大型復雜鋼結構建筑工程新技術的應用

彭彥輝

（中牟縣建設工程安全監(jiān)督站，河南　中牟　451450）

大型復雜鋼結構建筑工程新技術的應用

彭彥輝

（中牟縣建設工程安全監(jiān)督站，河南中牟451450）

我國的鋼材產量位居世界第一位，鋼結構在建筑工程中的應用越來越多，尤其是一些高層建筑結構或者大跨度建筑結構。這些建筑不僅對結構理念提出了新的挑戰(zhàn)，而且對施工技術的要求更高?；诖耍榻B一體化協(xié)同時變分析系統(tǒng)的創(chuàng)立和應用，以及復雜鋼結構施工“力”與“形”控制新技術的研究與應用，以供參考。

復雜鋼結構；新技術；一體化系統(tǒng)

1　一體化協(xié)同時變分析系統(tǒng)的創(chuàng)立和應用

1.1動態(tài)三維變形預調技術

這種技術主要應用在結構形式具有閉環(huán)、傾斜、大懸挑等特點的建筑結構中，比如我國的CCTV主樓結構建設，其建筑結構非常復雜，如果只是按照設計方案對構件進行安裝，施工完成后的整體結構很容易在自重作用下發(fā)生變形，最后會偏離設計變形。所以，需要對每個構件進行“安裝位形”并確定三維坐標。此項工程在施工過程中首先對所有構件的施工變形預調值進行計算（構件的安裝位形與設計位形的坐標差），認真研究了結構內力與位形的發(fā)展規(guī)律，幕墻體系的容差限值以及地基不均勻沉降對施工變形預調值的影響等方面，對計算的結果進行分析和研究，對此項工程建設提供數據支持。

1.2整體提升技術

這種技術一般應用在大跨度屋蓋建筑結構施工中，其是將拉索、塔架和提升設備提高以后把地面拼接好的大跨度屋蓋結構提升到安裝位置的技術。在實際的施工中要注意以下幾個方面：①提升以后的結構受力情況與設計狀態(tài)不一致，需要對結構受力狀態(tài)和提升點的位置進行研究；②研究被提升的結構、塔架和拉索之間的相互作用；③結構、塔架在提升過程中做好人為控制，對容易破壞的構件做好保護；④對提升過程中的風荷載、斷鎖、溫度和不均勻提升等提升系統(tǒng)的安全性進行評估［1］。

1.3整體滑移技術

一體化系統(tǒng)可以控制滑移結構與滑移支撐體系之間在不同施工程序和不同位置的相互作用力。比如，某省博物館的結構建設，鋼結構屋蓋重量為8 850t，采用整體滑移施工技術，滑移距離為125m，把頂推軌道和承重軌道進行分離，通過一體化系統(tǒng)和結構自身的剛度對自重荷載在支柱體系進行有效調節(jié)和分配，大大減低了軌道對承載力和剛度的要求。

1.4整體落架技術

這種施工技術是對臨時支撐架進行分段組裝、高空組裝，施工完成后再拆除和落架，是主體結構與臨時支撐之間的受力狀態(tài)進行轉換的過程。整體落架技術需要對落架的全過程模擬后，才能制定落架方案和臨時支撐的設計。

依據鋼結構屋蓋受力關系，國家體育館的整體結構分為主結構和次結構，主體結構是由24個桁架形成的馬鞍模型雙曲面，次結構是由不規(guī)則的鋼架構件組成。由于構件自身重力和內力非常大，施工順序會對成型后的結構受力情況造成很大的影響。所以，主結構落架以后再進行肩部和頂面次結構的安裝，焊接過程中還要對次結構的荷載作用、落架、溫度作用和結構剛度等方面產生的位移和偏差進行詳細的評估和分析。

1.5整體張拉技術

這種技術需對初始預應力狀態(tài)進行研究，初始預應力態(tài)是結構的起始狀態(tài)，也是施工的目標狀態(tài)，對張拉屋蓋結構施工非常重要。采用傳統(tǒng)的找形分析方法無法與施工分析相結合，所以要通過有限元軟件ANSYS進行找力分析，也就是逐點去約束法。某體育場的屋蓋結構施工采用車輻式整體張拉結構，平面投影為230m×235m，由35個索桁架組成。首先在地面上設置上徑向索和上環(huán)索，把上徑向索進行張拉與環(huán)梁相連接，然后安裝飛柱、下徑向索和下環(huán)索，最后對下徑向索進行張拉。

1.6整體起板技術

這種施工技術主要應用在巨型環(huán)狀鋼結構或者巨型鋼拱結構施工中，具有施工成本低、工期短、受力清晰和安全性高等優(yōu)點。首先對巨型鋼拱等起板結構進行拼裝，設置起板旋轉軸線，在另一端設置A字形塔架并連接平衡索和起吊索，形成平衡狀態(tài)。然后在塔架上安裝千斤頂，牽引吊索使起板結構旋轉到設計的豎直位形，如圖1所示。

圖1　整體起板施工方法示意圖

2　復雜鋼結構施工“力”與“形”控制新技術的研究與應用

2.1張拉結構施工方案的模擬與優(yōu)化

早期車輻式結構跨度一般不是很大，外環(huán)采用混凝土環(huán)梁，內環(huán)采用剛性環(huán)。但一些大型體育場的屋蓋結構中，內環(huán)很多是直徑很大的柔性環(huán)索，采用整體張拉結構是非?？尚械摹Ｔ谏鲜稣w張拉技術中采用一個體育場屋蓋結構的施工案例，提出了幾種張拉方案：張拉環(huán)索、張拉徑向索、頂升飛柱、張拉上徑向索等。通過對這些方案進行分析以及對方案中索力發(fā)展規(guī)律進行比較，得出車輻式結構張拉結構的施工重點有對預應力大的索先張拉、對預應力小的索后張拉，可大大降低對千斤頂的重量要求。

2.2施工環(huán)境溫度對車輻式結構索力的影響

車輻式結構的剛度是由預應力狀態(tài)來決定的，但是預應力狀態(tài)會受到溫度的影響，構件容易出現熱脹冷縮。在實際的施工中，拉索、環(huán)梁在不同的地點、不同的季節(jié)安裝和加工溫度與設計標準溫度會有很大差別。對施工環(huán)境溫度進行分析，可以用下面公式來分析：

式（1）中，δT代表構件安裝溫度與設計標準溫度之差；δT1代表拉索和環(huán)梁制作環(huán)境溫度差；δF代表呈現狀態(tài)的索力與設計值之差。其中A、B兩個系數與車輻式結構的邊界條件和尺寸有關，一般情況下B≥A。因此，要對成型結構的預應力分布與設計值保持一致，對環(huán)梁尺寸和拉索長度進行溫度補償。

2.3車輻式結構中索長與環(huán)梁位形誤差限值方法的確定

通過式（1）計算加上理論分析發(fā)現，索力偏差δF與拉索長度和環(huán)梁位形δT1之間存在線性關系，對此項體育場屋蓋結構工程建設整體模型試驗顯示，環(huán)梁的位形偏差、飛柱的長度誤差以及徑向索對預應力的分布造成的影響是局部的，誤差所在位置的索桁架個數越多，誤差對預應力產生的影響就越??；環(huán)索索長對預應力的分布是全局性的影響，這一特點可以減少δF與δT1中的項數，對δF進行限制可以得到臨界狀態(tài)下的公式，即：

把索長誤差的概率分布計入式（2）中，可以得到索長誤差限值。此項體育場屋蓋結構工程中的索長誤差限值就是采用這種方法進行計算的。

2.4焊縫收縮對屋蓋結構影響分析

屋蓋鋼結構的焊接收縮會對結構造成殘余變形或產生巨大殘余內力。某高校體育運動中心屋蓋建設采用單層折面空間網絡結構，屋蓋直徑為285m×275m，用圓鋼管為主要構件，鍛管壁厚、結構剛度和焊縫尺度都很大。在施工中對胎架分成25段分別安裝，相互之間留有合攏縫，安裝后對合攏縫進行焊接，最后拆除胎架。但是卻發(fā)現合攏后的一部分胎架與主體結構脫開，通過認真研究分析，發(fā)現焊接殘余內力屋蓋與支撐胎架的受力情況相差很大。

3　結語

由于鋼結構工程的復雜程度越來越高，對施工技術的要求越來越高，人們不斷尋求新的施工技術。在以后的研究中，需要技術人員熟練掌握一體化分析系統(tǒng)，準確把握結構中力與形的變化，更好地把大型復雜鋼結構應用在實際的工程建設中。

［1］陳豫山.某大型鋼結構施工關鍵技術選擇與應用［D］.廣州：華南理工大學，2013.

Application of New Technology of Large Complex Steel Structure Building

Peng Yanhui
（Zhongmu County Construction Engineering Safety Supervision Station，Zhongmu Henan 451450）

China's steel production ranks first in the world，the application of steel structure in building engineering is more and more，especially some high-rise building structure or large span structure.These buildings not only put forward new challenge on the concept structure，and the requirement of construction technology is higher.Based on this，this paper introduced the creation and application of the integration synergy time-varying analysis system，as well as the research and application of the new technology of"force"and"shape"control for the construction of complex steel structures.

complex steel structure；new technique；integrated system

TU391

A

1003-5168（2016）06-0106-02

2016-05-21

彭彥輝（1980-），男，本科，工程師，研究方向：建筑質量安全監(jiān)督。