李婧

【摘 要】目前，由于土木工程施工時(shí)間長(zhǎng)、工藝復(fù)雜，從而在施工過(guò)程中施工工序?qū)Y(jié)構(gòu)內(nèi)力存在一定的影響。針對(duì)這一特殊情況，文章首次提出根據(jù)施工不同階段定義結(jié)構(gòu)形態(tài)，并從力學(xué)的角度分析施工過(guò)程存在殘余應(yīng)力和殘余變形的必然性，指出了施工工序的不同時(shí)其殘余應(yīng)力和變形的差異，明確了施工力學(xué)研究?jī)?nèi)容及方法，進(jìn)一步提出對(duì)特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工控制的必要性，并根據(jù)大量土木工程實(shí)踐，提出了解決問(wèn)題的方法和途徑。

【關(guān)鍵詞】土木工程；施工技術(shù)；力學(xué)應(yīng)力

【Abstract】At present， due to the long construction time and complicated process of civil engineering， the construction process has a certain influence on the structural internal forces during the construction process. In view of this particular situation， the paper first proposed the definition of structural patterns according to different stages of construction， and analyzed the necessity of residual stress and residual deformation in the construction process from the point of view of mechanics. It pointed out the difference of residual stress and deformation at different time of construction process. The research content and methods of construction mechanics， and further proposed the necessity of construction control for special structures， and based on a large number of civil engineering practices， put forward methods and approaches to solve problems.

【Key words】Civil Engineering；Construction Technology；Mechanical Stress

1. 土木工程施工技術(shù)的現(xiàn)狀

1.1 工程控制理論最早應(yīng)用于軍事工程和航天工程。近幾十年來(lái)，隨著現(xiàn)代控制理論、大系統(tǒng)理論、智能化控制的出現(xiàn)，這一理論不僅僅局限于高尖端的技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，其已逐步應(yīng)用到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、規(guī)劃、管理等社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。日本是較早將工程控制理論應(yīng)用到土木工程的國(guó)家，特別是應(yīng)用在地下工程中隧道、盾構(gòu)以及大跨度橋梁的施工上。利用工程控制理論，主要是對(duì)工程中關(guān)鍵位結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、撓度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析，最后返回現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)施工。

1.2 上世紀(jì)90年代，隨著我國(guó)大量工程項(xiàng)目的出現(xiàn)，人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到施工過(guò)程的控制對(duì)工程質(zhì)量、安全的重要作用，提出了對(duì)地下工程進(jìn)行信息化施工、對(duì)高層建筑進(jìn)行施工力學(xué)分析、對(duì)大跨空間結(jié)構(gòu)尋形分析、對(duì)橋梁工程進(jìn)行施工控制的思想和方法。特別是在橋梁施工的應(yīng)用方面，較為系統(tǒng)的利用現(xiàn)代控制理論進(jìn)行施工控制，取得了不少成功的經(jīng)驗(yàn)，在地下工程中，盡管沒(méi)有引人施工控制概念，但仍是按照工程控制理論的思想指導(dǎo)施工，總結(jié)出“理論導(dǎo)向、經(jīng)驗(yàn)判斷、嚴(yán)密監(jiān)控、適度反算”的信息化施工理論。在高層建筑的施工中，已經(jīng)開(kāi)始考慮混凝土材料的收縮、徐變對(duì)施工的影響。

1.3 國(guó)外土木工程施工控制技術(shù)的研究和應(yīng)用主要存在以下問(wèn)題：

（1）理論研究還不能適應(yīng)工程建設(shè)的需要，由于施工控制涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，特別是非線性分析、反饋分析、最優(yōu)控制、系統(tǒng)識(shí)別、材性分析等。目前既有一般性基礎(chǔ)理論的研究，又有應(yīng)用性理論的研究，但缺乏系統(tǒng)的集成和有價(jià)值的應(yīng)用。

（2）缺少驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。一些領(lǐng)域?qū)κ┕た刂迫狈Ω拍詈退季S方式，更無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可言。也有一些領(lǐng)域有一般性的標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)大多的創(chuàng)造第一的工程仍缺少足夠的科研準(zhǔn)備。對(duì)于施工控制的標(biāo)準(zhǔn)如何提出，不僅涉及到長(zhǎng)期發(fā)展問(wèn)題，也涉及到一個(gè)可操作性的問(wèn)題。但有一點(diǎn)就是要對(duì)沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)借鑒的工程必須全面貫徹施工控制，避免出現(xiàn)重大決策的錯(cuò)誤。

（3）管理體制問(wèn)題。主要存在的問(wèn)題是多頭管理，管理責(zé)任不能落實(shí)，缺乏對(duì)施工控制的高度重視，對(duì)特大型工程前期研究不夠，對(duì)工程的解剖不夠細(xì)致。要想解決這類問(wèn)題，唯一的辦法就是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工總承包的管理思想，使管理責(zé)任明確并得到落實(shí)。強(qiáng)調(diào)施工單位應(yīng)采取主動(dòng)控制，使責(zé)、權(quán)、利能夠達(dá)到系統(tǒng)的統(tǒng)一。

2. 土木工程施工技術(shù)的特點(diǎn)

土木工程的施工是一個(gè)耗時(shí)比較大，操作工藝復(fù)雜，環(huán)境不斷變化的過(guò)程。它不同于設(shè)計(jì)完成后的受力狀態(tài)。因此，有必要要對(duì)其發(fā)生的不同狀態(tài)進(jìn)行定義。

2.1 基本形態(tài)的定義。

2.1.1 結(jié)構(gòu)零狀態(tài)：是指建筑物外型的坐標(biāo)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)此時(shí)未承受任何荷載，其狀態(tài)是一種理想結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

2.1.2 結(jié)構(gòu)初態(tài)：是指結(jié)構(gòu)經(jīng)施工后形成了完整的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，此時(shí)結(jié)構(gòu)已包含了由于施工過(guò)程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及殘余變形，結(jié)構(gòu)承重，自重和部分施工荷載等。

2.1.3 結(jié)構(gòu)終態(tài)：是指工程竣工后的狀態(tài)，此時(shí)結(jié)構(gòu)包括從結(jié)構(gòu)初態(tài)到竣工后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和變形以及工程竣工時(shí)結(jié)構(gòu)的各種自重。

2.1.4 施工狀態(tài)：是從工程建造開(kāi)始，以設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)的外型為目標(biāo)，經(jīng)過(guò)每一步施工步序，最終達(dá)到工程竣工的過(guò)程。由于施工工藝的不同，施工最終在結(jié)構(gòu)初態(tài)和結(jié)構(gòu)終態(tài)產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力和殘余變形不相同。為了便于分析，將施工狀態(tài)的分析稱之為施工力學(xué)，它不同于一般的工程靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)，其具有其獨(dú)特的技術(shù)特征。

2.2 施工過(guò)程技術(shù)特征分析。

施工過(guò)程的力學(xué)特征與永久受力特征具有很大的區(qū)別，設(shè)計(jì)人員多數(shù)是從工程竣工狀態(tài)（結(jié)構(gòu)終態(tài)）考慮結(jié)構(gòu)體系的受力，對(duì)施工過(guò)程可能產(chǎn)生的殘余內(nèi)力和變形往往忽略不計(jì)。對(duì)于一般的結(jié)構(gòu)體系不考慮施工階段引起的誤差并沒(méi)有多少影響。但對(duì)一些特殊結(jié)構(gòu)體系，其影響十分顯著，必須引起足夠的重視。

2.2.1 施工過(guò)程殘余應(yīng)力和變形的存在。

如果是鋼結(jié)構(gòu)框架，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法思路，根據(jù)受力狀態(tài)確定結(jié)構(gòu)的截面，不考慮施工過(guò)程可能帶來(lái)的影響。

2.2.2 施工過(guò)程中邊界條件等外部環(huán)境因素變化引起的殘余應(yīng)力和變形。

（1）除施工過(guò)程可以引起殘余應(yīng)力和變形外，其邊界條件外部環(huán)境也都會(huì)引起結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力和變形的存在。例如，外界溫度的變化引起的應(yīng)力是大跨度結(jié)構(gòu)中不容忽視的。除此之外，邊界條件的變化也可以引起結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力和變形，利 用不同狀態(tài)的邊界條件變化可以達(dá)到降低殘余應(yīng)力和變形的存在。因此，合理使用工序的變化和邊界條件的變化可以起到降低殘余應(yīng)力和殘余變形的目的。

（2）實(shí)際工程中，由于施工工序的不同或邊界條件變化在結(jié)構(gòu)中會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力的變化。結(jié)構(gòu)僅承受重力作用，實(shí)際施工是將其分為三個(gè)階段。首先施工兩懸臂段，最后施工中間段。為了說(shuō)明問(wèn)題，此處僅比較在第三階段施工由于邊界條件變化而產(chǎn)生的影響。

2.2.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)部的單元隨施工變化。

比如索結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力的張拉，預(yù)應(yīng)力在其施加張力的同時(shí)其原長(zhǎng)在縮短，深基坑工程中的預(yù)應(yīng)力鋼支撐，其千斤頂在斷伸長(zhǎng)等等。這些單元的變化是目前有限元分析中很難從嚴(yán)密的理論來(lái)解決的問(wèn)題，也是理論分析與工程實(shí)際誤差的關(guān)鍵。

2.2.4 材料的時(shí)間依存特征。

混凝土依賴于時(shí)間的性質(zhì)有徐變、收縮、強(qiáng)度、彈模等的變化。土的力學(xué)性質(zhì)具有蠕變和流變性質(zhì)。這些材料隨時(shí)間變化的性質(zhì)，特別當(dāng)不同材料、不同混凝土配合比、不同土質(zhì)條件形式的結(jié)構(gòu)工程其影響更為顯著。

2.2.5 施工工藝多樣性特征與優(yōu)化由于施工工藝的多樣性，故結(jié)構(gòu)終態(tài)構(gòu)成的內(nèi)力和變形存在較大的差異，施工僅是工程的完成，還應(yīng)該使最終控制其殘余變形和內(nèi)力達(dá)到合理的范圍之內(nèi)。施工過(guò)程中由于存在著上述特征，對(duì)施工序的分析以及特征的研究，本文稱為施工力學(xué)。

2.3 控制理論的技術(shù)特征。

2.3.1 施工狀態(tài)的分析構(gòu)成施工控制的基礎(chǔ)，是預(yù)測(cè)分析的關(guān)鍵，而控制理論是一個(gè)由測(cè)試、分析、反饋、調(diào)整構(gòu)成的控制環(huán)，其主要內(nèi)容有：（1）測(cè)試系統(tǒng)；（2）參數(shù)識(shí)別系統(tǒng)；（3）誤差分析系統(tǒng)；（4）狀態(tài)預(yù)測(cè)系統(tǒng)；（5）綜合調(diào)優(yōu)系統(tǒng)。

2.3.2 施工模擬的程序應(yīng)盡可能準(zhǔn)確，其步驟盡可能要小，這樣才能使理論與實(shí)際情況更為接近。但如果完全按實(shí)際施工過(guò)程模擬其計(jì)算分析工作量太大，故應(yīng)掌握其關(guān)鍵工況并與測(cè)試、反分析結(jié)果相一致。施工控制的主要目的和任務(wù)是對(duì)施工過(guò)程中永久結(jié)構(gòu)和臨時(shí)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)（1）形狀控制；（2）應(yīng)力控制；（3）穩(wěn)定控制。

3. 結(jié)束語(yǔ)

總之，土木工程施工技術(shù)在近十年雖然有了飛速發(fā)展，但是土木工程施工至今仍以手工操作、半機(jī)械作業(yè)為主，勞動(dòng)效率遠(yuǎn)低于其它產(chǎn)業(yè)部門(mén)，還屬于勞動(dòng)力密集型產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)代土木工程施工技術(shù)的發(fā)展方向，除了要有滿足當(dāng)前土木工程建設(shè)需要而與之配套的施工技術(shù)，還要向高效率，高質(zhì)量的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 向中富，《橋梁施工控制技術(shù)》，人民交通出版社，2001年.

[2] 徐君蘭，《大跨度橋梁施工控制》，人民交通出版社，2000年.

[文章編號(hào)]1619-2737（2018）03-01-698