鋼結構施工力學問題與分析

韓潔

摘 要 隨著我國城市軌道交通不斷發展，城市軌道交通建設數量和規模不斷擴張，城市軌道交通建設年代跨度不斷變大，很多老舊線路的運營車輛急待檢修，為保障城市軌道交通的運營安全，提升城市軌道交通的服務水平，軌道交通車輛大修廠的建設成為城市軌道交通工作的重點。城市軌道交通車輛大修廠，主要由停車庫、調試庫、車體庫、廠修庫、轉向架車間、部件檢測間、調機車庫等大型廠房構成，其結構一般主要為鋼結構，因此鋼結構的施工成為重中之重。在鋼結構的設計和建造過程中，鋼結構的幾何形態、剛性程度以及鋼結構的邊界條件狀況，可以根據相應的施工次序先后產生，不同的鋼結構構成狀態物理量，在持續改變過程中所出現的結構材料以及邊界等方面的特征結構不同，會在鋼結構的路徑和時間效應當中，對整個鋼結構的受力性能產生一定的影響。本文結合北京市軌道交通平西府車輛大修廠工程中的鋼結構施工項目，針對鋼結構施工力學方面的問題進行了全面分析和研究，并且對施工力學分析方法以及相關的問題解決策略進行了闡述，有效提高鋼結構的施工效果與穩定性，對后續軌道交通及建筑行業中的鋼結構工程施工及使用的安全性和可靠性打下良好的基礎。

關鍵詞 鋼結構;力學問題;安全

隨著我國城市化建設進程加速，城市的交通建設已經成為影響人們日常工作與生活的重要因素。城市軌道交通作為城市交通的重要組成部分，對城市交通的運輸能力有著很大的提升作用。以北京市為例，截至目前已經建成通車了二十二條線路，通車里程達到699.3Km，縱橫交錯的城市軌道交通顯著緩解了城區的交通壓力，極大地方便了市民的出行，給公眾帶來更加快捷便利的生活品質。

城市軌道交通工程的建設具有工程量大、技術復雜、建設周期長等特點，由此造成建設年代跨度較大，很多運營車輛急待檢修。為保障城市軌道交通的運營安全，提升城市軌道交通的服務水平，配套的軌道交通車輛大修廠的建設就顯得尤為重要，而軌道交通車輛大修廠建設工程中的鋼結構施工是整個大修廠工程建設的關鍵與重點，鋼結構施工力學問題與分析是非常重要的研究課題。

本文結合北京市軌道交通平西府車輛大修廠建設工程中的鋼結構施工項目，針對鋼結構施工力學方面的問題，從鋼結構施工力學問題分析、施工力學分析及解決策略、鋼結構鎖定內力分析3個方面進行探討。

北京市軌道交通平西府車輛大修廠工程位于昌平區平西府地區，北起北清路以南，南至回南北路，西起規劃站前東街，東至規劃黃平西側路以西，與軌道交通8號線平西府車輛段北側相臨。

北京市軌道交通平西府車輛大修廠工程總用地面積約20.919

公頃，總建筑面積102064.74平方米，總占地面積82612.21平方米，地上建筑面積97647.74平方米，地下建筑面積4417平方米。本工程主要廠房有停車庫、調試庫、車體庫、廠修庫、轉向架車間、部件檢測間、調機車庫;主要庫房有立體倉庫、大部件存放庫、易燃品庫、廢件收集間等;服務配套設施有綜合樓、鍋爐房、中水處理站、門衛、停車棚、部件存放棚、材料棚;同時設有機走線、牽出線及試車線等。

本工程的主要廠房中有6個庫的結構為鋼結構，鋼結構施工成為本工程的關鍵與重點。在鋼結構的設計和建造施工中，鋼結構的幾何形態、剛性程度以及鋼結構的邊界條件狀況，可以根據相應的施工次序先后產生，不同的鋼結構構成狀態物理量，在持續改變過程中所出現的結構材料以及邊界等方面的特征結構不同，會在鋼結構的路徑和時間效應當中，對整個鋼結構的受力性能產生一定的影響。因此，針對北京市軌道交通平西府車輛大修廠建設工程中的鋼結構施工過程中產生的力學問題進行了全面分析和探索，并且針對不同的力學問題展開針對性分析和總結，以此來保證鋼結構工程的整體穩定性和安全性。

1鋼結構施工力學問題分析

本工程車輛檢修廠房為門式剛架結構，在施工過程中，相關建設、監理、施工等人員很少會對鋼結構的受力性能進行詳細分析和研究。事實上，鋼結構在建筑體當中的自重負載、裝飾負載以及周圍結構等負載量相對較大，在鋼結構施工過程中會逐漸施加在建筑體結構當中。在施工完成之后，受到恒定荷載的作用下，鋼結構很容易產生內力變形情況，主要是因為各個不同施工環節受力狀況逐漸積累所造成，這種恒定荷載的大小和分布具有特定的規律，并且在施工過程中與施工的路徑和施工時間有著密切的關聯。因此，在施工路徑與施工時間效應影響下，會直接造成鋼結構的內力產生不同程度的變化，在內力變化程度較大的情況下，會對整個鋼結構的穩定性和強度造成一定的影響，如果內力變化明顯將會造成非常嚴重的工程安全質量問題，會直接造成車輛檢修廠房的結構、邊界條件以及材料性質出現轉變。當內外部的受力變化達到極限值條件下，會直接造成整個鋼結構的穩定性喪失，進而對整個車輛檢修廠房的結構產生嚴重影響，甚至還會造成整個車輛廠房全面坍塌[1]。

在車輛檢修廠房鋼結構工程施工過程中，鋼結構的剛性程度、幾何形態邊界條件以及鋼結構荷載等方面因素，直接影響到了整體鋼結構的穩定性。這幾種重要的影響因素分為不同的順序依次產生鋼結構的荷載量，會隨著建筑體施工量的不斷加大而逐漸上升。在此過程中施工的路徑和時間是其中兩種非常重要的影響因素，直接影響到了鋼結構在使用過程中受力性能的發揮。當前隨著我國建筑產業的不斷向前發展，很多鋼結構建筑不斷涌現，這些鋼結構建筑在施工當中出現了很多施工力學方面的問題，相關參加單位的設計人員和施工人員，針對這種鋼結構的施工力學問題的解決存在較大的工作難度，隨著我國鋼結構建筑工程施工技術的不斷向前發展，鋼結構施工力學方面的問題將會成為相關研究工作人員的重點研究方向。

2鋼結構施工力學分析及解決策略

2.1 鋼結構施工跟蹤分析

平西府車輛大修廠工程的建設施工過程，是一種動態化的變化過程，在此過程當中車輛檢修廠房結構依次形成、材料依次成型，并且鋼結構的荷載量也在逐漸上升。鋼結構的邊界條件逐漸形成，在鋼結構工程竣工驗收之后，鋼結構依然會受到內力和變形因素的影響，這就造成鋼結構的整體穩定性和鋼結構的承載能力有所下降，這一問題主要是因為車輛檢修廠房在施工過程中各個環節的施工量和荷載量的增加和逐漸累積的結果。通過施工路徑和施工時間的效應理論分析，施工力學問題的產生和這兩種影響因素有著直接的關聯，因此在鋼結構施工過程中，結構的受力情況是處于一種不斷變化的狀態。本工程的車輛檢修廠房鋼結構的安裝過程需嚴格按照施工路徑和施工時間效應理論分析施工力學后確定的安裝順序進行鋼構件的安裝及校正，即鋼柱安裝與校正，鋼柱間支撐、鋼桁架及框架梁安裝與校正，托梁、屋面鋼梁及屋面水平支撐安裝與校正，兩榀鋼架間屋面、墻面結構安裝，形成穩定體系。

2.2 鋼結構施工變形預調

平西府車輛大修廠工程，共有7個車輛檢修廠房，最大的檢修廠房有3個，其中廠修庫體量最大，外形尺寸為162×117.8m，

共計6跨鋼結構，最大跨度24m，縱向每跨有28列門式剛架;車體庫跨度最大，外形尺寸為94.8×54m，共計2跨鋼結構，最大跨度33m，縱向每跨有16列門式剛架;調試庫與車體庫相似，外形尺寸為184.8×61m，共計3跨鋼結構，最大跨度25m，縱向每跨有31列門式剛架。本工程車輛檢修廠房整體鋼結構的構成相對比較復雜，在具體施工當中最大的難點問題在于已經安裝完成的鋼結構，會產生不同程度的變形現象，這種變形問題會對新安裝的鋼結構構件產生一定的影響，主要表現在安裝位置存在偏差以及受力條件產生變化。因此，在本車輛檢修廠房鋼結構施工過程中，為了有效保證工程施工完成之后，鋼結構受力變化趨于穩定后的受力情況達到設計要求，在每一次鋼結構施工環節當中，必須要對每一個構件的施工位置以及鋼結構的形態狀況加以有效控制，充分考慮鋼結構變形情況，保證鋼結構構件的受力合理性以及安裝位置的準確度。

由于本工程工期緊，工程體量大，場地土層力學性質和穩定性差，某些特殊的施工位置在施工之前，并沒有精確的確定鋼結構的施工位置，同時鋼結構施工的實際位置和設計位置之間存在一定的差異。因此，在鋼結構構件進行安裝和施工之前，相關測量人員必須要對鋼構件的施工位置進行詳細勘測，并且由施工人員要做好預先的位置調整工作，以有效確定各個不同的鋼構件實際安裝位置，根據本工程的實際建設施工情況，對鋼構件的施工安裝位置進行靈活調整，以此來充分滿足后續的鋼結構施工標準[2]。

2.3 鋼結構構件吊裝平衡

本工程車輛檢修廠房鋼結構的構件主要包括鋼柱、鋼梁、剛性系桿、柱間支撐、檁條、吊車梁系統等，最重的鋼構件位于車體庫，其中最重鋼梁為變截面H型鋼、整跨最大重量約7.2噸、最大截面尺寸為H1050～800×400×12×18mm、最大跨度33m，最重鋼柱為3.9噸、尺寸為H900×400×14×18mm。本工程車輛檢修廠房鋼結構施工項目的吊裝工程比重大、任務重，需配備較多數量性能良好的汽車吊。鋼柱采用整體吊裝法，鋼梁安裝時提前在地面原位拼裝為整體后再整跨吊裝，鋼柱、鋼梁采用80汽車吊進行吊裝，其余構件采用50噸汽車吊、25噸汽車吊裝配合吊裝。鋼結構構件在吊裝過程中，由于鋼結構的受力狀態和設計要求的數值參數存在一定的偏差，并且鋼結構構件在空間中的姿態調整難度較大，因此，鋼結構構件的精確性和安全性控制至關重要。首先需要對整個吊裝工作過程進行全面分析和預測，充分確定吊裝工作方案的合理性，有效保證整個鋼結構施工的順利開展。

本工程車輛檢修廠房鋼結構的構件吊裝形式采用的是鎖滑輪裝置來進行操作，吊裝結構內部通過吊索、滑輪等相關結構所構成。在力學的特征方面主要包含了鋼結構的移動、彈性變形狀況、滑輪之間的可懷疑性等。在具體的施工過程中，吊點位置的確定和鋼結構構件在空間中的吊裝姿態很容易產生問題，由于起吊鋼結構構件的鋼索受力條件的差異性，吊索的長度直接確定了鋼結構構件在空間當中的姿態要求，需要在鋼結構吊裝工作過程中，對鋼結構的強度、剛性程度以及穩定性等進行詳細計算和分析。當前在一些比較復雜的鋼結構施工過程中，針對上述問題的解決還沒有形成更加簡單和統一的計算方式，同時也沒有建立成更加精確和詳細的分析計算模型，隨著鋼結構技術的不斷向前發展，將會對這一問題進行更加深入的分析和探索，并且各種問題會得到逐步的解決[3]。

3鋼結構鎖定內力分析

在鋼結構工程施工過程中，工程施工人員無法對鋼結構的整體內力受力情況進行準確判斷，或者鋼結構構成出現較大轉變的情況下，無法采用分步成型或者移步成型的施工方法。通常情況下，如果繼續選擇使用一次成型的使用方法，將無法保證鋼結構的受力平衡性和穩定性，因此需要依照具體的工程施工方案，對整個鋼結構的設計、施工進行有效模擬，并且通過全程跟蹤分析的方法對鋼結構的施工方案來進行有效編制，充分考慮到鋼結構施工過程中產生的結構內壁變化情況，對鋼結構的位移變化情況以及在施工過程中出現的結構內部變化問題進行有效處理。并且在鋼結構竣工之后鎖定結構的內力大小，使得鋼結構施工部分可以和其他的復合之間重新進行組合，可以有效保證鋼結構具有充足良好的受力狀態。在整個鋼結構施工過程中需要對上述問題進行全面分析和考慮，為后續的鋼結構工程施工提供出必要的指導。本工程在車輛檢修廠房鋼結構施工前，對鋼結構的施工方案進行嚴格把控，充分考慮在各種不同的受力狀態下，鋼結構的內力變化以及位移情況均可以達到標準的設計要求。

4結束語

由此可以看出，現階段隨著我國鋼結構建筑的建設數量和規模不斷擴張，鋼結構的施工力學問題也受到了廣泛的關注和重視，從建設工程質量、安全生產方面考慮，需要對其中的鋼結構施工力學問題展開全面分析和研究，并且要做到施工全過程的監測和控制工作，保證每一段施工工序的鋼結構內力分布的均勻性和平衡性，提高鋼結構的速率穩定性，為后續鋼結構建筑的使用安全性打下良好的基礎。

參考文獻

[1] 張謹，楊律磊，龔敏鋒，等.蘇州現代傳媒廣場新型鋼結構技術研究與應用[J].建筑結構，2019，49（1）：25-35，48.

[2] 孫學根，牛忠榮，李兆峰，等.大跨度空間結構卸載過程模擬分析與監測[J].建筑結構，2018，48（11）：70-77.

[3] 曾濱.預應力鋼結構診治關鍵技術研究及展望[J].工業建筑，2017，47（1）：135-143，167.