大跨度钢结构施工过程中的若干技术问题及探讨

廖龙俊

（中铁电气化局集团第二工程有限公司，湖北 武汉 215128）

为满足经济、文化建设的需要，以及人们对建筑的审美需求，大跨度钢结构逐渐成为现代建筑设计中的重要组成部分，受到工程师们的青睐。许多体育馆、影剧院、俱乐部、候车厅、展览中心等大型公共建筑的顶盖结构都使用了大跨度钢结构。而且随着这种大跨度结构的普及以及新材料和新技术的出现，不论其跨度还是规模都正变得越来越大，也由此为设计和施工引出了许多的技术难题，对结构的安全性和稳定性也提出了更高的要求。

1 大跨度复杂钢结构的几点特性

1.1 应用了大量的预应力技术

预应力作为一种新技术，在现代建筑设计中得到了广泛应用，主要表现在索穹顶、索膜和整体张拉等新型结构上。在结构承受荷载之前，对其施加一个与载荷力相对应的预应力，可以提高构件的刚性，增加构件的耐久性。

1.2 对材料质量等级的要求苛刻

为满足建筑功能的需求，大跨度钢结构的跨度正变得越来越大，如国家体育馆“鸟巢”，其跨度为296m，国家游泳中心“水立方”的跨度也达到了177m，这样大的跨度，要保证结构的安全性和稳定性，必须使用优质高强度的钢材，如此才能保证这些宏伟的建筑物安然无恙地耸立起来。

1.3 构件数量繁多，设计和施工难度大

此类大跨结构建筑的工程量浩大，往往由几万个，甚至几十万个构件构成，不仅如此，构件的种类也是多种多样，其切口、截面形状、尺度各不相同，使得施工放样过程变得极为困难，而且对于某些特殊结构的构件，需要先进行复杂的试验和研究后才能投入使用。

1.4 构件加工精度的要求严格，加工难度大

无论是“鸟巢“、”水立方“，还是其他的国家大型工程项目，都是国家重点工程，不仅关乎国家现代化形象建设，也寄予了民众的厚望，因此对工程质量的要求很高，不仅构件的加工要达到极高的精度，在材料焊接方面，大量的焊缝也都要求达到一级焊缝标准。

2 大跨度复杂钢结构常用的几种施工方法

2.1 分条或分块安装法

此安装法首先将结构在地面分割成一些条状单元，再用起重设备将其吊装至高空位置进行整体拼接，该方法避免了大量铺设地面支架的情况，而且根据起重设备的负重能力，可以自由的调整条状或块状结构单元的大小，灵活地设计施工方案。

2.2 高空散装法

高空散装法是比较传统的一种施工方法，它是将整体结构划分成若干散件，并将散件通过悬挑法或满堂支架法直接在高空拼装成整体。高空散装法适用于空心球节点、螺栓球节点等含节点较多的非焊接连接的网架结构。我国南京国际展览中心的屋盖主拱架的制作安装便充分运用了这一方法。

2.3 整体吊装法

整体吊装法是指先将结构在地面总拼成整体，再用起重设备将其吊装至设计标高并固定的方法。由于整体吊装法在地面进行焊接接连工作，能够更好的保证焊接的质量，也能较好的把握结构的几何尺寸，因此适用于通过焊接连接的网架。

2.4 高空滑移法

这种方法通常可分为单条滑移法和逐条累计滑移法，单条滑移法采取逐条滑移，再逐条连接的方式，即将分割成条状的单元分条滑移到高空指定位置，再一条一条的进行拼装，最后拼装成整体。逐条累计滑移法采用分段式连接和滑移的方式，即从第一条开始，滑移到足够拼装第二条单元的距离后，将第二条单元与第一条单元进行连接，再将两个单元作为一个整体进行滑移，当再次滑移到足够的距离后就拼装第三条单元，如此循环，直到所有的单元都连接完成。

2.5 折叠展开安装法

这种安装法比较适用于由杆件组成的网壳状钢结构，可以对此类钢结构的空间立体作用进行分解。这种方法的基本思路是在整个结构中抽掉局部的少量构件，使之分成若干个区域，各区域之间通过可活动的节点连接为一个整体。这样形成的钢结构能够折叠，可以方便的在靠近地面的高度进行杆件连接、设备安装、局部装修等操作，然后将结构展开，通过液压千斤顶等设备将结构顶升至设计位置，再将缺少的杆件补齐，使其成为一个稳定的整体。

3 大跨度钢结构施工过程中的一些力学问题

3.1 吊装工序中平面桁架以及空间桁架的平稳性问题

高空焊接作业不仅存在一定的危险性，而且操作难度高，效率低下，为了解决这些缺陷，可以将空间框架和整榀平面作为吊装单元，这样可以将大部分焊接拼装工作在地面或靠近地面的高度完成，大大提高工作效率，提高施工的安全性，但是这种方法也会带来一些问题，特别是对于大跨度的桁架结构，比如吊点的选择，吊装工序中桁架的稳定性问题等。

1.1 选择吊点的原则

对于大跨度平面桁架和空间桁架结构的吊装工序，选择吊点的分布和数量是一个非常重要的问题，例如一个简单的直线型支架，要将其吊装到设计的高度，并将两端与其他构件进行拼接，在选择吊点时即要保证支架起吊后平稳，又要尽量减小两端因为自重而产生的相对形变，如此才能保证支架准确到位，且长度适宜，顺利完成两端的拼接工作。图1为简支梁吊装过程中的受力形变图，当吊点靠近梁的两端时，梁体中间的力矩大于两端的力矩，中间部位凹陷，两端翘起；当吊点接近梁的中心部位时，两端的力矩超过中间的力矩，两端向下弯曲，中间翘起。

图1 简支梁吊装过程中的受力形变

因此应该选取合适的吊点，使中间和两端的力矩达到平衡，使整个简支梁尽量保持平直。这个吊点的位置可以通过以下公式导出：

1.2 平面外失稳问题的分析

在吊装过程中，不仅要保证吊件在平面内稳定，还要避免其发生平面外失稳，所谓平面内稳定是针对单个构件而言的，即构件不失稳，强度不受破坏，而平面外失稳是指框架整体的稳定性受到破坏，发生平面外失稳的原因主要与吊点的位置和数量有关，一般而言，吊点越多，越不易发生失稳。图2为片状桁架分别在单吊点、双吊点、三吊点的情况下可能出现的失稳模式。

图2 片状桁架吊装过程中的失稳

导致片状桁架平面外失稳的因素比较复杂，其吊装方案的制定也比较困难，需要辅以一定地计算和分析，计算时一般采取模拟简化的方式，也可以通过ANAYS软件进行模拟分析，对吊装方案的可行性进行预判断。

4 临时支承柱的设置问题

几乎所有的大跨钢工程都离不开临时支承柱的使用，但是它的使用也给钢结构本身带来了一些负面影响，因为支承柱对框架结构所施加的力是暂时性的，在设计整体结构的时候是没有考虑在内的，会对钢结构中各部分力的分布产生影响，有可能破坏整体的平衡性和稳定性，也有可能对支承点附近的构件造成破坏。以图3中的拱状桁架为例，在不加临时支承柱的情况下，其拱脚在水平方向上对外施加一个较强的推力，在垂直方向上承受桁架的全部重力，当设置临时支承柱后，拱脚对外的推力及承受的重力大大减弱，但支撑点附近的构件受到较强的反作用力。目前主要有单柱支撑、联体支撑、网架支撑三种不同的临时支撑方案，在实际施工中，需要根据刚体结构、支撑高度、支撑点数量、支承柱载荷等选择合适的支承方式。

图3 临时支承柱的设置

5 拆撑过程中的注意事项

安装工序完成后，需要拆除临时设置的支承柱，这个拆除的过程是一个渐进的过程，要根据体系内力的相互作用，逐渐转移结构受力，使结构内力重新分布，当拆除所有的支承柱后，钢结构各部分的受力状况能够达到设计时的状态。要做到这一点，需要注意以下事项：（1）拆撑引起的体系内力变化应该缓慢的进行；（2）随着拆撑的进行，要即时对各受力杆件在弹性允许的范围内做微调整，跟进内力重新分布转化的过程，防止局部受力出现破坏性的累积，不能让构件发生永久性的形变甚至损坏；（3）拆撑时要格外注意安全问题，选取安全、易控、可行的拆除方案，循序渐进，直至拆除最后一根支承柱，整个大跨钢结构进入设计状态。

5 预应力的应用及安装工序的跟踪模拟计算

在大跨钢结构和超大跨钢结构中，运用预应力来改善和调整钢结构内各部分的内力分布，可以提高结构的刚度，增强结构的稳定性，而预应力的设计与其施工过程是密切联系的。在施工过程中要时刻保持跟踪模拟计算，以保证大跨结构的安全性和稳定性，大跨结构的安装过程是连续化的，而且各构件之间的拼装及相互作用是环环相扣的，需要对各构件的安装和加工进行精准的控制和即时的计算，出现误差要及时纠正，否则前一个构件产生的微小偏移会对后面的构件产生影响，这种影响累积下来就会对整体结构产生影响，使结构受力分布偏离原来的设计。

本文以平面单向张弦梁结构为例对预应力的应用进行探讨。平面单向张弦梁结构的受力状态如图4所示，通过下弦拉索的方式对其施加合理大小的预应力，以提高张弦梁的受力能力。

图4 单向平面张弦梁结构的受力分解示意图

图中q代表均匀分布的荷载，f1代表拱高，f2代表索的垂度，l代表拱的横跨长度，以H代表张弦梁的合理预应，则其大小可由下列公式导出：

6 整体提升工序的分析

由于地面焊接拼装工序的安全性、便捷性和高效性，近年来涌现了大批采用整体提升方式的大跨工程项目，如上海大剧院、澳门东亚运动会体院馆、首都机场四机库等。整体提升方案有利也有弊，因为钢结构的提升状态相对于设计状态会产生一定的形变，因此在施工过程中要注意以下问题，一是对提升方案进行周密的计算和分析，推算结构各部分的强度和稳定性，将形变造成的影响考虑在内，二是加强提升部位的保护工作，防止提升时受力构件遭到损坏。施工过程中可以分三个阶段进行提升，首先是将钢结构提起，与底架脱离，其次是缓慢匀速的提升钢结构的高度，最后是使钢结构准确就位。整个提升过程中，由于首尾两个阶段会产生一定的加速度，提升力也会相应的发生变化，会对提升设备和钢结构的稳定性造成较大的影响。下面以我国某小区建筑的施工过程为例对整体提升工序进行讲解，此工程中需要进行整体提升的设备总重100多吨，包括钢梁、天沟、龙骨等部位，其提升点的平面布置图如图5所示。

图5 提升点的平面布置图

具体施工流程如下：（1）在支撑的钢件上安装主梁，然后用小型顶升设备调整主梁结构，最后安装次梁和龙骨等；（2）拆掉除中间位置的支撑钢件，只保留两边的支撑点，然后安装檩条、天沟等部件；（3）将提升设备、钢缆、千斤顶等安装到位；（4）选择合适的时间进行提升，一般为下午，先将主梁提高2米左右，然后停滞观察一夜时间，确定结构的形态、焊点等未出现意外变化，确保各描点正常连接；（5）确认无误后继续进行提升，保持每小时2到3米的速度，因高度较高，耗时较长，中途进行两次停顿，停止时用钢缆将钢结构与目标结构临时固定。（7）钢结构提升到位后，进行焊接工作，并进行结构的质量检测，确保无误后即可拆除提升设备，整个提升工序顺利完成。

7 总结

目前越来越多的建筑开始采用大跨度复杂钢结构，大跨钢结构的建造技术也越来越成熟，并且随着新材料的研发和新技术的应用，大跨钢结构在经济性、稳定性、和先进性等方面都有着长足的进步，但我们依然有许多设计和技术上的问题未解决，在施工过程中仍然会遇到许多富有挑战性的难题。本文就大跨度复杂钢结构的特点、施工方法及施工力学方面的几个重要问题作探究和分析，希望能对我国大跨建筑事业的发展起到一定的指引和推动作用。

[1]秦榛，杨慧.大跨度连体桁架钢结构施工监测技术[J].低温建筑技术，2013（3）.

[2]王翠英，宋伟.大跨度钢结构超长屋面围护系统施工[J].科技创新导报，2013（2）.

[3]许永红.浅谈如何搞好工业建筑施工重点管理[J].建筑知识，2013（02）.

[4]倪擎.大跨度空间钢结构在房屋施工中的应用[J].建筑知识，2013（02）.

[5]丁大益，郑岩.合肥新桥国际机场航站楼结构设计[J].西安建筑科技大学学报，2013（1）.

[6]王秀丽,李瑛,杨文伟.西宁体育馆钢屋盖施工应变监测与分析[J].甘肃科学学报，2013（1）.

[7]孙广泉，唐俊伟，甄海涛.援哥斯达黎加国家体育场钢结构工程的施工技术措施[J].安徽建筑，2013（1）.

[8]刘林，朱利.大跨度彩钢结构厂房火灾危险性分析及应对措施研究[J].科技与企业，2013（6）.

[9]叶杭锋.关于现代大跨度空间钢结构施工技术的研究[J].中国水运，2013（4）.

[10]张文甫.大跨度模块化钢结构施工技术[J].科技信息，2013（6）

[11]江神虎.基于性能环境的大跨度钢结构设计研究[J].建筑界，2013（3）.

[12]马飞.大跨度工业厂房钢结构安装施工技术[J].建材与装饰，2013（1）.