淺談大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工

摘要：文章詳細介紹了大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)，通過對大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)類型及其施工特征進行介紹，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的主要施工方法類別，對鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)中的關(guān)鍵工序進行重點分析、歸納與總結(jié)，包括吊裝、滑移、拼裝、焊接等工序，僅供相關(guān)工作人員參考。

關(guān)鍵詞：大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)；施工技術(shù)；滑移；拼裝

中圖分類號：TU305 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）16-0079-04

當前，隨著經(jīng)濟及科技的不斷發(fā)展，我國建筑行業(yè)也隨之不斷發(fā)展，加上借鑒國外先進技術(shù)及經(jīng)驗、理念等，越來越多的新型建筑出現(xiàn)，尤其是大型公共建筑，包括機場建筑、體育館等都采用大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)作為建筑物的屋蓋結(jié)構(gòu)體系。現(xiàn)就大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)及其具體施工技術(shù)進行分析。

1 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)類型

大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)建筑是指橫向跨越30m以上空間的各類結(jié)構(gòu)形式的建筑，其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，當前世界上使用大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的各大建筑中，最典型的代表即奧運建筑，大跨度空間結(jié)構(gòu)技術(shù)對多種多樣、形式豐富的奧運建筑起著推動作用。其中，奧運歷史上著名的羅馬體育館主要采用裝配現(xiàn)澆式鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)，而巴塞羅那圣喬地體育館采用了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。其中，大跨度鋼結(jié)構(gòu)的類別主要如下所述：

1.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要指的是由多根桿件按照一定的網(wǎng)格形式通過節(jié)點連結(jié)而成的空間結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有工業(yè)化程度高、自重輕、穩(wěn)定性好、外形美觀的特點。

1.2 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與空間桿系結(jié)構(gòu)較為相似，平板網(wǎng)架型的空間桿結(jié)構(gòu)是通過桿件根據(jù)規(guī)律而組成網(wǎng)格，并結(jié)合殼體結(jié)構(gòu)布置成一定的空間架構(gòu)，因此，它不僅具備桿系的性質(zhì)，而且同時具備殼體的性質(zhì)。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)主要通過殼內(nèi)兩個方向的拉力、壓力或剪力進行逐點傳力。例如：1967年建成的鄭州體育館，采用肋環(huán)形穹頂網(wǎng)殼，其平面直徑64m，矢高9.14m，此為國內(nèi)跨度最大的單層球面網(wǎng)。又如1988年建成的北京體院體育館，主要采用帶斜撐的四塊組合型雙層扭網(wǎng)殼，其平面尺寸為59.2m2，矢高3.5m，挑檐3.5m，此為我國跨度最大的四塊組合型扭網(wǎng)殼。另外，1989年建成的濮陽中原化肥尿素散裝庫，其平面尺寸為58m×135m，采用雙層正放四角錐圓柱面網(wǎng)殼，此為我國第一個采用螺栓球節(jié)點的網(wǎng)狀筒殼，亦是覆蓋建筑面積最大的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。

1.3 懸索結(jié)構(gòu)

懸索結(jié)構(gòu)主要為由柔性受拉索及其邊緣構(gòu)件所形成的承重結(jié)構(gòu)。其中，可以將鋼絲束、鋼絲繩、鋼鉸線、鏈條、圓鋼以及其他受拉性能良好的線材作為索的材料。懸索結(jié)構(gòu)主要通過利用高強材料的抗拉性能，它具有跨度大、自重小、材料省、易施工的優(yōu)勢。懸索結(jié)構(gòu)除在我國的大跨度橋梁工程應(yīng)用廣泛外，還應(yīng)用于體育館、飛機庫、展覽館、倉庫等大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)中。

2 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)及其施工技術(shù)的特征

2.1 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)特征

2.1.1 鋼結(jié)構(gòu)大跨度、鋼材高等級、鋼板足夠厚。當前，我國建筑理念隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對建筑功能的技術(shù)要求也更高，而且現(xiàn)代空間鋼結(jié)構(gòu)的跨度也更大，短向跨度超100m早已廣泛應(yīng)用于建筑中。國家超限專家審查委員會通過編制大跨結(jié)構(gòu)超限審查的規(guī)章制度，以此規(guī)定此類大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)必須采用大量的高強度級別鋼材，如Q390C、Q420C、Q460E等，確保其鋼板材料等級高、厚度足夠。

2.1.2 鋼結(jié)構(gòu)形式及其節(jié)點形式多樣性、復雜性。

（1）當前現(xiàn)代大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式較多，其結(jié)構(gòu)形式正不斷創(chuàng)新、發(fā)展，主要朝各類結(jié)構(gòu)的組合形式發(fā)展。其中，奧運會羽毛球館以世界跨度最大的弦支穹頂作為鋼結(jié)構(gòu)，而廣州國際會展中心以張弦桁架作為鋼結(jié)構(gòu)。水立方以泡沫理論式多面體空間鋼架結(jié)構(gòu)，而鳥巢主要以復雜的空間桁架作為鋼結(jié)構(gòu)。

（2）以仿生態(tài)建筑作為現(xiàn)代空間鋼結(jié)構(gòu)，空間鋼結(jié)構(gòu)包括鑄鋼節(jié)點、鍛鋼節(jié)點、球鉸節(jié)點等，其節(jié)點形式多種多樣，使得建筑形式更為豐富。

2.1.3 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)量及截面種類多、設(shè)計難度大。大型工程的構(gòu)件較多，甚至是由幾萬個、十多萬個構(gòu)件組成，該構(gòu)件的截面形式、尺寸和長度各不相同，導致施工單位放樣難度加大，尤其是部分彎扭構(gòu)件必須通過試驗與研究才能完成。

2.2 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的新特點

2.2.1 構(gòu)件精確度要求高、焊接施工技術(shù)工作量大、難度高。

（1）由于大部分大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的建筑工程為國家重點工程，其施工質(zhì)量標準較高。因此，必須保證空間鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件部分精度較高，才能確保工程的施工質(zhì)量滿足工程標準。其中，大部分焊縫的施工質(zhì)量要求為一級焊縫，嚴重影響工程的施工難度。

（2）在進行工程施工時，可以通過預拼裝及大量的焊接工作來確保施工精度，結(jié)合、借鑒國外的先進施工技術(shù)進行施工，可以有效地完成工程的施工質(zhì)量目標，包括鋼結(jié)構(gòu)大跨度及鋼結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，從而保證工程施工的安全性及建筑工程的經(jīng)濟效益。

2.2.2 結(jié)合預應(yīng)力技術(shù)。預應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是指采用預加應(yīng)力調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，通過向鋼結(jié)構(gòu)施加荷載，可以有效地增強材料強度，并擴大結(jié)構(gòu)剛度。其中，預應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)采用預加力將鋼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)改變，并將內(nèi)力峰值降低。預加力可以將作用在構(gòu)件上的內(nèi)部荷載相互平衡，可以有效地將構(gòu)件的截面積減小，便于減少用鋼量。另外，采用預加應(yīng)力，將鋼結(jié)構(gòu)中的鋼材的拉、壓強度在同一構(gòu)件中充分發(fā)揮并利用，便于加強鋼結(jié)構(gòu)的彈性承載能力。通過采用共同抵抗外荷載作用，將鋼結(jié)構(gòu)中的剛性拱與柔性索結(jié)合起來，可以有效地提高高強鋼索的抗拉性能，并充分利用拱的壓彎能力，提高預應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的工程施工質(zhì)量。

3 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)方法分類

3.1 高空原位單元安裝法

高空原位單元安裝法，根據(jù)高空原位散裝法進行改變、發(fā)展形成。散裝法首先將構(gòu)件放置于設(shè)計位置后，再進行安裝。進行散裝安裝時，應(yīng)當為施工人員布置高空操作平臺及高空擱置平臺，首先通過設(shè)置滿堂作為支撐，然后再在平臺上展開施工。另外，單元安裝法主要是把空間鋼結(jié)構(gòu)分別劃分為多個部分，將各個部分分成單元，進行吊裝。

單元安裝法主要通過合理劃分吊裝單元，首先，其單元的大小視選用的起重機能力和結(jié)構(gòu)形式而定。其次，對于空間梁柱結(jié)構(gòu)，可以在反彎點位置設(shè)置凈分段；相對于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)來說，可以以分塊單元或分條單元的形式，形成穩(wěn)定性強、剛度強、強度足夠的空間鋼結(jié)構(gòu)，必須確保結(jié)構(gòu)的強度，便于構(gòu)件在進行安裝時避免發(fā)生不可逆的塑性變形，從而影響施工質(zhì)量，通過將若干單元在工廠預拼接，保證現(xiàn)場單元的順利拼接，提高施工質(zhì)量。

將高空原位單元安裝法與散裝法進行對比，單元安裝法中的施工工序主要為焊接工序、拼接工序，而且大部分工序主要都是在工廠、地面施工，在保障工程的施工質(zhì)量的同時，不斷提高工程的施工速度，進而可以有效地加快工程的施工效率。此外，采用高空原位單元安裝法可以減少臨時支撐，進而有利于企業(yè)降低施工成本，提高其經(jīng)濟效益。

3.2 滑移施工法

只有確保鋼結(jié)構(gòu)的類型規(guī)范、整齊、規(guī)則化，才能使用滑移施工法，例如圓形結(jié)構(gòu)或長方形結(jié)構(gòu)。另外，必須確保主桁架結(jié)構(gòu)的一致性，支撐軸線規(guī)范、整齊。其中，滑移施工法主要用于土建結(jié)構(gòu)、支撐柱等情況，可以有效地降低施工承包；當施工場地較小時，只能在部分區(qū)域內(nèi)進行構(gòu)件組裝與吊裝。

滑移施工技術(shù)在我國建筑中應(yīng)用廣泛，包括鄭州的會展館、深圳的大運會主場館、哈爾濱的會展館、蘇州的國際博覽中心等等，分別應(yīng)用了滑移施工技術(shù)，其施工質(zhì)量顯而易見。

3.3 整體提升施工法

整體提升施工法要求支撐的結(jié)構(gòu)體系質(zhì)量較高，然而整體提升施工法的施工成本較大，不利于作為類似會展館、體育場等結(jié)構(gòu)形式的施工方法，因此，在進行實際的工程施工中，較少使用整體提升施工法。然而，由于該施工技術(shù)對總體鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量較小，對支撐結(jié)構(gòu)體系要求較低，可以將該施工技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式或單位面積含鋼量較低的會展中心屋蓋。

3.4 分段吊裝施工技術(shù)

分段吊裝施工法中應(yīng)當由其注重明確起重機的選擇及站位、確定大體積鋼結(jié)構(gòu)的分段與重心選擇的方法。其中，分段吊裝施工法主要用于體育館、會展館等公共建筑的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)工程施工中。

3.5 高空散裝施工技術(shù)

高空散裝施工技術(shù)具有施工安全性、可靠性高的特點，而且容易操作、易于控制，可以有效地保障公共建筑工程的施工質(zhì)量及施工效率。該方法主要用于工程中單位面積用鋼量不多的建筑工程中，尤其是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、張拉弦的管桁架結(jié)構(gòu)。其中，高空散裝法還應(yīng)用于山西的自行車館、蘇州國際博覽中心等公共建筑的施工建設(shè)中。

然而，高空散裝施工技術(shù)在施工時所需的腳手搭架量極大，不僅加大了工程的施工成本，而且影響了工程的施工速度及施工效率。

4 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的主要施工工序

4.1 煨彎、相關(guān)線切割詳圖轉(zhuǎn)化及施工分析

通過采用主桁架帶一定弧度，可以使得管桁架的設(shè)計造型效果較佳，其中，煨彎工序既有中頻加熱煨彎，又包括冷煨彎。它屬于整個鋼結(jié)構(gòu)工程施工中的至關(guān)重要工序。一方面，通過采用校正工序，可以順利地開展熱彎與冷彎工序，并保證工程的工序順利開展。另一方面，在進行冷彎工序時，其冷彎規(guī)格為800mm×40mm。另外，相貫口施工及焊接的質(zhì)量與煨彎的精度緊密相關(guān)。倘若焊接的誤差大，其相貫口的施工難度也隨之加大。

4.2 鑄鋼件施工分析

鑄鋼靜態(tài)力學性能較好，且其鑄造成型性較好，可以實現(xiàn)較高質(zhì)量的工程要求，其中，若鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點位置較為復雜時，可以采用鑄鋼節(jié)點的方式進行施工，在施工時必須注重這三方面：

4.2.1 只有確保鑄鋼件的力學性能符合要求，并結(jié)合相應(yīng)地選擇標準確定鑄鋼件的牌號，確保鑄鋼材質(zhì)的等級較高，必須符合焊接連接的鑄鋼件質(zhì)量要求，避免影響鑄鋼件的施工質(zhì)量及施工進度。

4.2.2 通過注重檢查鑄鋼件表面的氣孔處、蜂窩麻面及外形是否有凹坑，通過衡量其外形大小、規(guī)格、尺寸及相關(guān)壁厚，著重檢查鑄鋼件的內(nèi)在質(zhì)量，包括檢查UT、X射線探傷等。

4.2.3 焊接鑄鋼件及其他相關(guān)構(gòu)件，通過評定焊接工藝，確保工藝達標，才能使用焊接連接的鑄鋼節(jié)點施工方案進行焊接。另外，在進行焊接時，必須確保施工過程中的具體環(huán)境溫度及預熱情況達標，并保證焊條的烘烤情況符合要求，尤其要注意在焊接后期對鑄鋼件進行必要的保溫措施。

4.3 地面拼裝分析

地面拼裝的方法包括正拼、倒拼或側(cè)拼，地面拼裝方法的選擇與桁架結(jié)構(gòu)形式、矢高、地面組裝空間、分段位置、起重機站位等因素息息相關(guān)。地面拼裝的質(zhì)量影響到地面安裝的精度及效果，在地面拼裝時要注意以下幾點：胎架本身的剛度及變形、測量放線及跟蹤、拼裝預起拱及控制措施、調(diào)整安裝順序以盡可能保證相貫線隱蔽焊縫的焊接、節(jié)點位置尺寸控制精度。

4.4 滑移施工、吊點設(shè)置分析

在開展吊點設(shè)置、滑移施工工序時，設(shè)置吊點位置屬于較為簡單的施工工序。但是，若該空間結(jié)構(gòu)屬于異形空間結(jié)構(gòu)，就必須首先建立模型并進行計算，再結(jié)合起重機的具體站位情況以及構(gòu)件的吊物安裝的高度等方面因素來確定具體的吊點位置及長度、具體規(guī)格形狀等。

此外，當起重機的具體性能、具體空間站位、“卡桿”等因素受限制時，只能以吊物重心的方式進行吊物安裝，或通過借助建模模擬計算和先進的裝備來降低施工的難度。在開展滑移施工過程中，最好配備適量的鋼絞線、爬行器等液壓控制系統(tǒng)。其中，液壓爬行器滑移的應(yīng)用較為廣泛，它具有可拉、可推同時又可以多點布置等優(yōu)點。在進行滑移施工時，必須著重處理滑道，確保各大滑移點都能得到同步性控制，并注重保持單位行程的距離，及時改善調(diào)節(jié)手段、處理滑移點的支撐工序及卸載工序。

4.5 施工監(jiān)測與有限元建模

某異形曲面空間網(wǎng)格管桁架結(jié)構(gòu)建筑投影面積為1.04萬m2，展開面積為1.1萬m2，最高點為28.965m。立柱分格構(gòu)柱和幕墻柱，格構(gòu)柱為倒四角錐組合式鋼管柱，幕墻柱為平面桁架，主次桁架為空間異形三維鋼管桁架。內(nèi)部建A、B兩座四層鋼框架結(jié)構(gòu)橢圓形辦公樓，柱為508X30鋼管混凝土柱，梁為弧形和直線型H型鋼梁。

4.5.1 變形測量系統(tǒng)。本工程變形監(jiān)測系統(tǒng)包括全站儀、棱鏡、電腦等部件。桁架梁撓度變形和承臺支座水平位移主要采用全站儀進行測量，利用棱鏡的反射和折射定律測出實際位移。在主桁架梁的下弦布置6個測點（V1～V6），具體布置位置見圖3圓點處。x和y軸方向如圖所示，Z軸垂直于xy平面向外，坐標原點位于整個結(jié)構(gòu)重心在xy平面的投影處。其效果圖和結(jié)構(gòu)透視圖見圖1、2。

4.5.2 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)。傳感器采集信息后，把模擬信號進行調(diào)制、處理、轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過屏蔽線將信號傳到電腦進行分析處理，圖中的測點即為振弦式應(yīng)變計的監(jiān)測點。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著我國科技的不斷發(fā)展及我國建筑行業(yè)科研人員的不斷深入研究，結(jié)合大量相關(guān)的工程實踐經(jīng)驗、新技術(shù)、新材料，大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)將不斷發(fā)展、創(chuàng)新，使其不斷完善，促使我國大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用更為廣泛，更好地服務(wù)于我國的建筑工程與社會。

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作者簡介：覃忠（1966—），男，廣西荔浦人，供職于廣西寧鐵建筑總公司，中級職稱，研究方向：工程管理。