大跨度拱支結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與施工技術(shù)研究

胡琪

（江西嘉億建設(shè)工程有限公司）

大跨度拱支結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與施工技術(shù)研究

胡琪

（江西嘉億建設(shè)工程有限公司）

近年來，國內(nèi)大型社會(huì)文化體育活動(dòng)越來越多，對(duì)大跨度結(jié)構(gòu)的建筑物需求越來越大，極大的推進(jìn)了大跨度建筑結(jié)構(gòu)類型的豐富及施工技術(shù)發(fā)展，其中的拱支結(jié)構(gòu)是當(dāng)前運(yùn)用最為廣泛的一種大跨度建筑結(jié)構(gòu)。本文從大跨度建筑結(jié)構(gòu)入手，基于大量文獻(xiàn)資料對(duì)拱支結(jié)構(gòu)的組成、分類，以及力學(xué)性能、施工技術(shù)進(jìn)行了探討，以期對(duì)拱支結(jié)構(gòu)有個(gè)較為系統(tǒng)而簡要的了解。

拱支結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能；施工技術(shù)；大跨度；建筑結(jié)構(gòu)

隨著社會(huì)的發(fā)展與大型社會(huì)文化體育活動(dòng)的增多，大跨度結(jié)構(gòu)建筑物在城市中越來越多，如體育場館、大劇院、會(huì)展中心、博物館、大型倉庫等，各類型的大跨度建筑物分布在城市各個(gè)地角度，彰顯著一個(gè)城市的面貌和時(shí)代精神。目前，大跨度建筑結(jié)構(gòu)的造型及其施工技術(shù)已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家建筑技術(shù)水平高低的重要標(biāo)準(zhǔn)。而我國正處于城市化建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)階段，對(duì)規(guī)模宏大、形式新穎、技術(shù)先進(jìn)的大跨度建筑物需求較高，為滿足城市化發(fā)展需要及社會(huì)對(duì)大空間的需求，應(yīng)搞好大跨度結(jié)構(gòu)建筑物建設(shè)。拱支結(jié)構(gòu)作為最常見、應(yīng)用最廣的大跨度建筑結(jié)構(gòu)，受到了極大關(guān)注，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其分類及力學(xué)性能、施工技術(shù)的分析，使之更好的應(yīng)用于我國建筑建設(shè)。

1 大跨度拱支結(jié)構(gòu)及其分類

大跨度拱支結(jié)構(gòu)由上部鋼拱和下部的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)組合而成，其中，上部鋼拱對(duì)結(jié)構(gòu)特性有較大的影響。眾所周知，拱是一種很古老又現(xiàn)代的結(jié)構(gòu)形式，其是橋梁工程最常使用的一種結(jié)構(gòu)形式。但隨著社會(huì)對(duì)大空間建筑需求的提高，拱這一種結(jié)構(gòu)形式被引用到房屋建筑結(jié)構(gòu)中來，逐漸演變形成大跨度建筑結(jié)構(gòu)，保證了大空間、大跨度空間的實(shí)現(xiàn)。

大跨度拱支結(jié)構(gòu)雖然起步較晚，經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)形成了多種結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，有著不同的結(jié)構(gòu)形式。按照拱的相對(duì)位置關(guān)系，分為內(nèi)拱支結(jié)構(gòu)和外拱支結(jié)構(gòu)；按照被拱支結(jié)構(gòu)形式，分為拱支網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、拱支網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、拱支板結(jié)構(gòu)、拱支桁架結(jié)構(gòu)等；按照上部鋼拱和下部結(jié)構(gòu)之間連桿的預(yù)應(yīng)力引入情況，分為預(yù)應(yīng)力拱支結(jié)構(gòu)、非預(yù)應(yīng)力拱支結(jié)構(gòu)?？紤]到上部剛拱結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)拱支結(jié)構(gòu)特性的影響，我國出臺(tái)《拱形鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)中常用的剛拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸納和分類，具體有鋼管桁架拱、開孔截面鋼拱、實(shí)腹式截面鋼拱、索拱以及鋼管混凝土拱等剛拱形式。

2 大跨度拱支結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

為了更好的研究大跨度拱支結(jié)構(gòu)李的力學(xué)性能，下面結(jié)合典型拱支結(jié)構(gòu)—弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了相關(guān)分析。某體育場館采用弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)，屋面分為兩部分，一部分是輕屋面，另一部分是玻璃屋面。根據(jù)我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和項(xiàng)目任務(wù)書要求，這一體育場館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限為100年，基準(zhǔn)年限為50

年，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.1，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)。為滿足這些要求，需要對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行分析，研究各類工況下結(jié)構(gòu)的桿件應(yīng)力比，為分析結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能提供數(shù)據(jù)支持。建筑結(jié)構(gòu)一般要受到恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、積雪荷載，以及地震作用、溫度作用等方面帶來的影響。不同的荷載組合，有著不同的力學(xué)表現(xiàn)。該體育場館采用的弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)共提出了100余種的荷載工況組合，典型的荷載工況組合約有16種，如表1所示。

表1 16種典型荷載工況組合表

確定適于該體育場館使用年限和安全等級(jí)的典型荷載工況組合后，利用有限元軟件建立體育場館弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)的三維空間模型。其中，上層單層網(wǎng)殼及空間曲線拱桿件通過beam4單元模擬，徑向拉桿通過link8單元模擬，環(huán)向拉索通過link10模擬，然后計(jì)算得出各荷載工況組合下桿件應(yīng)力比的控制情況。從計(jì)算結(jié)果看，有溫度參與的荷載工況組合的桿件應(yīng)力比高于沒有溫度參與的荷載工況組合，這說明該體育場館的拱支結(jié)構(gòu)對(duì)溫度作用的敏感性較大。之所以這樣，主要有三方面原因。①該體育場館屋面分為輕屋面、玻璃屋面兩部分，其中，玻璃屋面的太陽光透射率為70%左右，屋面下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件很容易受到太陽輻射，造成弦支穹頂結(jié)構(gòu)溫度敏感；②該體育場館的空間曲線拱的整體剛度較大，當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件受溫度作用時(shí)，與之相連的下部網(wǎng)殼構(gòu)件溫度應(yīng)力會(huì)有所增加，這也會(huì)造成本結(jié)構(gòu)溫度敏感；③體育場館長期暴露在室外，長期受空氣對(duì)流、太陽輻射等作用，空間曲線拱溫度較高，并且長期保持這一狀態(tài)，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)溫度敏感性。

基于以上分析，了解到該體育場館的弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)具有溫度敏感性，在溫度作用下，結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力比較高，說明溫度作用影響著桿件內(nèi)力和節(jié)點(diǎn)位移情況。所以，進(jìn)行場館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮溫度作用對(duì)結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的影響。

3 大跨度拱支結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)

從當(dāng)前大跨度拱支結(jié)構(gòu)建筑工程實(shí)踐看，常采用高空滑移法進(jìn)行施工。所謂的高空滑移法，就是將網(wǎng)架條狀單元在建筑物上由一端滑移到設(shè)計(jì)位置就位后總拼成整體的一種施工方法。

采用高空滑移法進(jìn)行大跨度拱支結(jié)構(gòu)施工，先要制定滑移方案，內(nèi)容具體包括滑移單元?jiǎng)澐?、滑移技術(shù)及設(shè)備、滑移臨時(shí)措施設(shè)計(jì)與安裝、液壓系統(tǒng)控制、滑移系統(tǒng)調(diào)試、施工組織設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)滑移方案，應(yīng)對(duì)滑移軌道、胎架的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等進(jìn)行驗(yàn)算，對(duì)滑移結(jié)構(gòu)單元的抗傾覆性進(jìn)行驗(yàn)算，全面檢查整個(gè)滑移工程與周圍固定物的接觸情況，確保整個(gè)滑移工程穩(wěn)定，在滑移過程中處于安全狀態(tài)。此外，技術(shù)人員應(yīng)對(duì)滑移單元的變形情況進(jìn)行驗(yàn)算，保證在變形情況下滑移單元與相鄰單元之間相吻合，確保滑移操作能順利、安全的完成。在滑移過程中，倘若建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力發(fā)生改變，應(yīng)重現(xiàn)驗(yàn)算構(gòu)件的承載力，根據(jù)當(dāng)下構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)滑移工程，避免滑移階段的構(gòu)件內(nèi)力超過構(gòu)件承載力的設(shè)計(jì)值，確保滑移階段安全。

滑移施工涉及工作較多，內(nèi)容龐雜而專業(yè)，為成功的完成施工，應(yīng)按照一定施工流程進(jìn)行?；剖┕ち鞒讨饕ǎ涸O(shè)立臨時(shí)滑移工程→模擬分析滑移工況→進(jìn)行各類數(shù)據(jù)驗(yàn)算→編制滑移方案→對(duì)方案進(jìn)行評(píng)審論證→安裝胎架→安裝滑移軌道和設(shè)備→滑移操作→對(duì)滑移過程進(jìn)行控制，并監(jiān)測滑移單元結(jié)構(gòu)變形情況→完成結(jié)構(gòu)滑移→固定似支架落位→驗(yàn)收拼裝質(zhì)量。在整個(gè)滑移施工過程中，滑移裝置系統(tǒng)安裝是非常關(guān)鍵的一個(gè)施工環(huán)節(jié)，關(guān)系著大跨度拱支結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量與安全。

根據(jù)滑移方案，遵循安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的原則選擇適用的滑移機(jī)構(gòu)，確定滑移單元、滑移軌道支撐方式等內(nèi)容。大跨度拱支結(jié)構(gòu)建筑滑移施工一般采用槽鋼、鋼軌等作為滑移軌道，通過滾動(dòng)滑移方式進(jìn)行施工，如圖1所示。按照圖1的結(jié)構(gòu)形式示意圖安裝滑移機(jī)構(gòu)，并嚴(yán)格進(jìn)行滑移軌道、胎架的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性，以及抗傾覆性驗(yàn)算，符合要求后采用投入應(yīng)用。

圖1 滾動(dòng)滑移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式示意圖

4 結(jié)束語

綜上所述，大跨度拱支結(jié)構(gòu)建筑常被用來作為大型劇場、體育場館等建筑物的結(jié)構(gòu)，能滿足大空間要求，又外形美觀、經(jīng)濟(jì)適用，發(fā)展前景十分廣闊。但是，由于大跨度拱支結(jié)構(gòu)剛剛發(fā)展起來，其施工技術(shù)有待進(jìn)一步完善。所以，應(yīng)用這一結(jié)構(gòu)時(shí)要進(jìn)行力學(xué)性能與施工技術(shù)研究，以保證施工質(zhì)量與安全。

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2015-11-3