大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的若干技術(shù)問(wèn)題及探討

張濤

摘要：當(dāng)代社會(huì)的快速發(fā)展給建筑行業(yè)產(chǎn)生了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，現(xiàn)代化復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的工程數(shù)量正在逐漸增加，大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)在工程中也得到廣泛應(yīng)用，但同時(shí)在施工過(guò)程中遇到的問(wèn)題也愈加明顯。本文從大跨度范圍鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)出發(fā)，并介紹了大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的施工方法，探討了大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的若干技術(shù)問(wèn)題，為相關(guān)工程提供參考。

Abstract： The rapid development of contemporary society has brought new opportunities and challenges to the construction industry. The number of modern complex steel structure projects is gradually increasing. The construction technology of large-span complex steel structure is also widely used in the project， but at the same time， the problems encountered in the construction process are more and more obvious. Based on the characteristics of large-span steel structure， this paper introduces the construction method of large-span complex steel structure， discusses some technical problems in the construction process of large-span complex steel structure， and provides references for related projects.

關(guān)鍵詞：大跨度;復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu);施工;問(wèn)題

Key words： large span;complex steel structure;construction;problem

1? 大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的施工特點(diǎn)

1.1 預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力技術(shù)在當(dāng)代建筑行業(yè)的設(shè)計(jì)和具體施工過(guò)程中已經(jīng)廣泛應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力技術(shù)在大空間復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)里的運(yùn)用主要在索膜、索穹頂和整體伸縮等創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)建筑上[1]。在建筑主結(jié)構(gòu)承受負(fù)荷前，采取施加和載荷作用力相反的預(yù)應(yīng)力，以提高鋼結(jié)構(gòu)的硬度并延長(zhǎng)建筑的使用壽命。

1.2 材料要求較為嚴(yán)格

隨著新技術(shù)的應(yīng)用，在大規(guī)模大空間復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工中，對(duì)材料的要求更為嚴(yán)格。例如，北京的鳥(niǎo)巢體育場(chǎng)館跨度為二百九十六米，中國(guó)游泳中心水立方的跨度是一百七十七米，這樣大的建筑規(guī)模，只有高質(zhì)量的建筑材料才能保證建筑物的安全和穩(wěn)定。

1.3 構(gòu)件施工難度大

大規(guī)模大空間復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)，從字面上來(lái)說(shuō)，它是一種大跨度，工程量大，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)施工，為了完成施工，需要數(shù)以萬(wàn)計(jì)的構(gòu)件才能完成。當(dāng)然構(gòu)件的形式和構(gòu)造也是不同的，大小也大不相同。因此，施工放樣在施工期間造成的難度是極大的，有關(guān)施工過(guò)程中運(yùn)用建筑材料構(gòu)造也有較強(qiáng)的特別之處。因此，在應(yīng)用這些建筑材料以前，有必要開(kāi)展復(fù)雜的測(cè)試，以保證投入應(yīng)用的穩(wěn)定性。

1.4 構(gòu)件加工精度高

大規(guī)模大空間復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程，一般都是市政項(xiàng)目，工程量比較大，技術(shù)要求高，是國(guó)家建筑行業(yè)的象征性標(biāo)志。在工程建設(shè)中，對(duì)施工技術(shù)提出更高的要求，由于大規(guī)模大空間復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程的構(gòu)件比較多，因此要確保構(gòu)件加工的精度，在構(gòu)件焊接施工時(shí)，對(duì)焊接的要求也非常嚴(yán)格，一定做到一級(jí)焊縫指標(biāo)。

2? 大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的施工方法

2.1 分塊安裝法

該安裝方式首先把整體結(jié)構(gòu)在地面上分成多個(gè)單元，再把各個(gè)單元提到主體上開(kāi)展焊接，這個(gè)作業(yè)措施降低了鋪設(shè)在地面需要支柱的個(gè)數(shù)，并能夠按照吊機(jī)的承載力度靈活調(diào)整形狀構(gòu)造單元的大小，從而實(shí)現(xiàn)柔性施工。

2.2 高空散裝法

該施工方是是一種比較保守的方式。它的安裝原理是把整個(gè)構(gòu)造分成幾塊，再通過(guò)懸臂法和全框架法開(kāi)展高空焊接。該方式適合于螺栓球節(jié)點(diǎn)以及空心球節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格構(gòu)造。這種構(gòu)造運(yùn)用非焊接方式，如南京市國(guó)際展覽中心的屋頂拱架即是應(yīng)用該方式開(kāi)展建設(shè)的[2]。

2.3 整體吊裝法

它指的是把整個(gè)構(gòu)造在地面上焊接完成，再用吊裝機(jī)械設(shè)施或者液壓頂升設(shè)施吊裝到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)高度并固定牢固。該方式可以在地面方便開(kāi)展焊接，能夠更好地確保焊接的水平，還可以很好地把控構(gòu)造大小，因此更適用于焊接球柵與管桁架。

2.4 高空滑移法

該方式包括有兩個(gè)方式，一個(gè)是單滑移，另一個(gè)是累積滑移。前者的施工原理是一個(gè)接一個(gè)滑動(dòng)，再一個(gè)接一個(gè)連接，也即是說(shuō)，把分割開(kāi)來(lái)的組成一個(gè)接一個(gè)地滑動(dòng)到設(shè)計(jì)指定的高處，然后將它們一個(gè)接一個(gè)地組裝成一個(gè)整體;后一種施工原理是分成段落進(jìn)行連接和滑動(dòng)，也即是說(shuō)，在將第一段落滑動(dòng)到一定位置后，把它與第二段落焊接，再當(dāng)作一個(gè)整體滑動(dòng)，并且在達(dá)到一定位置后與第三段落焊接，以此類(lèi)推，一直到完成整個(gè)焊接施工任務(wù)。滑動(dòng)法從滑動(dòng)主體上可以分滑動(dòng)構(gòu)造法與滑動(dòng)腳手支架法兩種。

3? 大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的技術(shù)問(wèn)題

3.1 平面和空間桁架的吊裝問(wèn)題

整榀平面和空間桁架整體吊裝方式在施工過(guò)程中可以減少高空焊接帶來(lái)的缺陷，同時(shí)可以降低施工難度，保證施工質(zhì)量的同時(shí)也可以提高施工效率。但是該吊裝工藝在施工過(guò)程存在吊點(diǎn)的選擇和平面外失衡兩個(gè)問(wèn)題，以下就這兩個(gè)問(wèn)題提出有效解決措施。

3.1.1 吊點(diǎn)的選擇問(wèn)題

在確定桁架的吊裝方案時(shí)，首先需要考慮桁架的吊點(diǎn)和分布情況。例如，一平直的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，在桁架安裝時(shí)，要想達(dá)到吊裝設(shè)計(jì)要求，其吊點(diǎn)的選擇和分布必需要保證桁架在起吊后的梁在自重作用下，兩端的軸向相對(duì)變形等于或接近零，這樣完成吊裝，才可以準(zhǔn)確就位，如圖1。

由上述公式可知，當(dāng)桁架吊件截面發(fā)生軸向變化或者吊件被人自重不均勻，都可用此公式進(jìn)行計(jì)算。此外，在計(jì)算吊點(diǎn)位置時(shí)，還需考慮吊繩與吊件軸線(xiàn)的夾角，以及吊繩水平分力會(huì)對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生軸向壓力。

3.1.2 平面外失衡問(wèn)題

在桁架安裝之前，需要先確定好吊裝方案，通過(guò)計(jì)算和分析，確定好桁架的吊點(diǎn)及其分布位置。吊裝方案中需要確定桁架在起吊的過(guò)程中，在保證平面內(nèi)穩(wěn)定的情況下，也不會(huì)發(fā)生平面外失衡問(wèn)題。如果想要確保平面內(nèi)不失衡，則需要保證驗(yàn)算桁架的各個(gè)構(gòu)件不會(huì)出現(xiàn)失衡或嚴(yán)重破壞。吊點(diǎn)的多少與分布直接影響著平面外的失衡，它們呈反比關(guān)系，吊點(diǎn)越多，發(fā)生平面外失衡的可能性就越低[3]。如圖2是桁架a在一個(gè)吊點(diǎn)b、兩個(gè)吊點(diǎn)c以及三個(gè)吊點(diǎn)d提升的情況下，平面外失衡可能出現(xiàn)的幾種模式。

3.2 滑輪力學(xué)問(wèn)題及分析

在項(xiàng)目施工期間，鋼架結(jié)構(gòu)部件在提升過(guò)程中通常設(shè)置有多個(gè)滑道。一方面是調(diào)節(jié)它的功能，方便于吊裝結(jié)構(gòu)，還有利于提升結(jié)構(gòu)與部件的過(guò)程中，便于調(diào)節(jié)它的位置與姿態(tài)，并且實(shí)現(xiàn)相鄰部件與焊接過(guò)程中要求的標(biāo)準(zhǔn)。把原有的構(gòu)成、繩索與滑輪結(jié)合起來(lái)，組建成新具有獨(dú)特性的結(jié)構(gòu)（如圖3所示），可符合具體施工期間的運(yùn)用。在具體施工中，為解決圖中a結(jié)構(gòu)的滿(mǎn)足內(nèi)力配置平衡均勻的問(wèn)題，可在每側(cè)增加一個(gè)水平桁架桿，再對(duì)該方案開(kāi)展分析研究。如該部件調(diào)節(jié)到平衡配置時(shí)，再重復(fù)該過(guò)程，水平連桿的內(nèi)力值為零時(shí)就完成了。為了便于分析研究，把它們統(tǒng)稱(chēng)滑輪力學(xué)問(wèn)題。

3.3 設(shè)置臨時(shí)支承柱技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響

在大規(guī)模鋼結(jié)構(gòu)組裝過(guò)程中，不可避免地需要設(shè)置臨時(shí)支承柱，如圖4所示，在具體操作過(guò)程中，因?yàn)闀簳r(shí)支撐體的影響，構(gòu)造的力學(xué)性能和設(shè)計(jì)應(yīng)力都會(huì)發(fā)生很大變化，同時(shí)也會(huì)增加臨時(shí)支承柱與附近的內(nèi)力，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件處在組裝期間受到損壞。在具體施工過(guò)程中，假如有臨時(shí)支承柱，會(huì)減小拱腳的橫向推力與垂直反作用力。然而，在臨時(shí)支承柱頂部周?chē)蔫旒軜?gòu)件完全不同，臨時(shí)支承柱需要經(jīng)過(guò)精確計(jì)算后才可以添加。臨時(shí)支承柱拆除后，拱腳的橫向推力與垂直反作用力將加大。

以某體育館工程為例，該場(chǎng)館屋蓋是由主桁架拱和次桁架及聯(lián)系構(gòu)件組成，且呈橢圓形，長(zhǎng)軸約 328m ， 短軸約 223m。施工順序是從主桁架到次桁架，用整體提升法同時(shí)吊裝左右段主桁架，并在高空完成桁架拼接工作，由于拱腳支座水平推力較大，在安裝完成主桁架和拱腳的拼接工作后，經(jīng)計(jì)算得出，不能滿(mǎn)足拱腳設(shè)計(jì)要求，因此需要在兩段主桁架之間設(shè)置臨時(shí)支承柱，以確保工程的施工質(zhì)量，如圖5所示。

臨時(shí)支承柱安裝后，通過(guò)對(duì)比改場(chǎng)館支承柱安裝前和安裝后的水平推力和最大豎向撓度，如表1，可以得出的結(jié)論是：增設(shè)臨時(shí)支承柱后在很大程度上明顯地降低了拱腳支座的水平推力和豎向撓度。

3.4 臨時(shí)支承柱拆除時(shí)安全分析

當(dāng)所有構(gòu)件全部安裝完畢后，就需要拆除臨時(shí)支承柱，如圖6。為保證在拆除臨時(shí)支承柱在拆除過(guò)程中不發(fā)生安全問(wèn)題，需要遵循以下原則：①臨時(shí)支承柱受力部分所發(fā)生的內(nèi)力變化是一個(gè)緩慢發(fā)生的過(guò)程;②應(yīng)確保各受力桿件不會(huì)出現(xiàn)永久性變形，其彈性范圍必須控制在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。

3.5 施工過(guò)程跟蹤模擬計(jì)算及分析

大規(guī)模與超大規(guī)模鋼架結(jié)構(gòu)集體施工中難度存在很大，為了保證施工的有序開(kāi)展，在施工過(guò)程中一般運(yùn)用實(shí)時(shí)跟蹤仿真計(jì)算，以確保這類(lèi)鋼架構(gòu)造或者部件可以符合硬度、強(qiáng)度和牢固性的需要[4]。當(dāng)橋梁具體施工過(guò)程中存在大規(guī)模鋼架構(gòu)造時(shí)，該工程將有很長(zhǎng)的施工周期 。因?yàn)榻ㄖ牧献陨淼囊恍┨攸c(diǎn)與外部原因，不能確保構(gòu)造與構(gòu)件的內(nèi)力與位移無(wú)論在什么情況下都不會(huì)發(fā)生改變。對(duì)此，只可以運(yùn)用跟蹤服務(wù)計(jì)算，適時(shí)都能夠開(kāi)展保護(hù)手段，保證建筑施工的安全完工。

4? 結(jié)語(yǔ)

總而言之，本文通過(guò)對(duì)大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程可能會(huì)出現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了探討，并提出可行性解決方案，為后期大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的順利展開(kāi)提供技術(shù)支持，期望創(chuàng)新與優(yōu)化的新科技方法可以為中國(guó)橋梁建筑行業(yè)添一份力量，讓中國(guó)橋梁建筑工藝走得更遠(yuǎn)。

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