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摘要：工程中的施工力学是要研究工程中建筑施工的宏观规律，施工过程中遇到的问题，需要通过施工力学领域的研究成果进行设计思想的改进。在大型复杂钢结构的施工过程中，通过进行有效的力学结构试验分析，通过模型试验，结合现场测试等，计算分析出工程中需要注意的有关数据，这可以在验证设计思想的同时，提高钢结构建筑的安全性、健全性等。本文通过论述大型复杂钢结构施工中常遇到的力学问题，并对其进行探讨，提出相关的分析方法，对其在施工中的运用有指导意义。
关键词：大型复杂钢结构；施工；力学；问题；分析方法
近年来，大型钢结构在城市建筑中得到了广泛应用，并受到越来越多工程的青睐，各种有关数据显示，钢结构已经成为建筑行业的佼佼者，北京鸟巢、广州国际会展中心、上海金茂大厦等等，众多大型工程、形象工程，都采用了钢结构。市场需求的急剧增长，引发了大型复杂钢结构建筑的发展热潮，使其呈现迅猛前进的趋势，同时，也带动了其水平的不断提高和技术的不断创新。而大型钢结构中的施工力学问题，与工程质量的好坏密切相关，影响着工程的规模、施工的时序、造价成本等一系列问题，成为决定一个建筑结构能否成功完成的重要因素。
因此，不论是建筑的选材、图纸的设计还是工程的施工，力学问题及其分析方法，都是促进一项工程顺利进行的关键所在。
一、钢结构的特点
1、轻质高强
与混凝土、木材等传统的建筑材料相比，钢结构的强度相对较高。数据显示，混凝土的比重为2500kg/m3，抗拉设计强度为（1～）N/mm2，重量/强度=2500；木材的比重为500kg/m3，顺纹抗拉强度为（10～）N/mm2，重量/强度=50；钢材的比重为7850kg/m3，抗拉设计强度为（200～）N/mm2，重量/强度=40。由此可见，钢结构是一种质量较轻、强度较大的高性价比材料。
2、 塑性、韧性好，可靠性高
在相同的静力荷载作用下，与建筑的其他材料结构相比，钢结构具有很好的塑性变形能力，且韧性较高，安全可靠。
3、 工业化程度高，工期短
钢结构制造的工厂化、施工装配化的程度较高，可拆卸，从而大大缩短了施工周期。
4、 制造方便
钢结构的制造大多是在专业化的金属结构制造厂中完成，有很高的精确性，而且其拼装、连接、装卸、加固、改造等工序都简单易行。
5、 有一定的耐热性，但是抗火性能差
根据有关数据分析，当温度小于200℃时，钢结构的主要力学性能相对稳定；当温度大于200℃时，材质发生较大变化，强度降低；温度达600℃时，钢材进入塑性状态不能继续承载，可能使整个结构完全崩溃。
6、 作业面广
钢结构可用于众多领域的建筑工程，使用领域广泛。
二、钢结构的性能
从力学角度分析，钢结构中的钢材应有良好的强度性能（钢材可达到的最大应力）、伸长率（钢材在单项拉伸时的塑性应变能力）、冷弯性能（钢材塑性应变能力和钢材质量的综合指标）以及冲击韧性性能（刚才抵抗冲击荷载的能力），这样才能避免潜在的力学问题。
三、影响钢结构力学性能的主要因素
1、化学成份
化学成分对钢结构的组织构造有重要影响，根据研究显示，钢结构的基本元素是铁，比重为99%；有益元素有碳、硅、锰、镍、铬、铜、钒、铝、钛；有害元素有硫、磷、氧、氮等。
2、 钢材疲劳
钢材构件及其连接在动力荷载、连续反复荷载作用下，当应力变化过大时就会会发生破坏，出现变形甚至断裂。
3、温度
如前文所述，温度的变化对钢结构的影响也不容小视。
4、 冷作硬化影响
钢结构的冷加工可使其产生冷作硬化的现象，破坏其塑性和冲击韧性。
5、 应力集中的影响
应力集中可以导致钢材变脆，使其发生变形，严重的将影响整个钢结构的稳定性。
四、大型复杂钢结构中主要的力学问题
大型复杂钢结构中的主要涉及到得力学问题有吊装过程中的力学问题、滑轮力学问题、临时支柱搭建时力学问题、拆撑过程中的力学问题、预应力张拉过程中的力学问题、大跨度结构中的力学问题等等。下面将简单阐述一下大型复杂钢结构施工过程中的主要力学问题：
1、 应力集中
在大型复杂钢结构的部件中，当部件截面的完整性遭到破坏时（如：裂纹、空洞、刻槽、凹角，截面厚度或宽度改变），在截面变化处以及附近，就会产生应力线曲折密集的现象，出现高峰应力，这将导致钢材的几何形状、外形尺寸发生变化，从而在钢结构的部件中出现应力分布不均匀的现象，尤其是在某些区域内，将产生局部高峰应力的现象，同时，在另外一些区域，则出现应力降低的情况，从而导致应力集中，这一现象将使钢材变脆，破坏原有韧性，应力越集中，钢结构的塑性越差。
减少应力集中有以下几种方法：
①尽量使构建的外形圆滑过渡
②去应力退火。将钢结构中钢材部件加热到600℃-650℃，保温一段时间，然后后在空气中冷却，可以有效去掉焊接结构部件的焊接残余应力。
③提高冶金質量、加工质量，是解决应力集中较为根本的措施。
2、 内力引起的薄板屈曲
法向压应力、弯曲应力、剪应力、局部压应力，或是在这些力的共同作用下，会引起钢结构中薄板的屈曲。其中，弯曲应力可使凹凸波形的中心线靠近压应力合力的中心线；剪应力可产生45°倾斜的凹凸波形；局部压应力可产生靠近横向压应力作用边缘的鼓曲面。
3、 高强度螺栓的预拉力
这是为了通过拧紧螺栓产生对连接件的压力，增大摩擦力，从而达到紧固效果，从而增加钢结构的稳固性。而在该预拉力设计值的计算中，应充注意以下问题： ①充分考虑螺栓材质的不均匀性，可以引入一个折减系数
②要以螺栓的抗拉引能力为准，可以引入一个安全系数
③施工时为了弥补高强度螺栓预拉应力的松弛损失，可以引入一个超张拉系数
④拧紧螺栓时，要充分考虑受到预拉引力引起的拉应力及拉距引起的扭转剪应力
4、 焊接应力
焊接应力是在钢结构的部件焊接过程中而产生的应力，它可使钢结构的刚度降低，对部件的疲劳强度亦有不利影响；它还能对钢结构的形状、尺寸产生极大影响，甚至引起局部塑性变形，影响建筑的功能和外观，因此，在大型钢结构的建筑工程中，应注意减少焊接应力。减少焊接应力的措施主要有：
①不要过分集中焊接，避免焊缝过度集中
②避免焊缝的垂直交叉
③使焊缝对称于构件截面的中性轴，减少焊接变形
④避免在母材厚度方向的收缩应力
⑤合理设计焊缝长度以及焊脚尺寸
5、 轴心受压构件的稳定承载力
轴心受压构件主要应用于网架、塔架、索杆体系等结构，其承载力的大小对钢结构的稳定性有极大影响，而影响轴心受压构件承载力的因素主要有：
①构件本身的尺寸、形状
②钢材的强度系数
③初弯曲
④杆端约束程度
⑤初偏心
⑥焊接残余应力
因此，在大型复杂钢结构施工中，应充分考虑上述因素，以保证建筑结构的稳定性。
五、大型复杂钢结构施工中应满足的力学条件
1、 在大型复杂钢结构施工完成后，应确保其结构几何形状的变化控制在一定的范围之内，且位移在设计的坐标内不超限。
2、 钢结构的初始内力应该与其它荷载的组合共同满足结构受力的要求。
结语：
大型复杂钢结构是当今建筑结构主要类型之一，已经得到广泛的应用。而力学问题作为贯穿于整个复杂钢结构建筑施工过程的重要因素，是不容小觑的问题之一。不论是钢结构建筑中屋面系统、墙体结构的设计，还是其结构中连接技术、安装技术的使用，都离不开力学的支撑，因此，如何发现力学问题并作出合理的设计、高效的处理，对钢结构建筑的发展有重大意义。
参考文献：
[1]郭彦林，田广宇，周绪红，陈国栋.大型复杂钢结构施工力学极控制新技术的研究与工程应用[J].施工技术，2011（1）
[2]张慎伟，张其林，罗晓群，吴杰.大型复杂钢结构施工过程计算理论与应用[J].同濟大学学报（自然科学版），2009（4）
[3] 陈振明，许立山，彭明祥.大型复杂连体钢结构加工制作和安装综合技术[J].钢结构，2010（4）
[4]李学一.基于大跨度钢结构施工中结构力学分析方法的研究[J].中国新技术新产品，2010（24）
关键词：大型复杂钢结构；施工；力学；问题；分析方法
近年来，大型钢结构在城市建筑中得到了广泛应用，并受到越来越多工程的青睐，各种有关数据显示，钢结构已经成为建筑行业的佼佼者，北京鸟巢、广州国际会展中心、上海金茂大厦等等，众多大型工程、形象工程，都采用了钢结构。市场需求的急剧增长，引发了大型复杂钢结构建筑的发展热潮，使其呈现迅猛前进的趋势，同时，也带动了其水平的不断提高和技术的不断创新。而大型钢结构中的施工力学问题，与工程质量的好坏密切相关，影响着工程的规模、施工的时序、造价成本等一系列问题，成为决定一个建筑结构能否成功完成的重要因素。
因此，不论是建筑的选材、图纸的设计还是工程的施工，力学问题及其分析方法，都是促进一项工程顺利进行的关键所在。
一、钢结构的特点
1、轻质高强
与混凝土、木材等传统的建筑材料相比，钢结构的强度相对较高。数据显示，混凝土的比重为2500kg/m3，抗拉设计强度为（1～）N/mm2，重量/强度=2500；木材的比重为500kg/m3，顺纹抗拉强度为（10～）N/mm2，重量/强度=50；钢材的比重为7850kg/m3，抗拉设计强度为（200～）N/mm2，重量/强度=40。由此可见，钢结构是一种质量较轻、强度较大的高性价比材料。
2、 塑性、韧性好，可靠性高
在相同的静力荷载作用下，与建筑的其他材料结构相比，钢结构具有很好的塑性变形能力，且韧性较高，安全可靠。
3、 工业化程度高，工期短
钢结构制造的工厂化、施工装配化的程度较高，可拆卸，从而大大缩短了施工周期。
4、 制造方便
钢结构的制造大多是在专业化的金属结构制造厂中完成，有很高的精确性，而且其拼装、连接、装卸、加固、改造等工序都简单易行。
5、 有一定的耐热性，但是抗火性能差
根据有关数据分析，当温度小于200℃时，钢结构的主要力学性能相对稳定；当温度大于200℃时，材质发生较大变化，强度降低；温度达600℃时，钢材进入塑性状态不能继续承载，可能使整个结构完全崩溃。
6、 作业面广
钢结构可用于众多领域的建筑工程，使用领域广泛。
二、钢结构的性能
从力学角度分析，钢结构中的钢材应有良好的强度性能（钢材可达到的最大应力）、伸长率（钢材在单项拉伸时的塑性应变能力）、冷弯性能（钢材塑性应变能力和钢材质量的综合指标）以及冲击韧性性能（刚才抵抗冲击荷载的能力），这样才能避免潜在的力学问题。
三、影响钢结构力学性能的主要因素
1、化学成份
化学成分对钢结构的组织构造有重要影响，根据研究显示，钢结构的基本元素是铁，比重为99%；有益元素有碳、硅、锰、镍、铬、铜、钒、铝、钛；有害元素有硫、磷、氧、氮等。
2、 钢材疲劳
钢材构件及其连接在动力荷载、连续反复荷载作用下，当应力变化过大时就会会发生破坏，出现变形甚至断裂。
3、温度
如前文所述，温度的变化对钢结构的影响也不容小视。
4、 冷作硬化影响
钢结构的冷加工可使其产生冷作硬化的现象，破坏其塑性和冲击韧性。
5、 应力集中的影响
应力集中可以导致钢材变脆，使其发生变形，严重的将影响整个钢结构的稳定性。
四、大型复杂钢结构中主要的力学问题
大型复杂钢结构中的主要涉及到得力学问题有吊装过程中的力学问题、滑轮力学问题、临时支柱搭建时力学问题、拆撑过程中的力学问题、预应力张拉过程中的力学问题、大跨度结构中的力学问题等等。下面将简单阐述一下大型复杂钢结构施工过程中的主要力学问题：
1、 应力集中
在大型复杂钢结构的部件中，当部件截面的完整性遭到破坏时（如：裂纹、空洞、刻槽、凹角，截面厚度或宽度改变），在截面变化处以及附近，就会产生应力线曲折密集的现象，出现高峰应力，这将导致钢材的几何形状、外形尺寸发生变化，从而在钢结构的部件中出现应力分布不均匀的现象，尤其是在某些区域内，将产生局部高峰应力的现象，同时，在另外一些区域，则出现应力降低的情况，从而导致应力集中，这一现象将使钢材变脆，破坏原有韧性，应力越集中，钢结构的塑性越差。
减少应力集中有以下几种方法：
①尽量使构建的外形圆滑过渡
②去应力退火。将钢结构中钢材部件加热到600℃-650℃，保温一段时间，然后后在空气中冷却，可以有效去掉焊接结构部件的焊接残余应力。
③提高冶金質量、加工质量，是解决应力集中较为根本的措施。
2、 内力引起的薄板屈曲
法向压应力、弯曲应力、剪应力、局部压应力，或是在这些力的共同作用下，会引起钢结构中薄板的屈曲。其中，弯曲应力可使凹凸波形的中心线靠近压应力合力的中心线；剪应力可产生45°倾斜的凹凸波形；局部压应力可产生靠近横向压应力作用边缘的鼓曲面。
3、 高强度螺栓的预拉力
这是为了通过拧紧螺栓产生对连接件的压力，增大摩擦力，从而达到紧固效果，从而增加钢结构的稳固性。而在该预拉力设计值的计算中，应充注意以下问题： ①充分考虑螺栓材质的不均匀性，可以引入一个折减系数
②要以螺栓的抗拉引能力为准，可以引入一个安全系数
③施工时为了弥补高强度螺栓预拉应力的松弛损失，可以引入一个超张拉系数
④拧紧螺栓时，要充分考虑受到预拉引力引起的拉应力及拉距引起的扭转剪应力
4、 焊接应力
焊接应力是在钢结构的部件焊接过程中而产生的应力，它可使钢结构的刚度降低，对部件的疲劳强度亦有不利影响；它还能对钢结构的形状、尺寸产生极大影响，甚至引起局部塑性变形，影响建筑的功能和外观，因此，在大型钢结构的建筑工程中，应注意减少焊接应力。减少焊接应力的措施主要有：
①不要过分集中焊接，避免焊缝过度集中
②避免焊缝的垂直交叉
③使焊缝对称于构件截面的中性轴，减少焊接变形
④避免在母材厚度方向的收缩应力
⑤合理设计焊缝长度以及焊脚尺寸
5、 轴心受压构件的稳定承载力
轴心受压构件主要应用于网架、塔架、索杆体系等结构，其承载力的大小对钢结构的稳定性有极大影响，而影响轴心受压构件承载力的因素主要有：
①构件本身的尺寸、形状
②钢材的强度系数
③初弯曲
④杆端约束程度
⑤初偏心
⑥焊接残余应力
因此，在大型复杂钢结构施工中，应充分考虑上述因素，以保证建筑结构的稳定性。
五、大型复杂钢结构施工中应满足的力学条件
1、 在大型复杂钢结构施工完成后，应确保其结构几何形状的变化控制在一定的范围之内，且位移在设计的坐标内不超限。
2、 钢结构的初始内力应该与其它荷载的组合共同满足结构受力的要求。
结语：
大型复杂钢结构是当今建筑结构主要类型之一，已经得到广泛的应用。而力学问题作为贯穿于整个复杂钢结构建筑施工过程的重要因素，是不容小觑的问题之一。不论是钢结构建筑中屋面系统、墙体结构的设计，还是其结构中连接技术、安装技术的使用，都离不开力学的支撑，因此，如何发现力学问题并作出合理的设计、高效的处理，对钢结构建筑的发展有重大意义。
参考文献：
[1]郭彦林，田广宇，周绪红，陈国栋.大型复杂钢结构施工力学极控制新技术的研究与工程应用[J].施工技术，2011（1）
[2]张慎伟，张其林，罗晓群，吴杰.大型复杂钢结构施工过程计算理论与应用[J].同濟大学学报（自然科学版），2009（4）
[3] 陈振明，许立山，彭明祥.大型复杂连体钢结构加工制作和安装综合技术[J].钢结构，2010（4）
[4]李学一.基于大跨度钢结构施工中结构力学分析方法的研究[J].中国新技术新产品，2010（24）