清華大學教授、博士生導(dǎo)師郭彥林做為第一完成人的科研成果——《復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過程時變分析及控制關(guān)鍵技術(shù)研究與工程應(yīng)用》獲得2011年國家科學技術(shù)進步獎(通用項目)二等獎。我國著名鋼結(jié)構(gòu)專家蔡益燕曾說：“郭彥林在鋼結(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新項目很多，創(chuàng)新程度也很高，他參與了國家體育場、廣州新電視塔等工程的研究工作，并將在工程中所遇到的技術(shù)難題上升到理論的高度進行擴展性研究。”1988年即開始執(zhí)教的郭彥林已經(jīng)桃李滿天下，他的學生當中有企業(yè)的總經(jīng)理或總工程師，也有行業(yè)主管部門的工作人員，最重要的是，他們都活躍在目前的鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)，與他們的老師郭彥林一起為我國成為鋼結(jié)構(gòu)強國在不懈地努力。本報將分兩次刊登獲得2011年國家科學技術(shù)進步獎(通用項目)二等獎的《復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過程時變分析及控制關(guān)鍵技術(shù)研究與工程應(yīng)用》一文，敬請關(guān)注。——編者

        施工力學計算理論與施工控制技術(shù)是與大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程建設(shè)同步發(fā)展的。目前，世界上已建成或在建的大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程項目主要集中在中國，其施工力學計算理論與施工控制技術(shù)一直是工程建設(shè)要解決的關(guān)鍵難題?！稄?fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過程時變分析及控制關(guān)鍵技術(shù)研究與工程應(yīng)用》課題組(以下簡稱課題組)在我國大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程項目的施工技術(shù)研究與應(yīng)用過程中，逐步建立和完善了復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過程一體化協(xié)同時變分析系統(tǒng)及計算理論，解決了施工時變結(jié)構(gòu)“形”與“力”控制的關(guān)鍵技術(shù)難題，推動了我國復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學計算理論與施工控制技術(shù)的跨越式發(fā)展。

    一、復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過程一體化協(xié)同時變分析系統(tǒng)的建立與應(yīng)用

    針對以往在施工過程仿真計算中割裂了施工的連續(xù)性及施工體系各部分之間的相互作用等問題，我們建立了復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過程一體化協(xié)同時變分析系統(tǒng)及計算理論。通過集成生死單元等現(xiàn)有技術(shù)和課題組創(chuàng)立的狀態(tài)非線性求解技術(shù)、索滑輪自適應(yīng)算法、千斤頂——接觸單元、逐點去約束找形法等新技術(shù)，融合了施工過程中永久性構(gòu)件的逐步安裝、臨時支撐的裝配與拆除、施工臨時荷載的出現(xiàn)與消失、溫度與風荷載的作用等，能夠真實地反映結(jié)構(gòu)安裝、邊界條件、荷載作用以及材料性能的時變性；尤其善于精確分析時間與空間域上施工體系的演變，準確計算施工體系各部分之間的相互作用，精準把握施工成型過程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位形的連續(xù)變化與非線性累積過程。

    課題組針對施工路徑及施工變形發(fā)展過程特別復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，建立了其施工過程三維動態(tài)變形預(yù)調(diào)值計算的多階段綜合迭代法，有效地解決了央視新址主樓與廣東省博物館新館變形預(yù)調(diào)值計算難題。

    在將數(shù)字模擬計算技術(shù)有效地整合到結(jié)構(gòu)整體提升、整體落架、整體滑移、整體張拉及整體起扳等新施工技術(shù)中，我們建立了準確評估施工方案和施工過程結(jié)構(gòu)安全的數(shù)字化及信息應(yīng)用技術(shù)。

    在整體提升施工技術(shù)中，形成了提升體系安全保障機制，預(yù)防了設(shè)計狀態(tài)和提升狀態(tài)受力情況不同引起提升結(jié)構(gòu)及胎架的潛在破壞風險；形成了提升力的合理分配機制，可自動控制提升總重量在結(jié)構(gòu)柱及提升胎架之間的復(fù)雜分配關(guān)系；形成了全程時變控制機制，實現(xiàn)了對提升結(jié)構(gòu)“脫離胎架——提升——合龍——落架”等提升環(huán)節(jié)數(shù)字模擬分析的“無縫連接”，揭示了提升結(jié)構(gòu)體系與支承結(jié)構(gòu)體系之間的復(fù)雜相互作用機理，并且能夠在一個整體有限元分析模型中實現(xiàn)提升點位移不同步、提升過程中碰撞、斷索等特殊情況以及風荷載、溫度作用等荷載工況的自動分析與評估。

    在整體滑移施工技術(shù)中準確實現(xiàn)了對滑移結(jié)構(gòu)與滑移支承體系之間在不同位置、不同施工步的相互作用力的主動控制；在整體落架施工技術(shù)中，實現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)與胎架之間接觸——脫離——再接觸以及相互錯動等作用的精確分析，解決了以往采用支座位移法分析的失真問題；在張拉結(jié)構(gòu)整體張拉施工技術(shù)方面，實現(xiàn)了初始預(yù)應(yīng)力態(tài)找形分析、張拉過程分析及使用期間作用效應(yīng)分析的無縫連接，彌補了索結(jié)構(gòu)針對大位移、復(fù)雜邊界條件轉(zhuǎn)變的計算技術(shù)缺陷；為適應(yīng)巨型鋼拱、巨型環(huán)狀鋼結(jié)構(gòu)安裝的需要，我們提出了一套完善的自適應(yīng)整體起扳施工方案及一體化建模協(xié)同時變分析技術(shù)；提出了施工過程結(jié)構(gòu)分析的狀態(tài)非線性求解技術(shù)、動態(tài)位形求解技術(shù)、逐點去約束找形分析方法、結(jié)構(gòu)吊裝的擬滑輪與可動索滑輪單元新技術(shù)等，建立了基于時變分析的施工方案優(yōu)化技術(shù)，有效地解決了施工過程時變結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位形的非線性變化及累積的模擬分析難題。

    二、復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過程“力”與“形”控制關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

    對于復(fù)雜張拉屋蓋結(jié)構(gòu)，如果依據(jù)施工現(xiàn)場索力的測試結(jié)果調(diào)整索長以期達到設(shè)計預(yù)應(yīng)力，無異于人工進行數(shù)學分析中的迭代計算，基于索之間的復(fù)雜作用很難準確調(diào)整到張拉力設(shè)計值，我們在屋蓋整體張拉結(jié)構(gòu)中采用了定尺定長設(shè)計與施工技術(shù)，設(shè)計上拋棄了以往含有可調(diào)螺紋的索頭形式，通過精確控制拉索的制作長度和錨固位置確保張拉成型狀態(tài)索力與設(shè)計值一致?！稄?fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過程時變分析及控制關(guān)鍵技術(shù)研究與工程應(yīng)用》課題組(以下簡稱課題組)提出的基于可靠度理論的索長誤差限值的計算與控制方法，用概率理論科學地處理了車輻式屋蓋內(nèi)大量拉索長度誤差的非簡單“疊加作用”，填補了該類索結(jié)構(gòu)施工誤差控制與驗收標準的空白。首先，依據(jù)數(shù)值分析結(jié)果尋找施工誤差對索力影響敏感的主控構(gòu)件；其次，建立索力變化量與誤差隨機變量的映射關(guān)系并得到可靠度指標；最后，綜合考慮誤差敏感性和加工難度確定不同類型構(gòu)件的誤差限值。

    目前對結(jié)構(gòu)服役期間的溫度效應(yīng)研究較多，卻很少涉及復(fù)雜變化的施工環(huán)境溫度對結(jié)構(gòu)施工成型態(tài)的影響。但對屋蓋張拉結(jié)構(gòu)而言，溫度變化引起構(gòu)件的熱脹冷縮與預(yù)應(yīng)力張拉產(chǎn)生的拉索伸長量在同一水平，會嚴重影響預(yù)應(yīng)力的大小以及結(jié)構(gòu)整體剛度。課題組以環(huán)狀空間車輻式張拉結(jié)構(gòu)為研究對象，將施工環(huán)境溫度作用劃分為兩類，分別是剛性構(gòu)件與柔性拉索加工環(huán)境溫度之差、施工環(huán)境溫度與設(shè)計基準溫度之差，將它們與設(shè)計溫度效應(yīng)疊加，得到了結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力變化量的表達式，通過限制預(yù)應(yīng)力變化幅值得到施工環(huán)境溫度效應(yīng)的安全溫度控制范圍圖，進而建立在制作和安裝階段對索長和剛性構(gòu)件尺寸進行修正的“等效溫差法”，擴大了復(fù)雜張拉結(jié)構(gòu)在不同地域環(huán)境下的施工適應(yīng)性，大大增強了復(fù)雜索結(jié)構(gòu)的拉索張拉與剛性構(gòu)件合龍施工的可控性。

    針對高層混合結(jié)構(gòu)在施工過程中由于混凝土收縮徐變在內(nèi)外筒之間產(chǎn)生的豎向不均勻壓縮變形對結(jié)構(gòu)成型態(tài)的影響，基于核心筒混凝土結(jié)構(gòu)施工逐層找平澆注的特點，建立了“等效徐變溫差法”以精確模擬混凝土的收縮徐變，再通過設(shè)置動態(tài)變形預(yù)調(diào)值消除了混凝土收縮徐變的滯后效應(yīng)在樓板梁和轉(zhuǎn)換桁架等橫向構(gòu)件兩端產(chǎn)生的豎向變形差以及對應(yīng)的次應(yīng)力，從而找到了在內(nèi)外筒施工過程中轉(zhuǎn)換桁架的合龍時機，并將研究成果應(yīng)用在廣州西塔工程中。

    焊接殘余應(yīng)力在構(gòu)件截面上是自平衡的，不影響構(gòu)件的計算強度，但是，近年來發(fā)生的多起鋼結(jié)構(gòu)屋蓋倒塌事故和課題組對大型屋蓋結(jié)構(gòu)進行的焊接合龍過程數(shù)值分析已經(jīng)使得人們改變了對于焊接殘余內(nèi)力危害程度的認識,重新審視這一隱藏在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的“附件內(nèi)力”的不利作用：從過去對單根構(gòu)件截面焊接殘余應(yīng)力的研究，擴展到復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系層面焊接殘余內(nèi)力的分析與評估，并將其與常規(guī)荷載效應(yīng)進行組合以檢驗結(jié)構(gòu)的安全。課題組以體育場館大型鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的焊接合龍為例，通過“溫度——應(yīng)力耦合場單元”模擬焊接的熱物理過程，首先通過準確的模擬分析獲得了單根構(gòu)件對接焊的殘余收縮變形公式，再通過創(chuàng)立的“等量收縮法”將構(gòu)件對接接口的焊接收縮變形引入到整體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的焊接合龍分析過程中，揭示了焊縫收縮變形在屋蓋結(jié)構(gòu)層面上產(chǎn)生的殘余內(nèi)力以及支承胎架反力的變化規(guī)律，為檢驗結(jié)構(gòu)與胎架設(shè)計的安全提供了依據(jù)，能有效避免結(jié)構(gòu)在施工和使用中由于焊接殘余內(nèi)力而導(dǎo)致的安全事故。

    本研究成果已應(yīng)用在國家體育場、深圳大運會體育中心、深圳市寶安體育場、南通體育會展中心、廣東省博物館新館、首都機場A380機庫、澳門多功能體育館、天津泰達市民文化廣場、央視新址主樓及廣州西塔等30余項復(fù)雜結(jié)構(gòu)工程的施工計算及施工控制中，發(fā)表學術(shù)論文100余篇，授權(quán)發(fā)明專利10余項，為推動我國施工力學計算理論與施工控制技術(shù)進步作出了貢獻。