大跨度復雜鋼結構施工過程中的若干技術問題及探討

【摘 要】大跨度復雜鋼結構和其他復雜的多高層鋼結構建筑中，鋼結構的主要應用形式為各種大型體育場館和標志性建筑。鋼結構和混凝土結構的施工周期、抗震性能相比，具有明顯的優(yōu)勢。但對于復雜的空間系統(tǒng)、多層次的鋼管和其它鋼管結構，因為它規(guī)模和復雜的機械特性，它的建設和安裝技術正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。

【關鍵詞】施工技術；鑄鋼節(jié)點；滑移施工技術；整體提升施工技術

隨著建筑理念的不斷更新，也出現(xiàn)了許多新建筑，特別是機場大樓、會展中心、體育館等大型公共建筑都會采用跨度比較大、復雜空間鋼結構當做建筑體系。建筑的審美需求和功能的多樣化，導致了施工工藝的變化，這意味著不能只停留在一個簡單的更新建設上，還需要鋼結構提升到新的制造技術，比如滑移曲線、非對稱整體等增加了新的施工技術。計算機輔助技術，在如今的工程實踐中，會經常被使用到動態(tài)控制結構之中，從而促進建筑行業(yè)從傳統(tǒng)的施工方法，向跨行業(yè)、機械化、高科技領域前進。因此，施工企業(yè)在激烈的市場競爭中如果想要站穩(wěn)腳跟，就需要根據(jù)項目的需要不斷嘗試新的技術和創(chuàng)新。

一、整體滑移施工技術

大跨度鋼結構施工過程中，最關鍵的問題是在空間結構形成整體之前的穩(wěn)定問題，滑移施工技術解決了這個問題?；瓶刂仆竭^程是使用牽引裝置，將被劃分成多個穩(wěn)定的車身結構沿著目標軌道運行，由設計位置水平移動到裝配位置的施工技術。這個過程的優(yōu)點是：能夠解決起重設備很多輻射吊裝安裝結構解決不了的問題，節(jié)省施工現(xiàn)場起重設備的要求低。缺點是：結構平面剛度要求高，需要鋪設軌道，牽引困難時，多點同步控制難度很大。

為了防止在提升的過程中，由于吊點強度和穩(wěn)定性對桁架產生影響，需要進行不同步檢測。提高系統(tǒng)設置一個標準提升點、系統(tǒng)的動態(tài)采樣，另外，增強位移值，以確保差異在l5mm之內。千斤頂只能給結構提供向上的力量，只能提供單向垂直約束，所以計算結果的合理性，需要進行嚴格的測試。各個提升點的位移差出現(xiàn)增強的應力狀態(tài)的時候，結構將發(fā)生變化，因此需要計算位移差時可能會發(fā)生結構的受力狀況，確保提升桁架過程中安全、可靠。

提升點有幾十個之多，有多種位移不同步的工作狀況，需要選擇更危險的情況。提升點的位移差會造成位移構件內力變得更大一些，計算位移差桁架體系能夠在各種位移差工作條件下，對桿件內力進行穩(wěn)定性的分析，能夠確保提升過程中，只要嚴格控制提升點和標準點Lpl2之間的差不超過l5mm，那么該結構是安全的。在實際的提升過程中，由于提升點與標準點之間的位移差在允許范圍內，桁架體系沒有桿件發(fā)生局部失穩(wěn)。

二、柔性結構的成型問題及分析

索穹頂結構是典型的空間張拉結構體系，成型工程的施工技術和計算方法是在施工過程中存在的主要問題。索穹頂結構包括脊索、斜索、環(huán)索、中央支柱拉伸鋼圈和外壓鋼圈梁等構件。文獻上的索穹頂結構的形成過程進行了詳細的理論分析，通過不同的順序和不同的方法施加預應力，使得結構逐步形成?？傮w而言，施工索穹頂結構也就是存在兩種順序和方法：

第一，首先將中央桁架或中間拉力環(huán)提升至設計位置并用臨時施工塔架支承，然后對其中間結構部分進行定位，然后一個一個從外圈開始向內拉緊斜拉橋。

第二，需要先固定脊索、坡道和外部電纜的連接，然后再一個一個從外側傾斜向內拉緊電纜、起重桅桿，并最終提高內拉環(huán)。但是由于技術保密的原因，外國文獻中提到的施工方法只是簡單的介紹，近年來國內一些學者已經進行研究這方面的工作，并取得了一定的成績，為索穹頂在中國的應用奠定了理論依據(jù)。

三、復雜空間鋼結構施工過程的動態(tài)結構計算機控制

計算機控制是近年來計算機技術的動態(tài)結構，建設一個新的技術領域，是對于施工來說是非常有效的。通過各種不利因素的分析和計算，可以有效的進行方案可行性分析、優(yōu)化施工方案、確保施工質量、安全和科學的程序，驗證負面因素對結構的影響范圍是否合理，從而，提出合理的控制方法，將有助于指導施工的全過程。具體項目的應用如下：廣州機場4300 t鋼屋頂?shù)觞c非對稱動態(tài)結構中，通過計算機控制的整體提升過程；廣州新白云機場航站樓鋼屋蓋滑移曲線分析和控制；鋼棒拉桿組合結構目標位移控制結構預拱。

四、施工過程跟蹤模擬計算及分析

在施工過程之中，為了能夠保證大跨度和超大跨度結構在施工過程中能夠安全有效的進行，施工隊伍往往需要在施工的過程中進行跟蹤模擬計算，從而能夠確定結構或構件的條件能夠滿足強度、剛度和穩(wěn)定性的具體要求。對于大跨度結構的建設而言，它的工程項目是一個持續(xù)時間較長的過程，在一個持續(xù)的施工過程中，我們不敢保證每一個階段的結構或構件內力和位移都是固定不變的。因此必須跟蹤計算，以便采取有效的措施，以防止或變更加工尺寸精確。澳門運動場安裝程序和安裝過程控制，就是根據(jù)全過程跟蹤模擬計算來進行仿真結果的確定。

五、滑輪力學問題及分析

結構或構件在吊裝過程中往往配置多個滑輪，一是能夠調整其作用提升力結構，二是方便調整結構或構件在空中的姿勢和位置，以支持相鄰組件和連接的精確性。從原來的結構、繩子和滑輪，形成新的結構是獨一無二的，它的力和位移計算極其復雜，并要求剛體力學中應用和關節(jié)的彈性解決方案。為了解決結構中以滿足現(xiàn)場配置和內力分布的平衡條件下，可以在兩端添加一個水平桁架桿，對其進行有限元分析。結構達到平衡配置的條件是經過反復的迭代，使得水平連桿的內力為零。為了便于討論，筆者對這一類的問題被稱為滑輪機械問題。

六、高空無支托拼裝施工技術

高空無支托拼裝施工技術，其建設原則是：將結構系統(tǒng)分段，選擇吊裝順序，使施工過程中不用塔設支撐平臺，利用單元組件的剛性結構形成一個穩(wěn)定的單元本身，最后形成一個整體結構。

某會展中心是目前國內規(guī)模最大的雙懸臂式空間桁架結構屋頂，懸臂長度從北到南35米，東21米，雙向懸臂。雙向屋頂外挑結構封頂，單榀質量80 t，施工階段桁架偏轉難以控制?？臻g桁架系統(tǒng)，使用單榀吊裝時，施工階段的負載和最終使用負荷的差距比較大。使用高空無支托拼裝施工技術，通過擴大穩(wěn)定的結構單元組裝，并最終形成一個整體結構。廈門國際會展中心的懸臂式結構，正是利用這一計劃進行建設的，充分的利用結構本身的優(yōu)勢，降低建設投資，為下部空間創(chuàng)建了一個工作表面，加快施工進度。高空無支托拼裝施工技術已經成為一個重要空間結構懸臂施工技術的創(chuàng)新。

總結：

本文在介紹了一系列大跨度鋼結構施工技術的基礎上從一些復雜的空間的角度來看近期大跨度鋼結構工程，包括兩個方面：（1）從施工方法形成了以滑曲線、不對稱整體提升、擴大單元無支托組裝技術為核心技術的空間結構安裝系列。 （2）形成了從結構應力條件下的分析；鑄鋼、鍛造和異型空間鋼結構生產； 擴大單元無支托組裝；曲線滑移；非對稱施工過程以及提升整體的動態(tài)結構計算機控制的相關流程；焊接、空間定位控制技術；結構和變形試驗、測試技術和其他輔助技術，包括鋼結構建筑成套技術。希望這些技術能夠為中國的鋼鐵建筑行業(yè)的生產力水平，將有助于提高，從而使我們的空間跨度鋼結構施工技術進入到世界先進水平。

參考文獻：

[1]郭彥林.廣州新白云國際機場航站樓鋼結構整體曲線滑移施工技術[J].建筑結構學報，2002.

[2]周觀根.廈門西站屋面鋼結構施工關鍵技術[J].施工技術，2010.

[3]郭彥林.復雜鋼結構施工力學問題的研究與應用[J].施工技術，2006.