工程施工中大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

韓曉彤 孫樂健

摘 要：大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的新特點(diǎn)，給大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工帶來(lái)了機(jī)遇與挑戰(zhàn)，促進(jìn)了施工技術(shù)的革新。本文對(duì)工程施工中大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行了探討分析。

關(guān)鍵詞：工程施工；大跨度；鋼結(jié)構(gòu)

引言：

目前大跨度空間結(jié)構(gòu)主要被應(yīng)用到機(jī)場(chǎng)建筑、會(huì)展中心、體育場(chǎng)館、展覽館等大型公共建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)中。各種類型的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)在美、日、歐、澳等發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展很快，其跨度和規(guī)模越來(lái)越大，新材料和新技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，結(jié)構(gòu)形式越來(lái)越豐富。許多宏偉而富有特色的大跨度建筑已成為當(dāng)?shù)氐南笳餍曰驑?biāo)志性人文景觀。

一、大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的新特點(diǎn)

一是大跨度空間結(jié)構(gòu)跨度趨大化，空間結(jié)構(gòu)形式多樣化，施工技術(shù)復(fù)雜化，如“鳥巢”跨度296米，“水立方”跨度177米，廣州國(guó)際會(huì)展中心跨度126.6米，南京奧體中心體育場(chǎng)跨度360米。

二是結(jié)構(gòu)形式不再局限于采用傳統(tǒng)的單一結(jié)構(gòu)形式，新的結(jié)構(gòu)形式和各種組合結(jié)構(gòu)形式不斷涌現(xiàn)，如“水立方”采用了基于泡沫理論的多面體空間剛架結(jié)構(gòu)、“鳥巢”采用復(fù)雜扭曲空間桁架結(jié)構(gòu)、奧運(yùn)會(huì)羽毛球館則采用世界跨度最大的弦支穹頂結(jié)構(gòu)、廣州國(guó)際會(huì)展中心采用了張弦桁架結(jié)構(gòu)。

三是預(yù)應(yīng)力作為一項(xiàng)新技術(shù)，得到充分應(yīng)用，涌現(xiàn)了索穹頂、張拉整體結(jié)構(gòu)和索膜結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)形式，如奧運(yùn)會(huì)羽毛球館（北京工業(yè)大學(xué)體育館）采用了世界跨度最大的弦支穹頂結(jié)構(gòu)、國(guó)家體育館采用了世界跨度最大的雙向張弦梁結(jié)構(gòu)。在大跨度空間結(jié)構(gòu)中引入現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)，不僅使結(jié)構(gòu)體形更為豐富而且也使其先進(jìn)性、合理性、經(jīng)濟(jì)性得到充分展示。通過適當(dāng)配置拉索，使結(jié)構(gòu)獲得新的中間彈性支點(diǎn)或使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與外載作用反向的內(nèi)力和撓度而卸載，前者即為斜拉結(jié)構(gòu)體系，后者則為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系。這一類“雜交”結(jié)構(gòu)體系改善了原結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，降低內(nèi)力峰值，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果明顯提高。

四是現(xiàn)代空間鋼結(jié)構(gòu)大多采用仿生態(tài)建筑，為了滿足建筑造型，采用了各種各樣的節(jié)點(diǎn)形式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)難度越來(lái)越大，如鑄鋼節(jié)點(diǎn)、鍛鋼節(jié)點(diǎn)、球鉸節(jié)點(diǎn)等。構(gòu)件數(shù)量和截面類型越來(lái)越多，深化設(shè)計(jì)難度越來(lái)越大。一般而言，這類大型工程都由幾萬(wàn)個(gè)構(gòu)件，甚至逾10萬(wàn)個(gè)構(gòu)件組成，并且這些構(gòu)件的截面形式尺寸和長(zhǎng)度均不相同，這樣給施工單位放樣帶來(lái)極大困難，對(duì)于有些彎扭構(gòu)件，還需進(jìn)行專門試驗(yàn)和研究才能完成。

五是構(gòu)件加工難度大，加工精度要求高。這類工程都屬于國(guó)家重點(diǎn)工程，工程質(zhì)量要求相當(dāng)高。只有提高構(gòu)件加工精度，才能滿足質(zhì)量要求。并且大量焊縫要求一級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)，給施工帶來(lái)極大難度。現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量大，施工技術(shù)難度高。為保證施工精度，這些工程都需要進(jìn)行預(yù)拼裝，并且現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量特別大。由于結(jié)構(gòu)新、跨度大，為了保證經(jīng)濟(jì)、安全，都必須采用先進(jìn)的施工技術(shù)才能順利完成。

二、大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)房屋施工控制

在大型的空間鋼結(jié)構(gòu)建造過程中，施工技術(shù)是非常關(guān)鍵的。制定合理的施工方案、科學(xué)的分析施工過程，才能保證房屋結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟(jì)。現(xiàn)階段，一些大型空間鋼結(jié)構(gòu)的施工，突破了傳統(tǒng)的施工方法，向高科技領(lǐng)域不斷邁進(jìn)，使傳統(tǒng)的施工技術(shù)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。科研、設(shè)計(jì)和施工單位應(yīng)該共同合作，創(chuàng)造出更加科學(xué)、合理的施工技術(shù)。在研究、開發(fā)和創(chuàng)造過程中，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面。

1、使用施工監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)

要分析施工過程中影響目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的因素，需要使用施工監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。使用該系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)施工過程中的相應(yīng)參數(shù)，包括誤差參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，確保工程在合理的范圍內(nèi)。

施工監(jiān)測(cè)不僅能對(duì)工程施工進(jìn)行控制，而且能夠確保在施工過程中結(jié)構(gòu)的安全和標(biāo)準(zhǔn)。施工監(jiān)測(cè)主要的工作是通過儀器儀表，測(cè)量構(gòu)件的幾何尺寸，材料的容重、彈性的模量，環(huán)境溫度，以及施工階段的變形、位移和應(yīng)力等。施工監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括變形監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)。變形監(jiān)測(cè)多采用測(cè)距儀、水準(zhǔn)儀、全站儀、光電圖像式撓度儀等，以對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)，對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，要注意應(yīng)在構(gòu)件或結(jié)構(gòu)溫度趨于穩(wěn)定后方可進(jìn)行，以免使結(jié)果產(chǎn)生的誤差較大。應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用電阻傳感器和鋼弦式傳感器，電阻傳感器使用不便、持久性差，只適用于較短時(shí)間的荷載增量應(yīng)力測(cè)試。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)情況相對(duì)復(fù)雜、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)，鋼弦式傳感器比較適合。

2、安裝施工仿真技術(shù)

近些年來(lái)，大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵問題主要是仿真技術(shù)的應(yīng)用。仿真技術(shù)可以模擬整個(gè)施工過程，了解施工過程的要點(diǎn)如構(gòu)件受力情況，能夠?qū)κ┕ぶ邪踩珕栴}進(jìn)行預(yù)測(cè)。在仿真工作中，需要把施工環(huán)節(jié)的安全因素考慮在內(nèi)，以確保施工過程的順利進(jìn)行。采用仿真技術(shù)主要是仿真五個(gè)方面：第一是仿真大型構(gòu)件的吊裝過程；第二是仿真施工各個(gè)環(huán)節(jié)的具體工況；第三是仿真構(gòu)件的預(yù)變形情況；第四是仿真構(gòu)件的拼裝過程；第五是仿真施工完成后相關(guān)部件的拆卸。在仿真技術(shù)應(yīng)用過程中，對(duì)一些問題和施工過程中不太確定的環(huán)節(jié)要仔細(xì)分析，以便能夠保證施工的準(zhǔn)確度和安全性。

3、合理選用安裝方法

構(gòu)件的安裝有很多方法可供選擇，對(duì)于這些方法要仔細(xì)分析，有些可能適用，也可能只有某一個(gè)方法適用，這就需要工作人員做出準(zhǔn)確的判斷。在施工過程中只有對(duì)施工對(duì)象進(jìn)行合理、科學(xué)的評(píng)估，才能夠選取恰當(dāng)?shù)姆椒ā３Ｒ姷氖┕し椒ㄓ懈呖丈⒀b法、高空滑移法、分條或分塊安裝法、整體提升法、整體吊裝法、整體頂升法等六種，相對(duì)復(fù)雜的施工可以將兩種或多種方法結(jié)合起來(lái)進(jìn)行施工，必要的時(shí)候進(jìn)行相應(yīng)的創(chuàng)新，采用高空曲線滑移技術(shù)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)折疊展開式整體提升技術(shù)、滑架法施工技術(shù)和其它相關(guān)的技術(shù)，都可以使整個(gè)施工過程更加順利的進(jìn)行。

4、關(guān)于CAD設(shè)計(jì)和CAM制造技術(shù)的問題

CAD設(shè)計(jì)和CAM制造技術(shù)的采用，在很大程度上有助于大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的施工。CAD設(shè)計(jì)和CAM制造技術(shù)通過結(jié)合計(jì)算機(jī)的相關(guān)技術(shù)，可以進(jìn)行三維實(shí)體建模，對(duì)施工過程各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行高度模擬，進(jìn)而能夠?qū)φ麄€(gè)施工過程進(jìn)行更好的控制。此外，CAD設(shè)計(jì)和CAM制造技術(shù)還可以大幅度提高施工工作效率，減少施工誤差，對(duì)房屋施工的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，從某種程度上講，CAD設(shè)計(jì)和CAM制造技術(shù)對(duì)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)所起的作用是非常顯著的。

結(jié)束語(yǔ)

隨著建筑物的跨度和規(guī)模越來(lái)越大，必將進(jìn)一步研制開發(fā)出適應(yīng)我國(guó)大跨空間鋼結(jié)構(gòu)需要的新體系、新技術(shù)、新材料，更充分地體現(xiàn)大跨度空間結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性與合理性，促使我國(guó)大跨空間鋼結(jié)構(gòu)更積極、健康發(fā)展，更好地為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。

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（作者單位：中通鋼構(gòu)股份有限公司）