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

【摘 要】大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)和其他復(fù)雜的多高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中，鋼結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)用形式為各種大型體育場館和標(biāo)志性建筑。鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的施工周期、抗震性能相比，具有明顯的優(yōu)勢。但對于復(fù)雜的空間系統(tǒng)、多層次的鋼管和其它鋼管結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗?guī)模和復(fù)雜的機(jī)械特性，它的建設(shè)和安裝技術(shù)正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。

【關(guān)鍵詞】施工技術(shù)；鑄鋼節(jié)點(diǎn)；滑移施工技術(shù)；整體提升施工技術(shù)

隨著建筑理念的不斷更新，也出現(xiàn)了許多新建筑，特別是機(jī)場大樓、會展中心、體育館等大型公共建筑都會采用跨度比較大、復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)當(dāng)做建筑體系。建筑的審美需求和功能的多樣化，導(dǎo)致了施工工藝的變化，這意味著不能只停留在一個(gè)簡單的更新建設(shè)上，還需要鋼結(jié)構(gòu)提升到新的制造技術(shù)，比如滑移曲線、非對稱整體等增加了新的施工技術(shù)。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，在如今的工程實(shí)踐中，會經(jīng)常被使用到動態(tài)控制結(jié)構(gòu)之中，從而促進(jìn)建筑行業(yè)從傳統(tǒng)的施工方法，向跨行業(yè)、機(jī)械化、高科技領(lǐng)域前進(jìn)。因此，施工企業(yè)在激烈的市場競爭中如果想要站穩(wěn)腳跟，就需要根據(jù)項(xiàng)目的需要不斷嘗試新的技術(shù)和創(chuàng)新。

一、整體滑移施工技術(shù)

大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，最關(guān)鍵的問題是在空間結(jié)構(gòu)形成整體之前的穩(wěn)定問題，滑移施工技術(shù)解決了這個(gè)問題。滑移控制同步過程是使用牽引裝置，將被劃分成多個(gè)穩(wěn)定的車身結(jié)構(gòu)沿著目標(biāo)軌道運(yùn)行，由設(shè)計(jì)位置水平移動到裝配位置的施工技術(shù)。這個(gè)過程的優(yōu)點(diǎn)是：能夠解決起重設(shè)備很多輻射吊裝安裝結(jié)構(gòu)解決不了的問題，節(jié)省施工現(xiàn)場起重設(shè)備的要求低。缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)平面剛度要求高，需要鋪設(shè)軌道，牽引困難時(shí)，多點(diǎn)同步控制難度很大。

為了防止在提升的過程中，由于吊點(diǎn)強(qiáng)度和穩(wěn)定性對桁架產(chǎn)生影響，需要進(jìn)行不同步檢測。提高系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)提升點(diǎn)、系統(tǒng)的動態(tài)采樣，另外，增強(qiáng)位移值，以確保差異在l5mm之內(nèi)。千斤頂只能給結(jié)構(gòu)提供向上的力量，只能提供單向垂直約束，所以計(jì)算結(jié)果的合理性，需要進(jìn)行嚴(yán)格的測試。各個(gè)提升點(diǎn)的位移差出現(xiàn)增強(qiáng)的應(yīng)力狀態(tài)的時(shí)候，結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，因此需要計(jì)算位移差時(shí)可能會發(fā)生結(jié)構(gòu)的受力狀況，確保提升桁架過程中安全、可靠。

提升點(diǎn)有幾十個(gè)之多，有多種位移不同步的工作狀況，需要選擇更危險(xiǎn)的情況。提升點(diǎn)的位移差會造成位移構(gòu)件內(nèi)力變得更大一些，計(jì)算位移差桁架體系能夠在各種位移差工作條件下，對桿件內(nèi)力進(jìn)行穩(wěn)定性的分析，能夠確保提升過程中，只要嚴(yán)格控制提升點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)Lpl2之間的差不超過l5mm，那么該結(jié)構(gòu)是安全的。在實(shí)際的提升過程中，由于提升點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)之間的位移差在允許范圍內(nèi)，桁架體系沒有桿件發(fā)生局部失穩(wěn)。

二、柔性結(jié)構(gòu)的成型問題及分析

索穹頂結(jié)構(gòu)是典型的空間張拉結(jié)構(gòu)體系，成型工程的施工技術(shù)和計(jì)算方法是在施工過程中存在的主要問題。索穹頂結(jié)構(gòu)包括脊索、斜索、環(huán)索、中央支柱拉伸鋼圈和外壓鋼圈梁等構(gòu)件。文獻(xiàn)上的索穹頂結(jié)構(gòu)的形成過程進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，通過不同的順序和不同的方法施加預(yù)應(yīng)力，使得結(jié)構(gòu)逐步形成。總體而言，施工索穹頂結(jié)構(gòu)也就是存在兩種順序和方法：

第一，首先將中央桁架或中間拉力環(huán)提升至設(shè)計(jì)位置并用臨時(shí)施工塔架支承，然后對其中間結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行定位，然后一個(gè)一個(gè)從外圈開始向內(nèi)拉緊斜拉橋。

第二，需要先固定脊索、坡道和外部電纜的連接，然后再一個(gè)一個(gè)從外側(cè)傾斜向內(nèi)拉緊電纜、起重桅桿，并最終提高內(nèi)拉環(huán)。但是由于技術(shù)保密的原因，外國文獻(xiàn)中提到的施工方法只是簡單的介紹，近年來國內(nèi)一些學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行研究這方面的工作，并取得了一定的成績，為索穹頂在中國的應(yīng)用奠定了理論依據(jù)。

三、復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)施工過程的動態(tài)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制

計(jì)算機(jī)控制是近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的動態(tài)結(jié)構(gòu)，建設(shè)一個(gè)新的技術(shù)領(lǐng)域，是對于施工來說是非常有效的。通過各種不利因素的分析和計(jì)算，可以有效的進(jìn)行方案可行性分析、優(yōu)化施工方案、確保施工質(zhì)量、安全和科學(xué)的程序，驗(yàn)證負(fù)面因素對結(jié)構(gòu)的影響范圍是否合理，從而，提出合理的控制方法，將有助于指導(dǎo)施工的全過程。具體項(xiàng)目的應(yīng)用如下：廣州機(jī)場4300 t鋼屋頂?shù)觞c(diǎn)非對稱動態(tài)結(jié)構(gòu)中，通過計(jì)算機(jī)控制的整體提升過程；廣州新白云機(jī)場航站樓鋼屋蓋滑移曲線分析和控制；鋼棒拉桿組合結(jié)構(gòu)目標(biāo)位移控制結(jié)構(gòu)預(yù)拱。

四、施工過程跟蹤模擬計(jì)算及分析

在施工過程之中，為了能夠保證大跨度和超大跨度結(jié)構(gòu)在施工過程中能夠安全有效的進(jìn)行，施工隊(duì)伍往往需要在施工的過程中進(jìn)行跟蹤模擬計(jì)算，從而能夠確定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的條件能夠滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的具體要求。對于大跨度結(jié)構(gòu)的建設(shè)而言，它的工程項(xiàng)目是一個(gè)持續(xù)時(shí)間較長的過程，在一個(gè)持續(xù)的施工過程中，我們不敢保證每一個(gè)階段的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)力和位移都是固定不變的。因此必須跟蹤計(jì)算，以便采取有效的措施，以防止或變更加工尺寸精確。澳門運(yùn)動場安裝程序和安裝過程控制，就是根據(jù)全過程跟蹤模擬計(jì)算來進(jìn)行仿真結(jié)果的確定。

五、滑輪力學(xué)問題及分析

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在吊裝過程中往往配置多個(gè)滑輪，一是能夠調(diào)整其作用提升力結(jié)構(gòu)，二是方便調(diào)整結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在空中的姿勢和位置，以支持相鄰組件和連接的精確性。從原來的結(jié)構(gòu)、繩子和滑輪，形成新的結(jié)構(gòu)是獨(dú)一無二的，它的力和位移計(jì)算極其復(fù)雜，并要求剛體力學(xué)中應(yīng)用和關(guān)節(jié)的彈性解決方案。為了解決結(jié)構(gòu)中以滿足現(xiàn)場配置和內(nèi)力分布的平衡條件下，可以在兩端添加一個(gè)水平桁架桿，對其進(jìn)行有限元分析。結(jié)構(gòu)達(dá)到平衡配置的條件是經(jīng)過反復(fù)的迭代，使得水平連桿的內(nèi)力為零。為了便于討論，筆者對這一類的問題被稱為滑輪機(jī)械問題。

六、高空無支托拼裝施工技術(shù)

高空無支托拼裝施工技術(shù)，其建設(shè)原則是：將結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分段，選擇吊裝順序，使施工過程中不用塔設(shè)支撐平臺，利用單元組件的剛性結(jié)構(gòu)形成一個(gè)穩(wěn)定的單元本身，最后形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。

某會展中心是目前國內(nèi)規(guī)模最大的雙懸臂式空間桁架結(jié)構(gòu)屋頂，懸臂長度從北到南35米，東21米，雙向懸臂。雙向屋頂外挑結(jié)構(gòu)封頂，單榀質(zhì)量80 t，施工階段桁架偏轉(zhuǎn)難以控制。空間桁架系統(tǒng)，使用單榀吊裝時(shí)，施工階段的負(fù)載和最終使用負(fù)荷的差距比較大。使用高空無支托拼裝施工技術(shù)，通過擴(kuò)大穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)單元組裝，并最終形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。廈門國際會展中心的懸臂式結(jié)構(gòu)，正是利用這一計(jì)劃進(jìn)行建設(shè)的，充分的利用結(jié)構(gòu)本身的優(yōu)勢，降低建設(shè)投資，為下部空間創(chuàng)建了一個(gè)工作表面，加快施工進(jìn)度。高空無支托拼裝施工技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)重要空間結(jié)構(gòu)懸臂施工技術(shù)的創(chuàng)新。

總結(jié)：

本文在介紹了一系列大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的基礎(chǔ)上從一些復(fù)雜的空間的角度來看近期大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程，包括兩個(gè)方面：（1）從施工方法形成了以滑曲線、不對稱整體提升、擴(kuò)大單元無支托組裝技術(shù)為核心技術(shù)的空間結(jié)構(gòu)安裝系列。 （2）形成了從結(jié)構(gòu)應(yīng)力條件下的分析；鑄鋼、鍛造和異型空間鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)； 擴(kuò)大單元無支托組裝；曲線滑移；非對稱施工過程以及提升整體的動態(tài)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制的相關(guān)流程；焊接、空間定位控制技術(shù)；結(jié)構(gòu)和變形試驗(yàn)、測試技術(shù)和其他輔助技術(shù)，包括鋼結(jié)構(gòu)建筑成套技術(shù)。希望這些技術(shù)能夠?yàn)橹袊匿撹F建筑行業(yè)的生產(chǎn)力水平，將有助于提高，從而使我們的空間跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)入到世界先進(jìn)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭彥林.廣州新白云國際機(jī)場航站樓鋼結(jié)構(gòu)整體曲線滑移施工技術(shù)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2002.

[2]周觀根.廈門西站屋面鋼結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)[J].施工技術(shù)，2010.

[3]郭彥林.復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)問題的研究與應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2006.