大跨度鋼結構施工過程中的若干技術問題及探討

廖龍俊

（中鐵電氣化局集團第二工程有限公司，湖北 武漢 215128）

為滿足經濟、文化建設的需要，以及人們對建筑的審美需求，大跨度鋼結構逐漸成為現代建筑設計中的重要組成部分，受到工程師們的青睞。許多體育館、影劇院、俱樂部、候車廳、展覽中心等大型公共建筑的頂蓋結構都使用了大跨度鋼結構。而且隨著這種大跨度結構的普及以及新材料和新技術的出現，不論其跨度還是規模都正變得越來越大，也由此為設計和施工引出了許多的技術難題，對結構的安全性和穩定性也提出了更高的要求。

1 大跨度復雜鋼結構的幾點特性

1.1 應用了大量的預應力技術

預應力作為一種新技術，在現代建筑設計中得到了廣泛應用，主要表現在索穹頂、索膜和整體張拉等新型結構上。在結構承受荷載之前，對其施加一個與載荷力相對應的預應力，可以提高構件的剛性，增加構件的耐久性。

1.2 對材料質量等級的要求苛刻

為滿足建筑功能的需求，大跨度鋼結構的跨度正變得越來越大，如國家體育館“鳥巢”，其跨度為296m，國家游泳中心“水立方”的跨度也達到了177m，這樣大的跨度，要保證結構的安全性和穩定性，必須使用優質高強度的鋼材，如此才能保證這些宏偉的建筑物安然無恙地聳立起來。

1.3 構件數量繁多，設計和施工難度大

此類大跨結構建筑的工程量浩大，往往由幾萬個，甚至幾十萬個構件構成，不僅如此，構件的種類也是多種多樣，其切口、截面形狀、尺度各不相同，使得施工放樣過程變得極為困難，而且對于某些特殊結構的構件，需要先進行復雜的試驗和研究后才能投入使用。

1.4 構件加工精度的要求嚴格，加工難度大

無論是“鳥巢“、”水立方“，還是其他的國家大型工程項目，都是國家重點工程，不僅關乎國家現代化形象建設，也寄予了民眾的厚望，因此對工程質量的要求很高，不僅構件的加工要達到極高的精度，在材料焊接方面，大量的焊縫也都要求達到一級焊縫標準。

2 大跨度復雜鋼結構常用的幾種施工方法

2.1 分條或分塊安裝法

此安裝法首先將結構在地面分割成一些條狀單元，再用起重設備將其吊裝至高空位置進行整體拼接，該方法避免了大量鋪設地面支架的情況，而且根據起重設備的負重能力，可以自由的調整條狀或塊狀結構單元的大小，靈活地設計施工方案。

2.2 高空散裝法

高空散裝法是比較傳統的一種施工方法，它是將整體結構劃分成若干散件，并將散件通過懸挑法或滿堂支架法直接在高空拼裝成整體。高空散裝法適用于空心球節點、螺栓球節點等含節點較多的非焊接連接的網架結構。我國南京國際展覽中心的屋蓋主拱架的制作安裝便充分運用了這一方法。

2.3 整體吊裝法

整體吊裝法是指先將結構在地面總拼成整體，再用起重設備將其吊裝至設計標高并固定的方法。由于整體吊裝法在地面進行焊接接連工作，能夠更好的保證焊接的質量，也能較好的把握結構的幾何尺寸，因此適用于通過焊接連接的網架。

2.4 高空滑移法

這種方法通常可分為單條滑移法和逐條累計滑移法，單條滑移法采取逐條滑移，再逐條連接的方式，即將分割成條狀的單元分條滑移到高空指定位置，再一條一條的進行拼裝，最后拼裝成整體。逐條累計滑移法采用分段式連接和滑移的方式，即從第一條開始，滑移到足夠拼裝第二條單元的距離后，將第二條單元與第一條單元進行連接，再將兩個單元作為一個整體進行滑移，當再次滑移到足夠的距離后就拼裝第三條單元，如此循環，直到所有的單元都連接完成。

2.5 折疊展開安裝法

這種安裝法比較適用于由桿件組成的網殼狀鋼結構，可以對此類鋼結構的空間立體作用進行分解。這種方法的基本思路是在整個結構中抽掉局部的少量構件，使之分成若干個區域，各區域之間通過可活動的節點連接為一個整體。這樣形成的鋼結構能夠折疊，可以方便的在靠近地面的高度進行桿件連接、設備安裝、局部裝修等操作，然后將結構展開，通過液壓千斤頂等設備將結構頂升至設計位置，再將缺少的桿件補齊，使其成為一個穩定的整體。

3 大跨度鋼結構施工過程中的一些力學問題

3.1 吊裝工序中平面桁架以及空間桁架的平穩性問題

高空焊接作業不僅存在一定的危險性，而且操作難度高，效率低下，為了解決這些缺陷，可以將空間框架和整榀平面作為吊裝單元，這樣可以將大部分焊接拼裝工作在地面或靠近地面的高度完成，大大提高工作效率，提高施工的安全性，但是這種方法也會帶來一些問題，特別是對于大跨度的桁架結構，比如吊點的選擇，吊裝工序中桁架的穩定性問題等。

1.1 選擇吊點的原則

對于大跨度平面桁架和空間桁架結構的吊裝工序，選擇吊點的分布和數量是一個非常重要的問題，例如一個簡單的直線型支架，要將其吊裝到設計的高度，并將兩端與其他構件進行拼接，在選擇吊點時即要保證支架起吊后平穩，又要盡量減小兩端因為自重而產生的相對形變，如此才能保證支架準確到位，且長度適宜，順利完成兩端的拼接工作。圖1為簡支梁吊裝過程中的受力形變圖，當吊點靠近梁的兩端時，梁體中間的力矩大于兩端的力矩，中間部位凹陷，兩端翹起；當吊點接近梁的中心部位時，兩端的力矩超過中間的力矩，兩端向下彎曲，中間翹起。

圖1 簡支梁吊裝過程中的受力形變

因此應該選取合適的吊點，使中間和兩端的力矩達到平衡，使整個簡支梁盡量保持平直。這個吊點的位置可以通過以下公式導出：

1.2 平面外失穩問題的分析

在吊裝過程中，不僅要保證吊件在平面內穩定，還要避免其發生平面外失穩，所謂平面內穩定是針對單個構件而言的，即構件不失穩，強度不受破壞，而平面外失穩是指框架整體的穩定性受到破壞，發生平面外失穩的原因主要與吊點的位置和數量有關，一般而言，吊點越多，越不易發生失穩。圖2為片狀桁架分別在單吊點、雙吊點、三吊點的情況下可能出現的失穩模式。

圖2 片狀桁架吊裝過程中的失穩

導致片狀桁架平面外失穩的因素比較復雜，其吊裝方案的制定也比較困難，需要輔以一定地計算和分析，計算時一般采取模擬簡化的方式，也可以通過ANAYS軟件進行模擬分析，對吊裝方案的可行性進行預判斷。

4 臨時支承柱的設置問題

幾乎所有的大跨鋼工程都離不開臨時支承柱的使用，但是它的使用也給鋼結構本身帶來了一些負面影響，因為支承柱對框架結構所施加的力是暫時性的，在設計整體結構的時候是沒有考慮在內的，會對鋼結構中各部分力的分布產生影響，有可能破壞整體的平衡性和穩定性，也有可能對支承點附近的構件造成破壞。以圖3中的拱狀桁架為例，在不加臨時支承柱的情況下，其拱腳在水平方向上對外施加一個較強的推力，在垂直方向上承受桁架的全部重力，當設置臨時支承柱后，拱腳對外的推力及承受的重力大大減弱，但支撐點附近的構件受到較強的反作用力。目前主要有單柱支撐、聯體支撐、網架支撐三種不同的臨時支撐方案，在實際施工中，需要根據剛體結構、支撐高度、支撐點數量、支承柱載荷等選擇合適的支承方式。

圖3 臨時支承柱的設置

5 拆撐過程中的注意事項

安裝工序完成后，需要拆除臨時設置的支承柱，這個拆除的過程是一個漸進的過程，要根據體系內力的相互作用，逐漸轉移結構受力，使結構內力重新分布，當拆除所有的支承柱后，鋼結構各部分的受力狀況能夠達到設計時的狀態。要做到這一點，需要注意以下事項：（1）拆撐引起的體系內力變化應該緩慢的進行；（2）隨著拆撐的進行，要即時對各受力桿件在彈性允許的范圍內做微調整，跟進內力重新分布轉化的過程，防止局部受力出現破壞性的累積，不能讓構件發生永久性的形變甚至損壞；（3）拆撐時要格外注意安全問題，選取安全、易控、可行的拆除方案，循序漸進，直至拆除最后一根支承柱，整個大跨鋼結構進入設計狀態。

5 預應力的應用及安裝工序的跟蹤模擬計算

在大跨鋼結構和超大跨鋼結構中，運用預應力來改善和調整鋼結構內各部分的內力分布，可以提高結構的剛度，增強結構的穩定性，而預應力的設計與其施工過程是密切聯系的。在施工過程中要時刻保持跟蹤模擬計算，以保證大跨結構的安全性和穩定性，大跨結構的安裝過程是連續化的，而且各構件之間的拼裝及相互作用是環環相扣的，需要對各構件的安裝和加工進行精準的控制和即時的計算，出現誤差要及時糾正，否則前一個構件產生的微小偏移會對后面的構件產生影響，這種影響累積下來就會對整體結構產生影響，使結構受力分布偏離原來的設計。

本文以平面單向張弦梁結構為例對預應力的應用進行探討。平面單向張弦梁結構的受力狀態如圖4所示，通過下弦拉索的方式對其施加合理大小的預應力，以提高張弦梁的受力能力。

圖4 單向平面張弦梁結構的受力分解示意圖

圖中q代表均勻分布的荷載，f1代表拱高，f2代表索的垂度，l代表拱的橫跨長度，以H代表張弦梁的合理預應，則其大小可由下列公式導出：

6 整體提升工序的分析

由于地面焊接拼裝工序的安全性、便捷性和高效性，近年來涌現了大批采用整體提升方式的大跨工程項目，如上海大劇院、澳門東亞運動會體院館、首都機場四機庫等。整體提升方案有利也有弊，因為鋼結構的提升狀態相對于設計狀態會產生一定的形變，因此在施工過程中要注意以下問題，一是對提升方案進行周密的計算和分析，推算結構各部分的強度和穩定性，將形變造成的影響考慮在內，二是加強提升部位的保護工作，防止提升時受力構件遭到損壞。施工過程中可以分三個階段進行提升，首先是將鋼結構提起，與底架脫離，其次是緩慢勻速的提升鋼結構的高度，最后是使鋼結構準確就位。整個提升過程中，由于首尾兩個階段會產生一定的加速度，提升力也會相應的發生變化，會對提升設備和鋼結構的穩定性造成較大的影響。下面以我國某小區建筑的施工過程為例對整體提升工序進行講解，此工程中需要進行整體提升的設備總重100多噸，包括鋼梁、天溝、龍骨等部位，其提升點的平面布置圖如圖5所示。

圖5 提升點的平面布置圖

具體施工流程如下：（1）在支撐的鋼件上安裝主梁，然后用小型頂升設備調整主梁結構，最后安裝次梁和龍骨等；（2）拆掉除中間位置的支撐鋼件，只保留兩邊的支撐點，然后安裝檁條、天溝等部件；（3）將提升設備、鋼纜、千斤頂等安裝到位；（4）選擇合適的時間進行提升，一般為下午，先將主梁提高2米左右，然后停滯觀察一夜時間，確定結構的形態、焊點等未出現意外變化，確保各描點正常連接；（5）確認無誤后繼續進行提升，保持每小時2到3米的速度，因高度較高，耗時較長，中途進行兩次停頓，停止時用鋼纜將鋼結構與目標結構臨時固定。（7）鋼結構提升到位后，進行焊接工作，并進行結構的質量檢測，確保無誤后即可拆除提升設備，整個提升工序順利完成。

7 總結

目前越來越多的建筑開始采用大跨度復雜鋼結構，大跨鋼結構的建造技術也越來越成熟，并且隨著新材料的研發和新技術的應用，大跨鋼結構在經濟性、穩定性、和先進性等方面都有著長足的進步，但我們依然有許多設計和技術上的問題未解決，在施工過程中仍然會遇到許多富有挑戰性的難題。本文就大跨度復雜鋼結構的特點、施工方法及施工力學方面的幾個重要問題作探究和分析，希望能對我國大跨建筑事業的發展起到一定的指引和推動作用。

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