建筑设计论文：悬挑悬挂混合结构施工控制研究

　　悬挑悬挂结构施工从开工到竣工的整个过程中，会受到许多确定性和不确定性因素的影响，包括设计计算、几何状态、截面特征、时间、施工荷载、材料特征、量测系统等。这些因素都会导致结构实际状态和理想状态之间的差异。这种误差可能影响结构的几何线形、改变结构内力状态，甚至威胁结构施工安全。施工中如何全面评价这些因素的影响，对施工状态进行实时的识别(监测)、调整(纠偏)、预测，对实现设计目标是至关重要的。采用现代控制理论处理和解决上述问题，就称为施工控制。

　　1施工控制的目的和任务

　　悬挑悬挂结构施工控制的目的在于通过监测结构的变形和受力，确保结构施工过程中和完成后结构内力在设计许可的范围内，确保施工过程中的结构的几何状态，为后续工种施工创造良好条件，确保建筑结构完成并承担设计荷载后，其几何状态符合设计要求，建筑功能能够正常发挥。

　　施工控制的任务就是使结构实际的成形状态最大限度地接近理论设计的成形状态。所需做的工作有三方面:一是理论计算，即计算各施工阶段的输入、输出及状态;二是施工监测，即到施工现场测量结构的实际输入、输出及状态;三是比较拟合理论计算数据和实测数据。

　　2施工控制的内容

　　施工控制的内容围绕施工任务展开，总体上讲，施工控制的具体内容包括:几何(变形)控制、应力控制、稳定控制和安全控制。其中几何控制和应力控制是基本，稳定控制可以通过调整应力幅值的大小来进行控制。从技术层面来说，如果在几何控制，应力控制和稳定控制都得到保证的前提下，安全控制自然得到保证。

　　2.1几何(变形)控制

　　不论采用什么样的施工方法，结构在施工过程中总要产生变形，并且结构的变形将受到诸多因素的影响，极易使结构在施工过程中的实际位置、立面标高、平面位置状态偏离预期状态，成形后的几何形状与设计要求不符，所以必须对结构的几何(变形)进行控制，使结构在施工中的实际位置状态与预期状态之间的误差在容许范围，成形状态符合设计要求。

　　2.2应力控制

　　结构在施工过程中以及在成形状态的受力情况是否与设计相符合，这是施工控制关注的重要问题。结构应力控制好与否，在外观检查时不易发现，通常通过仪器对结构应力的监测来了解实际应力情况，否则就很难确定结构的实际承载能力和使用寿命是否达到预定的目标。若发现实际应力状态与理论计算应力状态的差别超限就要分析原因、进行调控，使之在允许范围内变化。在施工过程中，混凝土的压应力和拉应力都不得超过规定的限值，否则会产生裂缝而降低构件的抗裂性、刚度和耐久性，结构应力控制的好坏不像变形控制那样易于发现，若应力控制不利将给结构造成危害，轻者降低使用寿命，重者会发生结构破坏、坍塌。钢筋应力是结构强度的重要组成部分，所以，必须控制混凝土钢筋的应力，对预应力钢筋要准确控制施加预应力大小。

　　2.3稳定控制

　　结构失稳是指在外力增加到某一量值时，稳定性平衡状态开始丧失，稍有扰动，结构变形迅速增大，结构失去正常工作的能力。结构的稳定性关系到结构的安全，它与结构的强度有着同等的甚至更重要的意义。世界上有不少结构在施工过程中由于失稳而导致结构整体破坏的例子，如2004年法国戴高乐机场候机楼屋盖坍塌、2004年阿联酋迪拜机场候机楼屋盖坍塌。所以，结构施工过程中不仅要严格控制变形和应力，而且要严格地控制施工各阶段结构构件的局部和整体稳定。

　　2.4安全控制

　　施工过程中的安全控制是施工控制的重要内容，只有保证了施工过程中安全，才谈得上其它控制与结构的使用。其实，施工安全控制是变形控制、应力控制和稳定控制的综合体现，只要结构的变形、应力和稳定得到了控制，其安全也就得到了控制。各结构的形式不同，所以直接影响施工安全的因素也不一样，在施工控制中需根据实际情况，确定其安全控制的重点。

　　3施工控制的方法

　　大悬挑悬挂混合结构一般具有结构复杂、施工周期长、影响结构施工质量的因素多的特点，因此必须采用先进的工程控制方法以确保施工控制目标的顺利实现。目前施工控制方法主要有三大类:开环控制、闭环控制和自适应控制。

　　3.1开环控制

　　对于跨度不大，结构形式简单的结构，一般总是可以在设计计算中按照结构的设计荷载精确计算出成形后结构的理想状态，施工完成后，结构成形状态就基本上能够达到结构理想状态的几何线形和内力状况。开环控制属经典工程控制方法，已经非常成熟，在建筑工程施工控制中有许多成功应用的经验。由于不存在反馈系统，开环控制不能根据施工过程情况调整控制措施，因此仅适合结构简单的工程，控制精度比较低。

　　3.2闭环控制

　　对于复杂的结构体系而言，尽管可以在设计计算中精确计算出结构成形状态和各个施工阶段结构的理想状态，但是由于施工误差和测量系统误差的存在，随着施工过程的进展误差就会积累起来，以至到施工完毕时，结构实际几何线形和内力状况可能远远地偏离了理想状态，这就要求在施工误差出现后，必须及时地进行纠正或控制。虽然结构理想状态无法实现了，但可以按某种性能最优的原则，使得误差己经发生的结构达到最优状态。因为这种纠正的措施或控制量的大小是以结构实际状态以己入误差)经反馈计算所确定的，这就形成了一个闭环反馈系统，因而称为闭环控制。

　　3.3自适应控制

　　自适应控制是在闭环反馈控制的基础上，再加上一个系统辨识过程，整个控制系统就成为自适应控制系统误差识别过程。当结构测量到的受力状态与模型计算结果不相符时，把误差输入到参数辨识算法中去调节计算模型的参数，使模型的输出结果与实际测量到的结果相一致，得到修正的计算模型参数后，重新计算各施工阶段的理想状态，按闭环控制方法对结构进行控制。这样，经过几个工况的反复辨识后，计算模型就基本上与实际结构相一致了，在此基础上可以对施工状态进行更好的控制。该方法目前被认为是较完备和实用的施工控制方法。自适应控制的工程控制方法，理论研究和工程实践都取得一定成果，但总体上还处于探索阶段。对于目前大多数复杂混合结构而言，宜以闭环控制为主进行结构施工控制，同时积极探索采用自适应控制方法。

　　4施工控制的影响因素

　　4.1结构设计参数

　　结构的设计参数主要是指能引起结构状态(变形和内力)变化的要素，是控制中结构施工模拟分析的基本资料，其准确性直接影响分析结构的准确性。型钢混凝土组合结构的主要设计参数有:结构几何形态参数、截面特征参数、与时间相关的参数、荷载参数、材料特性参数。

　　(1)结构几何形态参数

　　结构几何形态参数主要是指结构构件的几何尺寸，它们表征了结构的形状和结构最初的状态。施工控制中，必须加强对几何形态参数的控制，不断对施工中出现的误差进行调整，尽量避免误差的累计。当结构出现了不可调整误差时，结构分析时必须及时修正相应的计算模型，力争使分析模型的形状与实际结构的形状相符。

　　(2)截面特征参数

　　任何结构的施工中都可能存在截面尺寸误差，验收规范中也允许出现不超过限值的误差，但这种误差将直接导致截面特性(截面的面积、抗弯惯矩以及抗扭惯矩)误差，从而直接影响结构内力、变形等的分析结果。所以，控制过程中要通过实测数据对结构尺寸取值进行动态修正并作误差分析。

　　(3)与时间相关的参数

　　温度、混凝土收缩和徐变是三个随时间而变化的设计参数。温度的变化对结构的内力和变形有较大的影响。但由于影响结构温度变化的因素比较复杂，既有日照影响又有水泥水化热的影响，而且大悬挑悬挂混合结构中的温度场是至今无人搞清楚的课题，所以在施工控制的结构分析中，是很难将温度变化引起的内力和变形计算清楚的。为了减小温度变化对施工控制误差的影响，通常是将一天中温度变化较小的早晨作为控制所需实测数据的采集的时间，从而将温度变化对结构的影响相对过滤。

　　混凝土收缩徐变与结构的形成历程有着密切的关系，会引起结构的变形增加。但目前对混凝土的收缩、徐变计算模式的还缺乏足够的试验研究，因此结构分析时常采用规范中推荐的普通混凝土的收缩、徐变系数计算模式，造成计算值与结构的实际状况之间存在较大的误差。减少此误差的办法就是在施工控制中需增加对混凝土收缩徐变的试验研究，找出凝土自身的计算模式。

　　(4)荷载参数

　　在结构的施工计算中，荷载参数主要指结构构件的自重力、施工临时荷载等。对于现场浇筑的混凝土结构来说，由于容重变化、超厚、胀模等因素会引起构件自重的变化，它对结构的变形有较大的影响。施工临时荷载是较为稳定的量，但由于在己成结构上乱放材料，往往引起临时荷载较大的误差，结构分析时需要精确考虑此因素的影响。

　　(5)材料特性参数

　　材料特性参数主要指材料的弹性模量E,剪切模量G、泊松比v以及材料的热膨胀系数a。对于钢材来说，.以上四个材料特性参数都是很稳定的，而对于混凝土材料来说，四个参数都有一定的波动，并且在施工过程中，在混凝土还未达到28d龄期时，已经开始受力，所以要获得混凝土各龄期的特性参数，在施工控制中要对其进行识别。

　　4.2施工工艺

　　施工控制是为施工服务的，反过来，施工的好坏又直接影响控制目标的实现，除要求施工工艺必须符合控制要求外，在施工控制中必须计入施工条件非理想化而带来的构件制作、安装等方面的误差，使施工状态保持在控制中。

　　4.3施工监测

　　测量包括结构温度测量、应力测量、变形测量等，是施工控制最基本手段之一。因为测量仪器、仪器安装、测量方法、数据采集、环境情况等存在误差，所以，结构测量是存在误差。该误差一方面可能造成结构实际参数、状态与设计或控制值吻合较好的假象，也可能造成将来本来较好的状态调整得更差的情况，所以，保证测量的可靠性对施工控制极为重要。在控制过程中，除要从测量设备、方法上尽量设法减小测量误差外，在进行控制分析时必须将其计入。

　　5实例分析

　　用ANSYS有限元软件对某大剧院悬挑梁采进行数值模拟，采用分布裂缝模型进行计算。拉、压区型钢梁对应位置的纵向钢筋采用Pipe16单元，其余分布钢筋采用整体式模型。在建模过程中，混凝土裂缝发展后ANSYS计算难以收敛，经过不断优化模型和调整参数设置，实现模型收敛，并总结计算收敛采取的措施。

　　在设计荷载作用下，SRC-1型钢混凝土悬挑梁中上部水平型钢最大拉应力位于悬挑段根部，下部水平型钢最大压应力同样也位于悬挑端根部，其应力水平中等，满足设计强度要求。在型钢锚固区5m范围内，型钢和混凝土可共同变形，型钢锚固良好。

　　结束语

　　大悬挑悬挂混合结构复杂、施工周期长、存在多种影响结构施工质量的因素，须采用先进的控制方法确保施工控制的目标的顺利实现。自适应控制的工程控制方法，总体上还处于探索阶段，大悬挑悬挂混合结构宜以闭环控制为主进行结构施工控制，同时积极探索采用自适应控制方法。

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