大跨度空间钢结构施工技术研究

阮爱章

【摘要】：大跨度空间钢结构具有造型美观、形式多样化、经济性好等优点，日益受到广大建筑设计师们的青睐。本文主要论述了大跨度空间钢结构特点和施工方法，并结合五棵松体育馆大跨度空间钢结构施工工程阐述了现代大跨度空间钢结构施工技术。

关键词：大跨度；空间钢结构；施工技术；质量控制

中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：

引言

近年来,在一些发达国家和地区，各种大跨度空间钢结构得到迅猛发展,不仅有越来越大的跨度和规模,还广泛应用了新材料和新技术,结构形式日益丰富。很多富有特色的宏伟的大跨度建筑早已成为当地的地标性建筑。

1.大跨度空间钢结构的特点

1.1结构形式日益多样化和复杂化

现代大跨度空间钢结构已经不局限于采用传统的单一结构形式,新的结构形式和各种组合结构形式不断涌现。

1.2大量应用现代预应力技术

预应力作为一项新技术在大跨度钢结构建筑中得到了充分的应用，许多新的结构形式也因此涌现出来。比如张拉整体结构、索膜结构和索穹顶等，典型的代表有奥运会羽毛球馆(北京工业大学体育馆)，该馆在施工过程中采用了世界上跨度最大的弦支穹顶结构，另外，国家体育馆也采用了世界上跨度最大的双向张弦梁结构。在现代预应力技术在大跨度空间结构得到应用，不仅使建筑的结构体形变得更加丰富，同时也使其展现出合理性、先进性、经济性等特点。在安装过程中，适当配置拉索可以在钢结构中产生新的中间弹性支点或产生与外力作用反向的挠度和内力而卸载，前者是通常所说的斜拉结构体系，后者则是比较新的预应力结构体系。这种新的“杂交”结构体系明显改善了传统结构的受力状态，降低了结构的内力峰值，增强了结构的刚度，大大提高了技术经济效果和安全系数。

1.3结构跨度大、钢材等级高、钢板厚度厚

由于建筑功能的需要,现代建筑空间钢结构的跨度变得越来越大,短向跨度超过百米的建筑已经层出不穷,比如，国家体育场“鸟巢”的短跨为296m；国家游泳中心水立方的跨度177m等。为此，国家超限专家审查委员会针对性编制了大跨结构超限审查的规定。以上大跨度空间钢结构大量采用了Q390C、Q420C、Q460E等高强度级别钢材,钢板厚度很厚,部分甚至超过100mm。

1.4构件数量和截面类型多,深化设计难度大

通常来讲,大跨度钢结构这类大型工程大多由数以万计的构件组成，少的几万个，多的几十万个。与此同时，这些构件的尺寸、长度和机构形式都不相同。这些都给施工单位带来了相当大的困难,并且对于一些难度较大的弯扭构件,需要有关部门进行专门的研究和试验才能完成。

1.5加工精度要求高，构件加工难度大

大跨度空间钢结构工程一般都属于国家级重点工程,对工程质量的要求相当之高。想要满足质量这么高的质量要求,构件的加工精度必须要有相应的提高。同时，许多焊缝要求达到一级，这更进一步加大了施工难度。

1.6节点形式复杂多样

现代空间钢结构大多采用仿生态建筑,采用了各种各样的节点形式,如铸钢节点、锻钢节点、球铰节点等，以满足建筑造型。

1.7现场焊接工作量大,施工技术难度高

为了保证施工精度,这些工程都需要进行预拼装,并且现场焊接工作量特别大。由于跨度大、结构新,从经济性和安全性出发,都必须采用先进的施工技术才能顺利完成。

2.大跨空间钢结构施工方法及其特点

2.1高空原位拼装法

高空原位拼装是指把节点和杆件在结构设计时所处的空间位置直接进行拼装，由于是在空中进行拼接，难度是相当大的。这时，为了保证钢结构的安全性，一般都要设置临时的支撑来改善结构的受力状态，等钢结构部件全部安装完成之后再把临时支撑卸载，使钢结构达到设计状态，设置临时支撑结构使得高空原位拼装法得到了非常广泛的应用。 其主要技术特点:（1）要求定位坐标精准。由于结构是在空中拼装完成的，在没有预调值的情况下，设计坐标即是施工中节点的安装坐标，要使结构达到设计状态就必须要求该施工方法对坐标定位准确。（2）制定合理的安装顺序。根据结构的具体特点制定出合理的安装顺序，尽可能的减少标高误差。（3）考虑基础不均匀沉降的影响。由于临时支撑上荷载一般较大且受力不均匀，为了使结构的安装位形达到设计要求，必须对临时支撑下的基础不均匀沉降进行考虑。（4）对结构进行实时监测。由于建造过程中的影响因素较多，而施工周期又比较长，所以必须对结构进行实时监测。（5）对临时支撑的拆除要在结构拼装完成以后进行。在没有拼装完成时结构的整体刚度和稳定性还未形成，在此时拆除临时支撑会对结构的安全性能产生较大影响。

2.2整体吊装法

整体吊装是先在地面上将分区结构拼装好，然后用吊装设备将其吊装在设计时指定位置的一种施工方法。这种方法适用于结构形式简单、高度较小的空间网壳结构。对于那些小规模的建筑使用此方法还可以缩短施工周期，节省资金。但是，由于是先拼接后安装，所以空中定位和吊装结构的选择相对而言比较难，对吊装过程的安全性和工人的操作熟练程度也有一定的要求。 其主要技术特点:（1）对安装设备及场地有较高要求。要求场地空旷且平整，根据吊装结构的不同，采用不同的吊装设备。（2）对空中定位的安全性有较高要求。整体吊装法在进行吊装时一般需要人员辅助定位，所以要保障操作工人的安全性。（3）可以将地面拼接和吊装同时进行。在场地许可的情况下，可以在场地外进行总拼，场地内进行吊装，解决了施工周期长的问题，同时要保证吊车在行驶较长的距离时地面有足够的承载力。

2.3滑移就位法

滑移就位法按滑移方式分可以分为:单条滑移法和逐条累计滑移法。前者将每个条状单元分别从一端滑到另一端直接就位安装;而后者是先将第一个条状单元滑移一段距离至第二条单元，连接好后两条单元一起再滑移一段距离至第三条单元，如此循环直至完成。 按滑移空间的不同分为:上(下)坡滑移法和水平滑移法。虽然滑移就位法的精度比较高，但是使用范围还不是很广泛，随着科技的进步此方法也在慢慢地投入使用。 其主要技术特点:（1）曲线滑移轨道铺设较为困难。当轨道的标高不同、或曲线的半径不同时，对液压爬行器有特殊要求，有时需要特殊改造。（2）对起重设备和牵引设备的要求不同。在没有平台利用的时候只需搭设少许的临时支撑，故对起重设备要求不高;但对牵引设备的同步性要求较高。（3）滑移时的结构是几何不变体，且滑移速度不能太快。当采用单条滑移法时，由于摩擦阻力小，牵引力较大，所以需通过滑轮组变速。世界大学生运动会主体育馆采用了空间多轨道对称累积旋转滑移的施工技术，设置了特定的滑移轨道对结构进行安装。

2.4整体提升安装法

整体提升安装法是利用提升设备将结构提升至预想位置再进行安装的一种方法，多用在单层或多层网壳的屋盖结构施工中。此种施工方法最大的优点就是可以节省大量的临时支撑且工期相对较短，而相对应的施工难点就是对提升点的把握以及对所提升网壳结构的应力控制。

整体提升安装法的具体施工步骤是先将要提升的整个网壳结构分为几个单元，把第一个单元利用提升设备升至一定高度与第二个单元进行连接，连好后再将两个单元一起提升至下一单元，如此循环直至到设计高度与整个结构进行拼装。其主要施工技术特点:（1）使用的提升设备一般都不大。由于使用此方法施工的网壳结构一般自重较轻，一般小的提升设备就可以进行施工，成本较低。在小网壳的施工中应用非常广泛。（2）要选择合适的提升点。由于网壳结构在提升过程中的受力只集中在几个提升点上，有应力集中的现象，所以在施工前要对不同的提升点进行分析从而满足应力要求，保障结构施工中的安全性。（3）尽量多的在地面完成拼接。由于是空中作业，所以同整体吊装法一样，为了保障施工人员的安全，设计时尽量多的在地面完成拼接。（4）只能垂直上升，不能平动和转动。和整体吊装法不同的是其灵活性稍差，只能垂直上升。整体提升安装法是一个从“结构可变体”到“几何不变体”的过程，在最终完成提升的同时也要注意对结构的应力应变监测，保证施工的安全。由于其安装质量较高，并且可以节约大量的临时支撑，成本较低，施工较快，所以在网架及网壳结构的施工中应用广泛。

3.构件安装施工的质量控制与管理

大跨度钢结构构件安装质量控制要点为：①对进入施工场地的各类构件进行尺寸上的复核；②构件吊装前对构件的分段长度、弯曲度、起拱度等控制性参数进行检查；③制定合理的安装顺序；④构件安装过程中的监测和精度控制。

在管理方面，主要的措施为：①严格遵守国家规范和工程设计要求、施工图纸等；②对每道施工工序都进行质量检查，在该工序满足质量控制要求后再进行下一步的施工；③对施工中出现的质量问题采取上报、审批的形式，经过论证后进行整改；④注重合龙时机的选择，主要考虑的因素为构件的温度变形，在进行构件合龙时选择日照影响较小的时段进行。

4.工程实践：五棵松体育馆大跨度空间钢结构施工工程

4.1工程概述

五棵松体育场馆的主体结构是多层混凝土框架结构，屋架结构则为双向正交鱼腹式的空间钢桁架体系，它的比赛场馆的屋顶的轴线跨度为120*120米，屋顶结构支撑于沿建筑物周边布置的二十棵柱子上。钢桁架间距12米，共有26榀。桁架截面共有7种形式，支座处高位6.3米，跨中高6.3米到9.3米，

4.3工程特点

施工过程中，结构受力体系改变大、结构跨度大、结构双向布置、其桁架下弦存在空间关系、单件体型大，构件重、钢结构加工、安装焊接技术难度较大等。

4.3工程施工方法

在该工程中，施工方根据工程的实际特点，采用整体累积滑移技术进行钢桁架的安装。滑移采用了三滑到施工方法，应用油缸行程自动控制结核榕栅位移传感器闭环检测、人工测量印证的同步控制方法来控制滑移同步，应力应变检测来确保施工期间屋面桁架钢结构及滑道钢结构在滑移及卸载过程中的安全。

结束语

现阶段，跨度在150米以上的大型建筑越来越多，在实施的过程中也较多的采用新技术和新材料，空间钢结构的形式也因此而变得越来越丰富。施工的难度显然也随之加大，但是随着工程实践的大量增加以及理论研究的不断深入，我国一定会研制开发出和我国大跨空间钢结构需要相适应的新技术、新体系、新材料，保证大跨度空间结构的经济性、先进性以及合理性，推动我国大跨空间钢结构朝更加健康、积极的方向发展，更好地服务于我国经济建设。

参考文献:

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