大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的若干技術(shù)問題及探討

張濤

摘要：當代社會的快速發(fā)展給建筑行業(yè)產(chǎn)生了新的機遇與挑戰(zhàn)，現(xiàn)代化復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的工程數(shù)量正在逐漸增加，大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)在工程中也得到廣泛應(yīng)用，但同時在施工過程中遇到的問題也愈加明顯。本文從大跨度范圍鋼結(jié)構(gòu)的特點出發(fā)，并介紹了大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的施工方法，探討了大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的若干技術(shù)問題，為相關(guān)工程提供參考。

Abstract： The rapid development of contemporary society has brought new opportunities and challenges to the construction industry. The number of modern complex steel structure projects is gradually increasing. The construction technology of large-span complex steel structure is also widely used in the project， but at the same time， the problems encountered in the construction process are more and more obvious. Based on the characteristics of large-span steel structure， this paper introduces the construction method of large-span complex steel structure， discusses some technical problems in the construction process of large-span complex steel structure， and provides references for related projects.

關(guān)鍵詞：大跨度;復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu);施工;問題

Key words： large span;complex steel structure;construction;problem

1? 大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的施工特點

1.1 預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力技術(shù)在當代建筑行業(yè)的設(shè)計和具體施工過程中已經(jīng)廣泛應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力技術(shù)在大空間復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)里的運用主要在索膜、索穹頂和整體伸縮等創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)建筑上[1]。在建筑主結(jié)構(gòu)承受負荷前，采取施加和載荷作用力相反的預(yù)應(yīng)力，以提高鋼結(jié)構(gòu)的硬度并延長建筑的使用壽命。

1.2 材料要求較為嚴格

隨著新技術(shù)的應(yīng)用，在大規(guī)模大空間復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計施工中，對材料的要求更為嚴格。例如，北京的鳥巢體育場館跨度為二百九十六米，中國游泳中心水立方的跨度是一百七十七米，這樣大的建筑規(guī)模，只有高質(zhì)量的建筑材料才能保證建筑物的安全和穩(wěn)定。

1.3 構(gòu)件施工難度大

大規(guī)模大空間復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)，從字面上來說，它是一種大跨度，工程量大，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)施工，為了完成施工，需要數(shù)以萬計的構(gòu)件才能完成。當然構(gòu)件的形式和構(gòu)造也是不同的，大小也大不相同。因此，施工放樣在施工期間造成的難度是極大的，有關(guān)施工過程中運用建筑材料構(gòu)造也有較強的特別之處。因此，在應(yīng)用這些建筑材料以前，有必要開展復(fù)雜的測試，以保證投入應(yīng)用的穩(wěn)定性。

1.4 構(gòu)件加工精度高

大規(guī)模大空間復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程，一般都是市政項目，工程量比較大，技術(shù)要求高，是國家建筑行業(yè)的象征性標志。在工程建設(shè)中，對施工技術(shù)提出更高的要求，由于大規(guī)模大空間復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程的構(gòu)件比較多，因此要確保構(gòu)件加工的精度，在構(gòu)件焊接施工時，對焊接的要求也非常嚴格，一定做到一級焊縫指標。

2? 大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的施工方法

2.1 分塊安裝法

該安裝方式首先把整體結(jié)構(gòu)在地面上分成多個單元，再把各個單元提到主體上開展焊接，這個作業(yè)措施降低了鋪設(shè)在地面需要支柱的個數(shù)，并能夠按照吊機的承載力度靈活調(diào)整形狀構(gòu)造單元的大小，從而實現(xiàn)柔性施工。

2.2 高空散裝法

該施工方是是一種比較保守的方式。它的安裝原理是把整個構(gòu)造分成幾塊，再通過懸臂法和全框架法開展高空焊接。該方式適合于螺栓球節(jié)點以及空心球節(jié)點的網(wǎng)格構(gòu)造。這種構(gòu)造運用非焊接方式，如南京市國際展覽中心的屋頂拱架即是應(yīng)用該方式開展建設(shè)的[2]。

2.3 整體吊裝法

它指的是把整個構(gòu)造在地面上焊接完成，再用吊裝機械設(shè)施或者液壓頂升設(shè)施吊裝到設(shè)計的標準高度并固定牢固。該方式可以在地面方便開展焊接，能夠更好地確保焊接的水平，還可以很好地把控構(gòu)造大小，因此更適用于焊接球柵與管桁架。

2.4 高空滑移法

該方式包括有兩個方式，一個是單滑移，另一個是累積滑移。前者的施工原理是一個接一個滑動，再一個接一個連接，也即是說，把分割開來的組成一個接一個地滑動到設(shè)計指定的高處，然后將它們一個接一個地組裝成一個整體;后一種施工原理是分成段落進行連接和滑動，也即是說，在將第一段落滑動到一定位置后，把它與第二段落焊接，再當作一個整體滑動，并且在達到一定位置后與第三段落焊接，以此類推，一直到完成整個焊接施工任務(wù)。滑動法從滑動主體上可以分滑動構(gòu)造法與滑動腳手支架法兩種。

3? 大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過程的技術(shù)問題

3.1 平面和空間桁架的吊裝問題

整榀平面和空間桁架整體吊裝方式在施工過程中可以減少高空焊接帶來的缺陷，同時可以降低施工難度，保證施工質(zhì)量的同時也可以提高施工效率。但是該吊裝工藝在施工過程存在吊點的選擇和平面外失衡兩個問題，以下就這兩個問題提出有效解決措施。

3.1.1 吊點的選擇問題

在確定桁架的吊裝方案時，首先需要考慮桁架的吊點和分布情況。例如，一平直的簡支梁結(jié)構(gòu)，在桁架安裝時，要想達到吊裝設(shè)計要求，其吊點的選擇和分布必需要保證桁架在起吊后的梁在自重作用下，兩端的軸向相對變形等于或接近零，這樣完成吊裝，才可以準確就位，如圖1。

由上述公式可知，當桁架吊件截面發(fā)生軸向變化或者吊件被人自重不均勻，都可用此公式進行計算。此外，在計算吊點位置時，還需考慮吊繩與吊件軸線的夾角，以及吊繩水平分力會對構(gòu)件產(chǎn)生軸向壓力。

3.1.2 平面外失衡問題

在桁架安裝之前，需要先確定好吊裝方案，通過計算和分析，確定好桁架的吊點及其分布位置。吊裝方案中需要確定桁架在起吊的過程中，在保證平面內(nèi)穩(wěn)定的情況下，也不會發(fā)生平面外失衡問題。如果想要確保平面內(nèi)不失衡，則需要保證驗算桁架的各個構(gòu)件不會出現(xiàn)失衡或嚴重破壞。吊點的多少與分布直接影響著平面外的失衡，它們呈反比關(guān)系，吊點越多，發(fā)生平面外失衡的可能性就越低[3]。如圖2是桁架a在一個吊點b、兩個吊點c以及三個吊點d提升的情況下，平面外失衡可能出現(xiàn)的幾種模式。

3.2 滑輪力學(xué)問題及分析

在項目施工期間，鋼架結(jié)構(gòu)部件在提升過程中通常設(shè)置有多個滑道。一方面是調(diào)節(jié)它的功能，方便于吊裝結(jié)構(gòu)，還有利于提升結(jié)構(gòu)與部件的過程中，便于調(diào)節(jié)它的位置與姿態(tài)，并且實現(xiàn)相鄰部件與焊接過程中要求的標準。把原有的構(gòu)成、繩索與滑輪結(jié)合起來，組建成新具有獨特性的結(jié)構(gòu)（如圖3所示），可符合具體施工期間的運用。在具體施工中，為解決圖中a結(jié)構(gòu)的滿足內(nèi)力配置平衡均勻的問題，可在每側(cè)增加一個水平桁架桿，再對該方案開展分析研究。如該部件調(diào)節(jié)到平衡配置時，再重復(fù)該過程，水平連桿的內(nèi)力值為零時就完成了。為了便于分析研究，把它們統(tǒng)稱滑輪力學(xué)問題。

3.3 設(shè)置臨時支承柱技術(shù)對結(jié)構(gòu)安全的影響

在大規(guī)模鋼結(jié)構(gòu)組裝過程中，不可避免地需要設(shè)置臨時支承柱，如圖4所示，在具體操作過程中，因為暫時支撐體的影響，構(gòu)造的力學(xué)性能和設(shè)計應(yīng)力都會發(fā)生很大變化，同時也會增加臨時支承柱與附近的內(nèi)力，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件處在組裝期間受到損壞。在具體施工過程中，假如有臨時支承柱，會減小拱腳的橫向推力與垂直反作用力。然而，在臨時支承柱頂部周圍的桁架構(gòu)件完全不同，臨時支承柱需要經(jīng)過精確計算后才可以添加。臨時支承柱拆除后，拱腳的橫向推力與垂直反作用力將加大。

以某體育館工程為例，該場館屋蓋是由主桁架拱和次桁架及聯(lián)系構(gòu)件組成，且呈橢圓形，長軸約 328m ， 短軸約 223m。施工順序是從主桁架到次桁架，用整體提升法同時吊裝左右段主桁架，并在高空完成桁架拼接工作，由于拱腳支座水平推力較大，在安裝完成主桁架和拱腳的拼接工作后，經(jīng)計算得出，不能滿足拱腳設(shè)計要求，因此需要在兩段主桁架之間設(shè)置臨時支承柱，以確保工程的施工質(zhì)量，如圖5所示。

臨時支承柱安裝后，通過對比改場館支承柱安裝前和安裝后的水平推力和最大豎向撓度，如表1，可以得出的結(jié)論是：增設(shè)臨時支承柱后在很大程度上明顯地降低了拱腳支座的水平推力和豎向撓度。

3.4 臨時支承柱拆除時安全分析

當所有構(gòu)件全部安裝完畢后，就需要拆除臨時支承柱，如圖6。為保證在拆除臨時支承柱在拆除過程中不發(fā)生安全問題，需要遵循以下原則：①臨時支承柱受力部分所發(fā)生的內(nèi)力變化是一個緩慢發(fā)生的過程;②應(yīng)確保各受力桿件不會出現(xiàn)永久性變形，其彈性范圍必須控制在設(shè)計要求的范圍內(nèi)。

3.5 施工過程跟蹤模擬計算及分析

大規(guī)模與超大規(guī)模鋼架結(jié)構(gòu)集體施工中難度存在很大，為了保證施工的有序開展，在施工過程中一般運用實時跟蹤仿真計算，以確保這類鋼架構(gòu)造或者部件可以符合硬度、強度和牢固性的需要[4]。當橋梁具體施工過程中存在大規(guī)模鋼架構(gòu)造時，該工程將有很長的施工周期 。因為建筑材料自身的一些特點與外部原因，不能確保構(gòu)造與構(gòu)件的內(nèi)力與位移無論在什么情況下都不會發(fā)生改變。對此，只可以運用跟蹤服務(wù)計算，適時都能夠開展保護手段，保證建筑施工的安全完工。

4? 結(jié)語

總而言之，本文通過對大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的施工過程可能會出現(xiàn)的技術(shù)問題進行了探討，并提出可行性解決方案，為后期大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)項目的順利展開提供技術(shù)支持，期望創(chuàng)新與優(yōu)化的新科技方法可以為中國橋梁建筑行業(yè)添一份力量，讓中國橋梁建筑工藝走得更遠。

參考文獻：

[1]何智軍.大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工新技術(shù)分析研究[J].甘肅科技， 2018，34（19）：125-127.

[2]袁海.基于實例分析大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的應(yīng)用[J]. 綠色環(huán)保建材，2018，135（05）：178.

[3]白瀟娟.高墩大跨度連續(xù)鋼構(gòu)橋施工控制研究[J].四川建材，2018，6（21）：79-81.

[4]吳窮，王乾坤，任志剛，等.大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過程仿真分析[J].工業(yè)建筑，2018（03）：156-158.