大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工工藝研究

朱 強(qiáng)

(山西省體育文化發(fā)展中心，山西 太原 030012)

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大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工工藝研究

朱 強(qiáng)

(山西省體育文化發(fā)展中心，山西 太原 030012)

介紹了大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工的特點(diǎn)，根據(jù)大跨度鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件的受力原理，對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)分析，并提出了大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工的技術(shù)要求，總結(jié)了結(jié)構(gòu)吊裝施工中的注意事項(xiàng)，為大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

大跨度鋼結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力，吊裝施工，受力原理

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，已有的鋼結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)代廠房、庫(kù)房、體育館等的功能需求。因此大跨度鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，大跨度鋼結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，不僅解決了普通鋼結(jié)構(gòu)不能滿足的空間需求，而且解決了鋼結(jié)構(gòu)的美觀性[1-6]。大跨度鋼結(jié)構(gòu)根據(jù)其剛性的區(qū)別及組合形式的不同，可分為剛性結(jié)構(gòu)、柔性結(jié)構(gòu)和剛?cè)峄旌闲徒Y(jié)構(gòu)。由于剛?cè)峄旌闲徒Y(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍和應(yīng)用率較低，因此本文僅對(duì)剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)行分析。剛性大跨度結(jié)構(gòu)主要由大量鋼桿組合而成，如常見的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)等。剛性大跨度結(jié)構(gòu)根據(jù)單元形式的不同，可分為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)。柔性大跨度結(jié)構(gòu)根據(jù)其受力的不同，可分為豎直平面結(jié)構(gòu)、平面結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)。柔性結(jié)構(gòu)由于具有較好的力學(xué)性能，受力均勻，荷載主要集中于豎直、水平和空間構(gòu)件上，因此在正常使用時(shí)較少出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，如常見的膜結(jié)構(gòu)和懸索結(jié)構(gòu)等。

1 大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工的特點(diǎn)

1.1 大跨度鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

大跨度鋼結(jié)構(gòu)的跨度大、所用鋼材強(qiáng)度等級(jí)高、所用鋼板厚度較厚。目前在我國(guó)的大跨度鋼結(jié)構(gòu)中，短跨方向的跨度為100 m的建筑已經(jīng)不再罕見，但根據(jù)我國(guó)超限專家委員會(huì)編制的相關(guān)規(guī)范等，對(duì)不同跨度等級(jí)的鋼結(jié)構(gòu)所采用的鋼材等級(jí)也不同，如Q390C，Q420C，Q460E等型號(hào)鋼材，確保鋼結(jié)構(gòu)在正常使用過(guò)程中的安全可靠性。

1.2 大跨度鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式及其復(fù)雜性

目前，我國(guó)的大跨度鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式較多，其節(jié)點(diǎn)形式也隨著社會(huì)發(fā)展的需求而逐漸增多，并且大跨度鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式也主要向著組合結(jié)構(gòu)的形式發(fā)展，如北京奧運(yùn)會(huì)羽毛球館頂是采用世界上跨度最大的弦支穹頂鋼結(jié)構(gòu)作為屋面，廣州國(guó)際會(huì)展中心則以張弦桁架結(jié)構(gòu)作為屋面，水立方游泳館則以泡沫理論的多面體鋼結(jié)構(gòu)作為屋面，鳥巢則以復(fù)雜桁架結(jié)構(gòu)作為屋面。

近些年，仿生態(tài)建筑成為當(dāng)下建筑的發(fā)展方向，采用鋼結(jié)構(gòu)制作的仿生態(tài)建筑所采用的節(jié)點(diǎn)形式包括鑄鋼節(jié)點(diǎn)、鍛鋼節(jié)點(diǎn)和球鉸節(jié)點(diǎn)等多種節(jié)點(diǎn)形式，由于這些節(jié)點(diǎn)的存在使得建筑形式更加豐富多彩。

1.3 大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大

大跨度鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)，由于鋼結(jié)構(gòu)跨度較大，因此其內(nèi)部所使用的構(gòu)件數(shù)量較多，大多數(shù)構(gòu)件數(shù)已經(jīng)超過(guò)十幾萬(wàn)個(gè)，并且其內(nèi)部相同構(gòu)件數(shù)較少，因此所包含的構(gòu)件種類較多，在實(shí)際施工時(shí)提高了施工難度，因此在施工安裝前，施工單位應(yīng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)并提供檢測(cè)報(bào)告。

2 大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的受力原理

大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，其受力狀態(tài)隨著施工進(jìn)度的不同而存在連續(xù)性變化。當(dāng)某一階段施工完成后則會(huì)對(duì)另一階段的受力和位移產(chǎn)生一定影響，因此當(dāng)施工完一階段后則應(yīng)對(duì)該階段的受力及位移撓度等變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)算，得到其累計(jì)內(nèi)力和位移效應(yīng)。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮到外部溫度、外界約束條件、后續(xù)增加構(gòu)件數(shù)和預(yù)增加應(yīng)力等影響，確保計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2.1 拉格朗日計(jì)算方法

在對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工中跟蹤監(jiān)測(cè)計(jì)算時(shí)，宜采用拉格朗日計(jì)算方法對(duì)不斷變化的施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。拉格朗日計(jì)算方法一般針對(duì)大型構(gòu)件變形穩(wěn)定后出現(xiàn)的位移作為構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)已知點(diǎn)，因此計(jì)算時(shí)拉格朗日坐標(biāo)可作為構(gòu)件的物質(zhì)性代表坐標(biāo)。

2.2 ANSYS有限元模擬分析

在進(jìn)行施工前，使用ANSYS有限元模擬分析，可基本達(dá)到真實(shí)有效的構(gòu)件受力及位移變化。在具體施工時(shí)，大型構(gòu)件的邊界條件對(duì)構(gòu)件的應(yīng)力和位移等變化影響較大，采用拉格朗日計(jì)算方法僅能對(duì)其運(yùn)動(dòng)位移進(jìn)行計(jì)算，而ANSYS有限元模擬分析可對(duì)整個(gè)構(gòu)件及其整個(gè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移變化進(jìn)行分析。ANSYS有限元分析軟件根據(jù)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能，將大型構(gòu)件劃分為無(wú)數(shù)個(gè)微小單元，從而可得到具有針對(duì)性的鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方式。

3 大跨度鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工過(guò)程中的力學(xué)分析

在對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，采用構(gòu)件簡(jiǎn)化的方式進(jìn)行計(jì)算，簡(jiǎn)化后的受力分析如圖1所示，圖1中實(shí)線代表構(gòu)件設(shè)計(jì)位置，虛線代表構(gòu)件安裝后的變形情況，點(diǎn)劃線為后增加構(gòu)件。圖1a)為新增構(gòu)件與原構(gòu)件無(wú)連接節(jié)點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以新增構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)為新節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，新節(jié)點(diǎn)O點(diǎn)的坐標(biāo)可通過(guò)原有構(gòu)件KL和新增構(gòu)件|KL|的長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算得到；圖1b)中|KL|為新增構(gòu)件，但無(wú)新增節(jié)點(diǎn)，其構(gòu)件長(zhǎng)度可根據(jù)構(gòu)件變形后J,K的節(jié)點(diǎn)變化的距離進(jìn)行計(jì)算得到；圖1c)中|IP|為新增多節(jié)點(diǎn)構(gòu)件，其構(gòu)件長(zhǎng)度計(jì)算較為復(fù)雜，在后續(xù)研究中將對(duì)其進(jìn)行分析，本文不再贅述。

采用有限元模擬分析對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，若出現(xiàn)圖1a)中所示情況時(shí)，可采用設(shè)計(jì)坐標(biāo)單元激活的方式直接進(jìn)行計(jì)算，如出現(xiàn)圖1b)中所示情況時(shí)，可采用新增構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)與原構(gòu)件節(jié)點(diǎn)重合的方式進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)新增構(gòu)件向內(nèi)合龍時(shí)，新增節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的設(shè)計(jì)位置可采用有限元模擬單元激活的方式計(jì)算。

以上分析為新增構(gòu)件時(shí)的計(jì)算方法，若進(jìn)行邊界條件變動(dòng)或構(gòu)件刪減時(shí)也可采用ANSYS進(jìn)行分析，可得到相應(yīng)的計(jì)算方法。對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)采用此方法進(jìn)行計(jì)算后再進(jìn)行施工，則可降低施工的難度和復(fù)雜性，可一定程度的提高其計(jì)算效率。

4 大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的新要求

4.1 精度高、難度大

1)一般所建的大跨度鋼結(jié)構(gòu)均為國(guó)家重點(diǎn)工程項(xiàng)目，因此要求安全等級(jí)和施工質(zhì)量等級(jí)均較高，并且所使用的構(gòu)件數(shù)量較多，構(gòu)件長(zhǎng)度較長(zhǎng)，因此在施工時(shí)為確保施工安裝精度，施工時(shí)的注意事項(xiàng)較多，并且鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用電焊連接時(shí)其焊縫等級(jí)大多為一級(jí)焊縫，對(duì)施工人員的施焊水平要求也較高。

2)在對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行安裝施工時(shí)，部分構(gòu)件可在出廠前進(jìn)行預(yù)安裝，以降低現(xiàn)場(chǎng)安裝施工誤差，并且安裝施工時(shí)宜吸取西方發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)技術(shù)和理念進(jìn)行施工，在確保施工質(zhì)量的前提下，保證工程施工的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 預(yù)應(yīng)力技術(shù)

在鋼結(jié)構(gòu)中使用預(yù)應(yīng)力的方法可將鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力進(jìn)行重新分布，通過(guò)使用預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件施加預(yù)荷載，在一定程度上提高構(gòu)件整體強(qiáng)度。但對(duì)構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力后，構(gòu)件的受力狀態(tài)發(fā)生改變，并且其內(nèi)部應(yīng)力峰值也較原構(gòu)件降低。施加預(yù)應(yīng)力后，構(gòu)件的內(nèi)部荷載達(dá)到了相互平衡，并且減小了構(gòu)件的截面尺寸，而直接減少用鋼量，在滿足受力要求和安全性的前提下，降低其施工成本。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施加后，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗拉、抗壓強(qiáng)度均能得到充分發(fā)揮應(yīng)用，有利于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足彈性承載力。如在懸索結(jié)構(gòu)中，對(duì)其剛性拱和柔性索均進(jìn)行預(yù)應(yīng)力操作，可充分利用剛性拱的抗彎壓性能和懸索的抗拉性能，而直接提高了結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

5 大跨度鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工注意事項(xiàng)

在大跨度鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工前和施工過(guò)程中應(yīng)注意以下事項(xiàng)：1)在對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行吊裝前，應(yīng)對(duì)施工操作人員進(jìn)行安全技術(shù)交底；2)所有吊裝的起吊設(shè)備均應(yīng)具備國(guó)家年檢質(zhì)量合格證，設(shè)備手續(xù)齊全，吊裝司機(jī)應(yīng)持證上崗；3)吊裝過(guò)程中，信號(hào)員傳遞信號(hào)時(shí)應(yīng)統(tǒng)一、明確、吐字清晰、傳遞及時(shí)；4)吊裝機(jī)起吊時(shí)嚴(yán)禁超載、斜吊和拉吊，起吊過(guò)程中嚴(yán)禁吊裝機(jī)下部有人行走或停留；5)多臺(tái)吊裝機(jī)協(xié)同起吊時(shí)，吊裝機(jī)的臂桿應(yīng)保持一定距離，避免吊裝過(guò)程中互相碰頭或重心重合而造成吊裝機(jī)一方向偏重。起吊時(shí)起吊速度一定要慢，由于大跨度構(gòu)件長(zhǎng)度較長(zhǎng)、荷載較大，因此為確保吊裝機(jī)和周邊工作人員的安全應(yīng)減小構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的慣性。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及施工特點(diǎn)、施工中的受力原理、力學(xué)分析及施工技術(shù)的新要求和施工注意事項(xiàng)進(jìn)行分析，得到大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)的難點(diǎn)和施工要點(diǎn)。由于大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工的方法與普通鋼結(jié)構(gòu)施工方法基本相同，因此本文不再對(duì)常規(guī)的施工方法進(jìn)行贅述，而直接對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工要點(diǎn)進(jìn)行分析，為以后大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工提供一定參考。

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Large span steel structure construction technology research

Zhu Qiang

(SportsCultureDevelopmentCenterinShanxiProvince,Taiyuan030012,China)

The paper introduces the features of the large-span steel structure, undertakes the dynamic analysis from the stressed principle for the inner parts of the large-span steel structure, points out its technical elements, and sums up the precautions in the structural hoisting construction, so as to accumulate the experience for the large-span steel structure.

large-span steel structure, prestress, hoisting construction, stressed principle

1009-6825(2016)26-0054-03

2016-07-15

朱 強(qiáng)(1964- )，男，工程師

TU391

A