工的连续性及施工体系各部分之间的相互作用等问题,我们建立了复杂钢结构施工过程一体化协同时变分析系统及计算理论。通过集成生死单元等现有技术和课题组创立的状态非线性求解技术、索滑轮自适应算法、千斤顶——接触单元、逐点去约束找形法等新技术,融合了施工过程中永久性构件的逐步安装、临时支撑的装配与拆除、施工临时荷载的出现与消失、温度与风荷载的作用等,能够真实地反映结构安装、边界条件、荷载作用以及材料性能的时变性;尤其善于精确分析时间与空间域上施工体系的演变,准确计算施工体系各部分之间的相互作用,精准把握施工成型过程中结构的内力和位形的连续变化与非线性累积过程。

课题组针对施工路径及施工变形发展过程特别复杂的结构,建立了其施工过程三维动态变形预调值计算的多阶段综合迭代法,有效地解决了央视新址主楼与广东省博物馆新馆变形预调值计算难题。

在将数字模拟计算技术有效地整合到结构整体提升、整体落架、整体滑移、整体张拉及整体起扳等新施工技术中,我们建立了准确评估施工方案和施工过程结构安全的数字化及信息应用技术。

在整体提升施工技术中,形成了提升体系安全保障机制,预防了设计状态和提升状态受力情况不同引起提升结构及胎架的潜在破坏风险;形成了提升力的合理分配机制,可自动控制提升总重量在结构柱及提升胎架之间的复杂分配关系;形成了全程时变控制机制,实现了对提升结构脱离胎架——提升——合龙——落架等提升环节数字模拟分析的无缝连接,揭示了提升结构体系与支承结构体系之间的复杂相互作用机理,并且能够在一个整体有限元分析模型中实现提升点位移不同步、提升过程中碰撞、断索等特殊情况以及风荷载、温度作用等荷载工况的自动分析与评估。

在整体滑移施工技术中准确实现了对滑移结构与滑移支承体系之间在不同位置、不同施工步的相互作用力的主动控制;在整体落架施工技术中,实现了对结构与胎架之间接触——脱离——再接触以及相互错动等作用的精确分析,解决了以往采用支座位移法分析的失真问题;在张拉结构整体张拉施工技术方面,实现了初始预应力态找形分析、张拉过程分析及使用期间作用效应分析的无缝连接,弥补了索结构针对大位移、复杂边界条件转变的计算技术缺陷;为适应巨型钢拱、巨型环状钢结构安装的需要,我们提出了一套完善的自适应整体起扳施工方案及一体化建模协同时变分析技术;提出了施工过程结构分析的状态非线性求解技术、动态位形求解技术、逐点去约束找形分析方法、结构吊装的拟滑轮与可动索滑轮单元新技术等,建立了基于时变分析的施工方案优化技术,有效地解决了施工过程时变结构内力和位形的非线性变化及累积的模拟分析难题。(待续)

郭彦林

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