基于向量式有限元的预应力空间结构施工力学分析方法研究

Contruction mechanics is a frontier subject formed by combination of mechanics and construction of modern civil engineering.It is an important fundamental research to explore the new conceptions and approaches of consrtuction mechanics to analyse the mechanics behavior during construction in the area of prestressed spatial structures.However, the actual research on construction mechanics is limited to theoretical analysis level for nonlinear problem. The newly developed Vector Form Intrinsic Finite Element(VFIFE) method, derived from kinematic equation,without stiffness matrix, is capable of computation of large deformation and large displacement for structures.The project prepares to introduce VFIFE method to the analysis of construction mechanics.Some new conceptions and methods are presented to sovle the problems in construction mechanics analysis of prestressed spatial structures based on the VFIFE.The main contents include forming analysis of construction,analysis of removing temporary supports and analysis of lifting process.At last,the system should be validated by the model experiment and site test result. This project has a certain theoretical innovation value for riching the construction mechanics theory system.It is expected to be used to ensure security and quality in the construction of prestressed spatial structures.

施工力学是力学学科与现代土木工程施工交叉形成的一个前沿性课题，探索预应力空间结构施工力学分析新概念、新方法，更加准确的分析施工过程中的力学行为是结构领域的重要基础研究内容。然而，传统有限元方法在解决非线性问题时的局限性，制约了施工力学分析的发展。 向量式有限元从运动方程出发，不形成刚度矩阵，适合于大变形大变位等非线性问题的求解。本项目拟将向量式有限元引入施工力学分析中，提出能够应用于预应力空间结构施工力学分析的新概念和新方法，探索以向量式有限元理论为基础解决施工力学分析中遇到的难题。主要研究内容包括：施工成形过程分析、拆撑过程分析、吊装过程分析，最后，通过模型试验与现场测试验证。 本项目对于丰富预应力空间结构施工力学分析理论体系具有一定的理论创新价值，有利于保证预应力空间结构施工安全与质量。

针对大跨度钢结构施工过程容易产生刚体位移等强烈非线性过程的特点，采用向量式有限元分析方法进行施工过程模拟。基于向量式有限元的基本理论，引入张拉索单元，通过控制张拉索单元的原长，实现大跨度预应力钢结构张拉全过程模拟；引入千斤顶单元，实现大跨度钢结构的脱架模拟。在此基础上，利用MATLAB语言编制了基于向量式有限元理论的施工过程分析程序，并通过悬臂梁拼装、索桁架张拉成形以及大跨度张弦桁架的张拉施工过程模拟分析，与传统分析方法进行比较，验证理论推导和自编程序的正确性与有效性。采用基于向量式有限元的施工力学分析方法能够准确模拟结构拼装、预应力张拉成形和结构脱架等施工过程。为了保证被吊装结构及体系在吊装过程中的刚度和稳定性，并且确定被吊装结构的平衡位置，真实有效的模拟钢结构整体提升过程，提出一种基于向量式有限元的提升分析方法。首先，以钢连廊为例，采用自编向量式有限元程序了静力分析，并与传统有限元求解结果比较，验证向量式有限元方法的有效性。然后引入张拉提升索单元以模拟动态提升过程。向量式有限元方法避免了刚度矩阵的迭代求解以及奇异等问题，实现了钢结构的整体提升施工全过程跟踪模拟分析。最后得到了不同提升速度下钢结构节点的位移和单元内力时程曲线。结果表明提升速度对提升力、结构内力和位移有一定影响，在正常提升速度情况下，动力放大系数取为1.5是安全合理的，向量式有限元分析方法可有效地进行钢结构整体提升全过程模拟分析。