摘要：施工優(yōu)化不同于一般意義上的優(yōu)化，它是針對不同的施工過程而進行分析，其目的

是從有限個結(jié)構(gòu)時變過程中優(yōu)選出滿足施工實際力學(xué)要求的時變過程。對于大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)，合理選擇和確定下弦拉桿(索)張拉的具體方案是施工的關(guān)鍵之一，同時也是零狀態(tài)的決定因素之一。

關(guān)鍵詞：大跨度鋼結(jié)構(gòu);施工力學(xué);優(yōu)化

1. 引言

結(jié)構(gòu)工程建設(shè)有兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即設(shè)計和施工。提高建筑物的質(zhì)量的同時降低工程成本的重要措施是對這兩個環(huán)節(jié)進行優(yōu)化。有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，傳統(tǒng)的做法是依據(jù)初定的建筑物及各種內(nèi)外條件，在力學(xué)框架和基礎(chǔ)上求取建筑物對于內(nèi)外條件的響應(yīng)，即傳統(tǒng)的工程設(shè)計是依據(jù)規(guī)范和經(jīng)驗，確定設(shè)計方案，進一步計算分析并驗算初定結(jié)構(gòu)物是否滿足各種內(nèi)外荷載及使用要求。這類設(shè)計過程的優(yōu)化深度取決于設(shè)計者的經(jīng)驗、水平，以及反復(fù)計算分析次數(shù)，最終找到一個相對理想設(shè)計方案，但一般不是最佳方案。其原因在于每次計算均以結(jié)構(gòu)物最終形態(tài)為基礎(chǔ)，而未能將施工過程中結(jié)構(gòu)物的受力和變形加入考慮，而這部分工作恰恰留給工程建設(shè)的第二個環(huán)節(jié)，即施工方面的考慮。傳統(tǒng)意義上，由于受力學(xué)計算方法以及求解的困難所限，盡管施工方法經(jīng)過多次優(yōu)化，實際上僅僅是幾個方案的比選，沒有真正意義上的優(yōu)化。

施工力學(xué)的提出和應(yīng)用，給優(yōu)化分析帶來了新的飛躍。施工過程是一個時變概念，隨著力學(xué)分析的發(fā)展，設(shè)計對象可以不給定，是可變體，力學(xué)分析的目的不是上述講的響應(yīng)，而變?yōu)榍笕∽罴褜ο螅�這才是真正的優(yōu)化分析。設(shè)計者應(yīng)該充分運用對可變體的優(yōu)化分析，以施工過程中變化結(jié)構(gòu)的內(nèi)力峰值為基礎(chǔ)來考慮設(shè)計，對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)要改變傳統(tǒng)設(shè)計和施工之間的矛盾，要么按這里提到的時變過程優(yōu)化設(shè)計，要么選擇合理路徑優(yōu)化施工方案，使得施工的方式、工藝、進度等滿足已有結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。

施工優(yōu)化是一個復(fù)雜的問題，它建立在對施工過程時變力學(xué)問題清楚認(rèn)識的基礎(chǔ)上、可靠的分析計算。原因在于施工過程是結(jié)構(gòu)體系不斷變化，由不完整逐漸完整，承受不斷變化的外部荷載。整個過程中構(gòu)件內(nèi)力分布不斷變化，重分配，其內(nèi)力最大值發(fā)生的時空點及大小與設(shè)計者的控制點或布置有所差異，嚴(yán)重時將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不安全甚至破壞，所以施工過程的優(yōu)化顯得十分重要，它是相對不斷改變的過程系統(tǒng)而言。時變力學(xué)施工優(yōu)化往往不是傳統(tǒng)意義上對某些參數(shù)與形狀的優(yōu)化，是優(yōu)化路線，這是優(yōu)化領(lǐng)域的新問題。其優(yōu)化模型的建立涉及整個施工力學(xué)分析全過程，優(yōu)化方法與理論和常規(guī)(完整)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化有許多不同，核心問題是變化的過程。選擇適當(dāng)?shù)氖┕ち鞒�，不但會減少施工結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的內(nèi)力和變形，提高安全度，而且會降低對周圍環(huán)境的影響。因而施工路徑的優(yōu)劣問題就是施工優(yōu)化的關(guān)鍵，在工程中具有深遠(yuǎn)意義。

張弦梁結(jié)構(gòu)在預(yù)張拉及胎架下落工程中將會產(chǎn)生較大的位移，所以張拉、落架的施工順序?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)各構(gòu)件的應(yīng)力、變形歷史將產(chǎn)生很大的影響，它可能影響施工工程的安全可靠性。因此，施工循序的優(yōu)化對于保證施工質(zhì)量、結(jié)構(gòu)強度以及構(gòu)件的整體和局部穩(wěn)定性有著非常重要的意義。張弦梁預(yù)張拉的施工順序可分為兩個層次：(1)單榀張弦梁的張拉方案及順序，即張拉是一端、兩端或花籃螺栓調(diào)節(jié)，花籃螺栓的調(diào)節(jié)順序;(2)整個屋蓋各榀預(yù)張拉順序。施工順序優(yōu)化的目標(biāo)，一是保證施工質(zhì)量，張拉后達到初始態(tài)所要求的位形，二是保證施工過程的安全可靠，即變形、應(yīng)力歷史須在剛度、強度和穩(wěn)定性要求的范圍內(nèi)。

2. 張弦梁結(jié)構(gòu)張拉施工方案優(yōu)化問題

2.1 優(yōu)化問題

隨著結(jié)構(gòu)型式的不同，下弦所采用的構(gòu)件形式也不同，通常有拉索和拉桿兩種。張拉方式有從索的一端或兩端拉拔，以及通過花籃螺栓調(diào)緊等。由于撐桿與下弦的每個節(jié)點都是三個軸力組成的匯交力系的平衡，所以，不論采用何種形式張拉，當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖、下弦預(yù)張拉軸力及外荷載確定時，整個結(jié)構(gòu)包括上弦、下弦和撐桿等各構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)決定于張拉完成后的最終狀態(tài)，從這個意義上說，張拉施工方案對于最終狀態(tài)各構(gòu)件的受力及強度并不重要。但是，正如在土木結(jié)構(gòu)工程中事故往往在施工過程中發(fā)生類似，張弦梁不同的張拉施工方案將可能在張拉過程中承受不同的變形及應(yīng)力過程，即變形、應(yīng)力歷史不同，撐桿的轉(zhuǎn)角及軸力等不同。通過以上的分析可以看出，撐桿在下弦張拉過程中的轉(zhuǎn)角對于其本身及上下弦的受力、變形歷史影響較大，甚至是起關(guān)鍵作用的。

2.2 優(yōu)化算法

對優(yōu)化問題進行通常的優(yōu)化分析是一件非常復(fù)雜的事情。但張弦梁張拉過程中結(jié)構(gòu)及受力變形具有以下特點：

(1) 張弦梁結(jié)構(gòu)下弦段數(shù)一般相對較少，多則10多段(如上海浦東機場屋蓋)，少則寥寥數(shù)段，如深圳會展中心為6段，因此，采用計算機作優(yōu)化分析時，有關(guān)張拉跨段的確定可采用枚舉法進行優(yōu)選;

(2) 盡管張弦梁結(jié)構(gòu)張拉過程是一個大位移、大轉(zhuǎn)動、小應(yīng)變過程，但當(dāng)轉(zhuǎn)動角度較小時(即優(yōu)化目標(biāo)參數(shù))，其幾何非線性程度不是很強。

根據(jù)以上特點，對該問題采用基于正問題求解的優(yōu)化分析，同時，正問題的分析采用線性化近似計算，確定優(yōu)選的張拉段，并初定每段的張拉量，然后通過基于幾何非線性的找形分析確定每段準(zhǔn)確的張拉量及零狀態(tài)。這是張拉施工方案優(yōu)化的一種線性預(yù)測-非線性校正的方法。

3. 張拉施工方案優(yōu)化算例

下面以例子進行張拉施工方案的優(yōu)化分析。假設(shè)某結(jié)構(gòu)上弦梁單元橫截面面積為 0.0282m2，彈性模量為 210GPa，抗彎剛度 2.14E6kN.m2;撐桿截面積為 0.0025m2，彈性模量為 210GPa;下弦截面積為 0.001256 m2，彈性模量為 180GPa;下弦的預(yù)張拉力為 800kN。結(jié)構(gòu)一端為固定鉸支座，另一端為水平滑動鉸支座。

首先確定張拉段數(shù)k，這里取 k=2，有C 217種張拉組合。對試驗中所有張拉組合下的線性預(yù)測結(jié)果，可以找出在第 11、14 兩端進行張拉時各撐桿的轉(zhuǎn)動角最小，預(yù)測得到的溫降值為 184.44K 和 187.69K。同時，從結(jié)果可以看出，對于這個算例，除了從靠近端部的索段施加張拉時撐桿轉(zhuǎn)角較大外，其他張拉組合對應(yīng)的撐桿最大轉(zhuǎn)角相差不是很大。這也說明，端部張拉從結(jié)構(gòu)的變形和受力歷史來看不是很好，但施工方便。

按這里優(yōu)化預(yù)測的張拉方案及找形算法，得到零狀態(tài)，確定的溫降值為 171.70K 和 174.72K。與端部張拉對應(yīng)的零狀態(tài)比較，這里的撐桿轉(zhuǎn)角相對較小，結(jié)構(gòu)位形更規(guī)則。由于不同的張拉施工方案對應(yīng)的零狀態(tài)不同，特別是撐桿在張拉過程經(jīng)歷轉(zhuǎn)動的角度不同，其應(yīng)力歷程也會有較大的區(qū)別。

可以看出，按優(yōu)化的方案施工時，由于轉(zhuǎn)動角度較小，應(yīng)力時程基本為線性變化的，其它兩種方案轉(zhuǎn)動角度較大，對應(yīng)的應(yīng)力時程相對復(fù)雜一點，特別是單獨右端張拉的方案，應(yīng)力變化幅度、梯度較大，特別是還會出現(xiàn)受拉的過程，這對于施工過程中的安全可靠性不利。

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