大跨度拱形輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)分析

喻哲

（廣東省城市建設(shè)高級(jí)技工學(xué)?！V東　廣州　510520）

大跨度拱形輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)分析

喻哲

（廣東省城市建設(shè)高級(jí)技工學(xué)校廣東廣州510520）

隨著大型社會(huì)文化體育活動(dòng)的舉辦和國(guó)家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，社會(huì)對(duì)大跨度空間的需求越來越多，在此社會(huì)背景下，大跨度建筑結(jié)構(gòu)的建造技術(shù)得到了快速的提高和發(fā)展。由于大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式是大跨度建筑結(jié)構(gòu)建造技術(shù)的核心之一，所以近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者為提高結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性能和跨越能力，提出了多種新型的大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式，如索穹頂結(jié)構(gòu)、張弦結(jié)構(gòu)體系、斜拉結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)、拱支結(jié)構(gòu)等。本文針對(duì)其中的拱支結(jié)構(gòu)體系，對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并做出了一定程度上的總結(jié)。

大跨度；輕鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)分析

引言

近年來，輕鋼結(jié)構(gòu)不斷的發(fā)展，并向大跨度挑戰(zhàn)，足以表明我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)都在不斷的提高，已經(jīng)接近或者可以說是達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)水平。如今，人們普遍把30m跨度認(rèn)為是輕鋼結(jié)構(gòu)門式鋼架的極限跨度，超過30m的建筑一般采用網(wǎng)架空間結(jié)構(gòu)。由于國(guó)內(nèi)沒有可靠的設(shè)計(jì)軟件以及先進(jìn)的數(shù)控下料設(shè)備，所以我國(guó)大跨度輕鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展受到了很嚴(yán)重的制約。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對(duì)外交流的密切，經(jīng)過向發(fā)達(dá)國(guó)家學(xué)習(xí)先進(jìn)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作安裝技術(shù)，我國(guó)剛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作安裝技術(shù)得到了很大的提高。

1　大跨度拱形輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)和設(shè)計(jì)分析

沈陽華發(fā)水上娛樂中心是集娛樂、商業(yè)、餐飲于一體的綜合性建筑，總建筑面積32000m2，地下一層，地上兩層，建筑總高度23.8m。其獨(dú)具一格的弧形屋頂將成為沈陽市的一大景觀。建筑框架均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，屋蓋為輕鋼結(jié)構(gòu)，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的大跨度輕鋼拱形結(jié)構(gòu)。圖1是結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖1　沈陽華發(fā)水上娛樂中心示意圖

如圖1所示，在進(jìn)行該工程項(xiàng)目的整體設(shè)計(jì)中，該工程項(xiàng)目主要采用大跨度拱形鋼結(jié)構(gòu)桁架結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于該結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)依據(jù)與大跨度拱形鋼結(jié)構(gòu)桁架設(shè)計(jì)過程中的各種力學(xué)計(jì)算，對(duì)于該結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析和論述。本工程按設(shè)備和工藝的要求，土建結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方形的平面，屋面為橢圓形拱形屋面，土建結(jié)構(gòu)可以采用鋼筋混凝土與鋼架結(jié)合，這樣既可以保證結(jié)構(gòu)整體的可靠度也可以滿足結(jié)構(gòu)對(duì)空間和視覺上的需求。

1.1大跨度拱形輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)

在進(jìn)行沈陽華發(fā)水上娛樂中心工程的屋蓋設(shè)計(jì)中，在進(jìn)行屋蓋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力荷載設(shè)計(jì)和所需要的鋼管設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)力荷載的計(jì)算依據(jù)是根據(jù)相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)的計(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì)，此外，在進(jìn)行該屋蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，還應(yīng)該結(jié)合屋蓋結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目所在地區(qū)的地震作用于環(huán)境情況等，并根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。其次，在進(jìn)行該工程的設(shè)計(jì)時(shí)，是應(yīng)用了專門的鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與整體穩(wěn)定性分析與校核、計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件、結(jié)構(gòu)體型系數(shù)模擬分析與校核軟件等。在對(duì)屋蓋體系的結(jié)構(gòu)作用參數(shù)設(shè)置情況下，通過對(duì)結(jié)構(gòu)體型系數(shù)進(jìn)行模擬分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)于大跨度結(jié)構(gòu)拱形鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。

由于在活再和恒載的作用下，拱桁架的拱腳處會(huì)產(chǎn)生一定的水平推力，由于樁基礎(chǔ)在抵抗水平力的能力下是有限的，所以在拱腳處設(shè)置相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力基礎(chǔ)梁來進(jìn)行平衡水平推力帶來的阻力，施加的預(yù)應(yīng)力和拱桁架形成一個(gè)自平衡體系，從而抵消來自水平推力帶來的部分?jǐn)D壓。在結(jié)構(gòu)起拱的部位要設(shè)置一定的支架，支架的卸載應(yīng)遵循將內(nèi)里快速安全的傳遞給永久結(jié)構(gòu)，并且保證承重支架及結(jié)構(gòu)在卸載過程中的變形合理。在鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后，先對(duì)預(yù)應(yīng)力基礎(chǔ)梁內(nèi)的拉鎖進(jìn)行初張拉、二次張拉、對(duì)稱卸載支架等工序。

1.2大跨度拱形鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析

在進(jìn)行該項(xiàng)目的屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先要選擇工程的屋蓋形式，然后再進(jìn)行施工設(shè)計(jì)，在施工設(shè)計(jì)過程中，不僅對(duì)于建筑形式的要求要高一些，并且對(duì)于建筑項(xiàng)目的室內(nèi)空間需求也要大一些。為了滿足工程項(xiàng)目的大空間需求，同時(shí)也要保證建筑屋蓋結(jié)構(gòu)部分的應(yīng)力荷載與質(zhì)量等，通過結(jié)合工程項(xiàng)目的施工設(shè)計(jì)要求和特點(diǎn)，在進(jìn)行施工設(shè)計(jì)的過程中要采用專門的大跨度拱形鋼結(jié)構(gòu)桁架進(jìn)行屋蓋部分的設(shè)計(jì)應(yīng)用，能夠提高結(jié)構(gòu)的利用率，同時(shí)滿足人們對(duì)結(jié)構(gòu)的外觀和質(zhì)量安全的要求。

在進(jìn)行該項(xiàng)目的屋蓋設(shè)計(jì)過程中，由于屋蓋結(jié)構(gòu)的跨度比較大，為了保證該跨度范圍下屋蓋結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和荷載強(qiáng)度，需要采用專門的桁架結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行屋蓋結(jié)構(gòu)的施工設(shè)計(jì)。在鋼桁架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，沒榀桁架的腹管、主弦管以及支管等都采用統(tǒng)一厚度的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的無縫鋼管，但是直徑是不相同的。作為鋼桁架結(jié)構(gòu)的材料，其連接一般采用全焊接實(shí)現(xiàn)連接，這樣可以保證結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與安全。其次，在進(jìn)行大跨度拱形鋼結(jié)構(gòu)桁架屋蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，要滿足結(jié)構(gòu)材料與強(qiáng)度等方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)形式的強(qiáng)度和荷載質(zhì)量保證外，還要滿足結(jié)構(gòu)的風(fēng)敏感性以及荷載情況等進(jìn)行考慮與計(jì)算分析，這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)桁架的質(zhì)量保證。結(jié)合該工程大跨度拱形鋼結(jié)構(gòu)桁架屋蓋結(jié)構(gòu)形式的主要設(shè)計(jì)因素，在進(jìn)行該工程結(jié)構(gòu)形式的最終確定與選擇中，要結(jié)合結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力與結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)重要的方面，確定最終的結(jié)構(gòu)形式。

2　大跨度拱形輕鋼結(jié)構(gòu)桁架的吊裝施工設(shè)計(jì)分析

在進(jìn)行沈陽華發(fā)水上娛樂中心項(xiàng)目的大跨度拱形鋼結(jié)構(gòu)桁架屋蓋體系的施工建設(shè)的時(shí)候，為了更好的保證該工程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量又便于施工，通常采用吊裝方式進(jìn)行施工建設(shè)，在進(jìn)行工程建設(shè)施工中，一般采用的吊裝施工方法主要有高空滑移吊裝施工法和雙機(jī)臺(tái)吊施工法以及整體提升或頂?shù)跹b方法。由于工程的施工建設(shè)受到施工場(chǎng)地的空間限制，在進(jìn)行上述施工工程時(shí)，施工項(xiàng)目的建設(shè)中不能夠保證工程項(xiàng)目的一側(cè)能進(jìn)行大型吊機(jī)的行走施工，因此，該工程在施工建設(shè)時(shí)不能采用雙抬吊吊裝施工方法進(jìn)行應(yīng)用施工。其次，由于該體系結(jié)構(gòu)中的桁架管平面尺寸大小不一，但是該工程結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)部分為混凝土支墩形式，所以，在進(jìn)行該結(jié)構(gòu)的吊裝過程中，應(yīng)該使用高空滑移的吊裝施工方發(fā)進(jìn)行應(yīng)用施工，在此過程中的施工難度會(huì)比較大，施工的空間局限性也比較大。最后，由于該結(jié)構(gòu)屋蓋結(jié)構(gòu)周邊的支撐點(diǎn)比較少，屋蓋結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，所以對(duì)工程施工建設(shè)的設(shè)備的要求較高，支出的費(fèi)用也很大，所以頂升吊裝施工方式和整體抬升施工方式也不太適合上訴結(jié)構(gòu)的建設(shè)施工應(yīng)用。所以在此工程結(jié)構(gòu)的施工建設(shè)中，要充分利用技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，采用各種技術(shù)相結(jié)合的方式，從而達(dá)到設(shè)計(jì)的需要，降低造價(jià)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大跨度輕鋼結(jié)構(gòu)的要求。

3　在進(jìn)行該結(jié)構(gòu)屋蓋結(jié)構(gòu)時(shí)的施工方法與技術(shù)分析

對(duì)于進(jìn)行該工程的施工應(yīng)用建設(shè)過程中，為了便于施工的開展，同時(shí)保證工程項(xiàng)目的屋蓋結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，要結(jié)合上訴吊裝施工的分析和該施工工程屋蓋結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，研究出一種比較合理的施工方法，采用三段式綜合安裝施工工藝進(jìn)行該工程項(xiàng)目中屋蓋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用施工。三段式綜合安裝施工工藝其實(shí)是指將屋蓋體系結(jié)構(gòu)中的桁架端部的兩個(gè)變斷在地面胎架上采用地面拼裝與吊裝的施工方式拼裝起來，然后通過履帶吊裝設(shè)備將桁架的兩個(gè)邊段安裝固定，然后吊裝到施工結(jié)構(gòu)位置處，最后對(duì)結(jié)構(gòu)屋蓋桁架的中間段在高空搭設(shè)腳手架，這樣才能保證以兩端對(duì)稱向中間的方式進(jìn)行高空散裝，實(shí)現(xiàn)在中部合攏。

在進(jìn)行該工程項(xiàng)目屋蓋結(jié)構(gòu)的的施工建設(shè)中應(yīng)用三段式綜合施工工藝時(shí)，應(yīng)該注意以下施工中的重點(diǎn)和難點(diǎn)：①在進(jìn)行屋蓋結(jié)構(gòu)桁架的高空拼裝時(shí)，需要在樓面上放出拼裝的各控制點(diǎn)的尺寸，運(yùn)用經(jīng)緯儀引導(dǎo)胎架來實(shí)現(xiàn)屋蓋結(jié)構(gòu)中的桁架在臺(tái)架上的高空拼裝的施工工序。由于該桁架的凈空較高，進(jìn)行拼裝施工的桁架跨度也比較大，所以在進(jìn)行測(cè)量控制時(shí)會(huì)遇到很多的困難。②由于屋蓋桁架的投影是一個(gè)梭形，但是桁架的橫截面尺寸是一個(gè)變量，在進(jìn)行桁架的拼接過程的施工中，需要從兩個(gè)方向進(jìn)行同時(shí)控制上弦桿的各個(gè)定位點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)行桁架的側(cè)彎高度和拱形高度的控制。③在該工程中，當(dāng)上弦桿真正成形后表現(xiàn)出兩個(gè)不同半徑的圓柱面相貫線，并且，在屋蓋的結(jié)構(gòu)中桁架弦桿和腹桿之間又是相貫連接的，因此，對(duì)于桁架腹桿與桁架弦管相貫線切割情況的好壞，直接影響屋蓋桁架現(xiàn)場(chǎng)拼接的質(zhì)量。

4　結(jié)束語

隨著設(shè)計(jì)水平的不斷提升和施工技術(shù)的迅速發(fā)展，在工程的施工建設(shè)中，大跨度拱形輕鋼結(jié)構(gòu)桁架形式的應(yīng)用也越來越廣泛。因?yàn)樵诖罂臻g、大跨度的建筑結(jié)構(gòu)中，拱形桁架能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在技術(shù)和應(yīng)用上的要求，結(jié)合桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析，有利于提高結(jié)構(gòu)應(yīng)用的水平，保證設(shè)計(jì)的質(zhì)量，促進(jìn)結(jié)構(gòu)在施工中的應(yīng)用，從而促進(jìn)建筑業(yè)的發(fā)展。在現(xiàn)代社會(huì)中，大跨度輕鋼拱形結(jié)構(gòu)技術(shù)會(huì)更加的完善，或許在不久的將來，大跨度拱形輕鋼結(jié)構(gòu)會(huì)隨處可見，人們對(duì)建筑的利用率也越來越高。

[1]劉志強(qiáng).濟(jì)南站無站臺(tái)柱雨棚大跨度拱形空間鋼管桁架施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008（08）.

[2]金振，程勤功，畢慶槐.大跨度變截面拱形立體管桁架施工技術(shù)[J].建筑技術(shù)，2008（08）.

[3]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ17-88）.1998.

[4]《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》（JGJ81-91）.1991.

[5]李國(guó)強(qiáng)，王彥博，陳素文，等.Q460高強(qiáng)度鋼焊接H型柱軸心受壓極限承載力參數(shù)分析[J].建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2013，15（5）：8～13.

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