關(guān)于土木工程施工中的鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)分析

俞英娜

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系，蘭州 730060）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，我國建筑行業(yè)迎來了良好的發(fā)展契機(jī)。相較發(fā)達(dá)國家而言，我國建筑中鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用尚處于起步階段，然而隨著高層以及超高層建筑的迅速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)在建筑領(lǐng)域表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景[1]。本文將針對鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)在土木工程之中的運(yùn)用進(jìn)行系統(tǒng)而深入的探討。

1 土木工程施工中運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的優(yōu)點

鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1）鋼材具有理想的抗壓性。鋼結(jié)構(gòu)體也繼承了鋼筋優(yōu)異性質(zhì)，因而其表現(xiàn)出了理想的抗壓性。在土木工程中，鋼結(jié)構(gòu)體的理想抗壓性，將會顯著提高建筑物整體結(jié)構(gòu)的牢固性以及穩(wěn)定性。2）鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)具有理想的安全性。在土木工程建設(shè)中，合理運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)，可以大幅改善裂痕以及沉降等諸多不良問題[2]，為工程質(zhì)量提供有力保障，從而提高建筑物的安全系數(shù)。3）鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)具有理想的經(jīng)濟(jì)性。鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)有效規(guī)避了混凝土施工的諸多缺點，具有理想的經(jīng)濟(jì)性。

2 土木工程中鋼結(jié)構(gòu)施工的要點

整體而言，鋼結(jié)構(gòu)施工具有一定的復(fù)雜性，另外當(dāng)建筑要求存在差異時，其在細(xì)節(jié)上也會表現(xiàn)出一定的不同。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)的選材和連接

鋼材有四大類，分別是：1）板材；2）型材；3）金屬制品；4）管材。在土木工程建設(shè)中，普通碳素鋼的應(yīng)用最為廣泛，由于塑性低，因而其表現(xiàn)出了優(yōu)質(zhì)的硬度以及強(qiáng)度特性。在鋼結(jié)構(gòu)中，最為常見的柱子截面形式有3種，分別是箱形、“工”字形以及“十”字形。對于梁通而言，其一般使用“H”型鋼梁，除此之外，復(fù)合截面也屬于一種常見形式[3]，在正式安裝之前，應(yīng)以關(guān)鍵焊接接頭為目標(biāo)對象，予以焊接試驗，從而保證相關(guān)參數(shù)的合理性。梁梁連接以及梁柱連接，主要借助焊接或者高強(qiáng)螺栓連接兩種方式予以實現(xiàn)，如果采用第二種連接方式，應(yīng)對高強(qiáng)螺栓進(jìn)行校驗，使其具有足夠精度的連接孔位。

2.2 鋼構(gòu)件的堆放以及機(jī)械安裝地點的選擇

安裝結(jié)構(gòu)時，實際用地面積一般情況要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)占地面積。嚴(yán)格按照安裝流程操作。假若受運(yùn)輸因素影響而出現(xiàn)了某種程度的構(gòu)件變形，則有必要在施工現(xiàn)場予以矯正，使其合格。對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行安裝時，絕大多數(shù)情況下需要借助塔式起重機(jī)進(jìn)行操作，不僅要保證臂桿長度符合要求，而且要求起重能力能夠滿足實際需要，總而言之，應(yīng)盡最大努力提供和保證不同構(gòu)件所需要的不同起吊要求。鋼絲繩在長度和強(qiáng)度上應(yīng)滿足要求；保證起吊速度的合理性，不可過快，防止發(fā)生意外。如果是多機(jī)協(xié)同作業(yè)，那么確保臂桿高差能夠滿足實際要求，減少甚至避免碰撞，從而保證施工安全。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)油漆工藝的流程

首先對金屬表面進(jìn)行有效清理，然后予以除銹操作。如果采用手工處理方式，先用鋼絲進(jìn)行多次刷打，然后借助精砂布予以反復(fù)打磨，從而使其表面干凈、平滑，接下來使用棉紗將上述工序產(chǎn)生的銹粉等雜物清除干凈。在涂漆操作之前，應(yīng)使金屬表面具有足夠的干燥度，假若有水，則需要及時將其擦干。在涂漆操作時，不僅要刷細(xì)，而且要刷滿，同時還應(yīng)涂刷到位，除此之外，還應(yīng)做好鉚孔保護(hù)工作，不讓涂料污染鉚孔。等到防銹漆徹底干燥之后，使用合適規(guī)格的膩子對鋼構(gòu)件表面存在的缺陷進(jìn)行刮平處理。可在膩子中摻入一定量的紅丹粉等，提高其干硬性。在膩子干燥之后，予以打磨操作，使其平整，然后進(jìn)行徹底清理。進(jìn)行涂面漆涂刷時，應(yīng)多理多刷，同時保證油具有良好的外觀形態(tài)，不僅要不流不墜，而且要飽滿均勻，同時還應(yīng)色澤光亮一致，涂刷完成之后，應(yīng)予以認(rèn)真檢查，避免漏刷的發(fā)生。

3案例分析——以索穹頂鋼結(jié)構(gòu)為例

以索穹頂結(jié)構(gòu)為目標(biāo)對象，探討大跨空間鋼結(jié)構(gòu)施工所應(yīng)用到的創(chuàng)新技術(shù)。

3.1 索穹頂塔架提升索桿累積安裝方法

索穹頂屬于一種較為典型的張力結(jié)構(gòu)，主要組成包括：1）環(huán)索；2）斜索；3）脊索；4）壓桿；5）內(nèi)拉環(huán)；6）外壓環(huán)。對于索穹頂塔架提升索桿累積安裝方法而言，其涉及3個關(guān)鍵階段，一是低空組裝，二是空中牽引提升，三是高空張拉，具體施工過程包括：1）于場地中心位置搭建一提升塔架，并使其稍高于索穹頂中心點設(shè)計高度，于地面上完成脊索網(wǎng)以及中心受拉環(huán)的相關(guān)組裝（如圖1a所示）。2）于塔架頂位置安裝一多點提升裝置以實現(xiàn)對中心受拉環(huán)的上下提升，與此同時，在受壓外環(huán)梁位置安裝一牽引裝置以實現(xiàn)對脊索網(wǎng)的斜向牽引（如圖1b所示）。3）對脊索網(wǎng)與中心受拉環(huán)二者做牽引操作或者提升操作時，應(yīng)于離地面較近位置設(shè)置和安裝各環(huán)對應(yīng)的環(huán)索以及壓桿，并進(jìn)行斜索部分的擴(kuò)展安裝，并保證前后操作順序的合理性（如圖1c所示）[4]。4）待提升抵達(dá)設(shè)計位置后，接下來需要以最外環(huán)斜索為目標(biāo)對象，行有效張拉，從而使結(jié)構(gòu)成型（如圖1d所示）。5）對提升塔架進(jìn)行分段拆除（如圖1e所示）。

圖1索穹頂塔架提升索桿累積安裝施工過程示意

上述施工方法的優(yōu)勢在于：借助提升塔架以及相關(guān)牽引設(shè)備，對中心拉力環(huán)等予以有效提升，能夠較為精準(zhǔn)地調(diào)整中心拉力環(huán)所對應(yīng)的具體高度，使得脊索牽引無論在距離上還是在牽引力上均有一定幅度的減小。如此一來，可以大幅降低脊索施工難度系數(shù)，在距離地面較近位置完成包括壓桿、環(huán)索、斜索等在內(nèi)的安裝，可以大幅精簡安裝內(nèi)容和步驟，大幅減少高空作業(yè)量，從而提高施工安全系數(shù)；僅僅對最外環(huán)斜索結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動張拉，從而結(jié)構(gòu)成型，保證了張拉效率。

3.2 確定索桿系靜力平衡狀態(tài)的非線性動力有限元法

索桿系施工雖然帶有明顯的動態(tài)過程特點，然而選擇某時間予以研究，索桿系可被視作處于靜力平衡狀態(tài)。所以，可對其施工過程予以科學(xué)劃分，使其成為數(shù)個靜力平衡態(tài)，并予以找形分析。

確定索桿系靜力平衡態(tài)的非線性動力有限元法（NDFEM），即以非線性動力有限元為基礎(chǔ)，適當(dāng)引入和應(yīng)用虛擬慣性力以及黏滯阻尼力，構(gòu)建對應(yīng)的運(yùn)動方程，對難度較大的靜力求解問題進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其成為較為簡單的動力問題，并借助對索桿系位形的迭代更新處理，如此一來，實現(xiàn)了對索桿系動力平衡狀態(tài)的有機(jī)轉(zhuǎn)化，使其成為一種靜力平衡狀態(tài)。

NDFEM找形分析的關(guān)鍵之處在于兩點，一個是非線性動力平衡迭代，另一個關(guān)鍵則在于位形更新迭代，其設(shè)計的一般程序如下：1）設(shè)計并制作一個所謂的初始有限元模型。2）在非線性動力有限元分析法的幫助下展開相應(yīng)分析，待總動能逐漸升高且達(dá)到上限時，對該模型予以必要更新，然后加以系統(tǒng)的動力分析，直至達(dá)到位形迭代收斂效果為止。3）前兩個步驟獲得的有限元模型展開系統(tǒng)的非線性靜力分析，與此同時，基于靜力平衡狀態(tài)展開相應(yīng)的檢驗。4）對最終結(jié)果進(jìn)行有效提取以及分析。

NDFEM法找形分析，實現(xiàn)了對難度系數(shù)頗高的靜力平衡有限元分析的有效轉(zhuǎn)化，使其成為一種相對簡單的平衡動力學(xué)分析，與此同時，通過迭代以實現(xiàn)位形更新，從而使索桿系狀態(tài)處于一種高度的靜力平衡狀態(tài)，這樣做能夠解決超大位移中將要面臨的索桿找形問題。允許將結(jié)構(gòu)設(shè)計為成型狀態(tài)所對應(yīng)的位形，然后將之當(dāng)作所謂的初始位形，這樣做一方面不需要索桿運(yùn)動軌跡進(jìn)行假定，另一方面不需要對無限接近平衡點所對應(yīng)的初始位移進(jìn)行假定[5]，不僅如此，還充分保證了結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性以及高效性。

3.3 工程應(yīng)用

“索穹頂塔架提升索桿累積安裝方法”以及“確定索桿系靜力平衡狀態(tài)的非線性動力有限元法”，目前已經(jīng)在無錫新區(qū)科技交流中心的索穹頂工程中得以成功應(yīng)用。該索穹頂結(jié)構(gòu)，主要包括三大部分，一是中心受拉鋼環(huán)，二是外受壓鋼環(huán)，三是三環(huán)Geiger型索桿系，所選用的材料主要為鋁板以及玻璃，并由二者構(gòu)成一個具有理想剛性的屋面，在提升牽引總高度方面，將其定為21.55 m。

在該索穹頂工程施工中，其具體跨度由于沒有超過一定標(biāo)準(zhǔn)，所以，沒有為之配套安裝中心提升塔架，而是借助斜向提升索予以實現(xiàn)，該斜向牽引索位于外環(huán)壓梁、外環(huán)脊索二者之間，提升索、牽引索有機(jī)配合，在低空通過累積安裝方式設(shè)置好斜索、撐桿，整個脊索網(wǎng)按照“ω”形予以分步驟地提升以及牽引，并使之就位，最后環(huán)節(jié)，對最外環(huán)斜索展開同步張拉操作，從而讓整個結(jié)構(gòu)最終成型。采用NDFEM法找形分析得到的施工過程位形如圖2所示，現(xiàn)場施工過程如圖3所示。

圖2索穹頂施工過程位形分析

圖3索穹頂施工

4 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)勢以及鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的快速發(fā)展，使得鋼結(jié)構(gòu)將會在土木工程施工中得以廣泛應(yīng)用。結(jié)合不同類型建筑的具體需要，更加合理、高效地運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)成了相關(guān)技術(shù)人員的一項重要工作任務(wù)。在土木工程施工中，重視并做好鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的引入和應(yīng)用，能夠為工程帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

[1]王毓平.探討土木工程建設(shè)中鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用與管理[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（07）：205.

[2]呂玉堂，張娜.試論土木工程施工中的鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu),2013（16）：43.

[3]侯兆欣.奧運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)科技創(chuàng)新工作綜述[J].施工技術(shù),2011（01）：56-59.

[4]陳光耀.對土木工程中的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用情況的探討[J].科技致富向?qū)В?012（36）：157，209.

[5]陳明舉.基于鋼結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用研究[J].科技致富向?qū)В?013（35）：214，217.