大跨度鋼結構施工過程的結構分析及應用研究

張忠帥

北京中網華通設計咨詢有限公司 北京 114001

前言

由于材料技術和結構分析技術的長足發展，使得大跨度空間結構得到了空前的發展，國內外一些主要的體育場館、展覽館及候車大廳等屋蓋結構幾乎毫無例外地采用了大跨度空間鋼結構，并且結構體系呈現多樣化、復雜化的發展趨勢。對于這些新的結構形式，雖然有以往較為成熟的施工經驗可供借鑒，但依然存在很多值得注意的地方，本文將對此類結構的特點和一些主要的施工方法進行分析和介紹。

1 施工力學原理

1.1 拉格郎日列式

針對大跨度鋼結構施工過程的施工力學分析，拉格郎日列式往往被用作物體運動狀態的描述。拉格郎日列式的描述往往把位移的度量當作被固定到大型構件變形前、后的且出現相對運行的物質點，由此也把拉格朗日坐標稱作物質坐標。

1.2 ANSYS

針對某些大型有限元軟件，邊界條件的改變較大型構件預應力的動態施加和增刪容易處理。但針對大型構件預應力的動態施加和增刪問題，本文認為較為有效的解決途徑為：ANSYS的死活單元功能配合計算功能，以此開發出針對大型鋼結構施工過程的力學分析方法。ANSYS由若干具備“殺死”功能和“激活”功能（即死活單元功能）的單元庫構成，屬大型有限元軟件[1]。

2 大跨空間鋼結構施工方法及其特點

目前，大跨度空間鋼結構有多種安裝方法可供選擇，具體采用時要綜合分析結構體系的受力特點、工期要求、場地條件、機械選擇以及施工環境等因素，根據工程具體特點加以甄別，最終選取恰當的安裝方法。

常見的施工方法有高空散裝法、分塊或分條安裝法、滑移法、提升法、頂升法以及整體吊裝法等，較為先進的方法還有高空曲線滑移法、網殼結構折疊展開式整體提升法以及滑架法等，對于較為復雜的工程，可以將多種施工方法結合起來，以達到安全可控、經濟合理的目標。下面介紹幾種有代表性的施工方法。

2.1 高空原位拼裝法

高空原位拼裝法是指在結構設計空間位置直接將節點和桿件進行拼裝的一種施工方法。由于該方法在設計位置對結構直接進行拼裝，無須其他輔助技術措施，因此是一種最為直接和較為有效的方法，得到了非常廣泛的應用。

該方法一般采用塔吊或汽車吊等起重設備進行散件或分塊拼裝，由于直接在高空拼接，難度較大，同時為了保證結構體系的穩定，往往需要設置大量的臨時支撐，待整個結構拼裝完畢，再對臨時支撐進行拆除。通常與土建等施工存在交叉作業，施工周期較長。采用該方法時需要制定合理的拼裝順序，要求節點定位坐標精準。

2.2 提升安裝法

提升安裝法是利用提升設備將結構提升至指定位置再進行安裝的一種施工方法，由于待提升結構在較低位置進行拼裝，因此有效地減少了高空作業量，高空風險小，是一種技術先進、高效經濟的施工方法[2-4]。相對于高空散裝法，該方法節省了臨時支撐，拼裝難度降低，施工周期較短，施工質量較易保證，但需要一定的專業提升設備和臨時提升平臺等輔助措施。

目前廣泛應用的一種是計算機控制液壓同步提升系統，該系統通常由液壓提升器、液壓泵源系統和計算機同步控制及傳感檢測系統組成。一般通過采用液壓提升器作為提升機具，柔性鋼絞線作為承重索具。液壓提升過程一般通過上錨緊→伸缸拔下錨→下錨緊→同步縮缸四步循環完成，一個流程為液壓提升器一個行程，當液壓提升器周期重復動作時，被提升結構則逐步完成上移。

由于采用較少的受力點對結構進行提升，受力點容易產生應力集中，因此，需要對提升吊點、提升平臺等臨時結構的布置和形式進行設計。由于該方法安裝質量較高，且可以節約臨時支撐，因而成本較低，施工較快，所以在大跨度鋼結構施工中應用廣泛。

2.3 滑移安裝法

滑移安裝法是將結構在異地拼裝，待拼裝結束后利用滑移設備將整個鋼結構滑移至設計坐標處的一種施工方法。該方法可以有效避免交叉作業，目前應用較廣。根據滑移就位方式的不同分可以分為：整體滑移法和累積滑移法。前者將待滑移結構整體從拼裝位置滑到設計位置直接就位安裝，而后者是將待滑移結構分解為若干個滑移子結構，施工時先在拼裝區域完成第一個子結構后滑移一段距離，然后在拼裝區域完成第二個子結構，與第一個子結構相連后滑移一段距離，依次重復進行完成所有結構。按照滑移路線不同又可以分為直線滑移法和曲線滑移法。

由于滑移法在異地對結構進行拼裝，因此該方法有效地避免了與土建等施工的交叉作業，縮短整個工程的施工周期，施工質量和精度容易保證，但需要投入較大的臨時軌道設施和液壓滑移系統。與液壓同步提升系統類似，目前大多采用計算機控制液壓同步滑移系統，采用該方法，當軌道標高不同或曲線的半徑不同時，對液壓爬行器有特殊要求，有時需要特殊改造。同時，液壓推進點的布置和形式也是需要考慮的重點之一。

3 結束語

隨著大跨度空間鋼結構的發展，結構形式越來越復雜多樣，這對施工技術也提出了新的挑戰，成為擺在技術人員面前的首要問題。本文通過對當前大跨度空間鋼結構的特點和主要施工方法的闡述和分析，使該類工程在實際施工時有規律可循，以期能對相關工程提供相應的參考。