大跨度拱支结构力学性能与施工技术研究

胡琪

（江西嘉亿建设工程有限公司）

大跨度拱支结构力学性能与施工技术研究

胡琪

（江西嘉亿建设工程有限公司）

近年来，国内大型社会文化体育活动越来越多，对大跨度结构的建筑物需求越来越大，极大的推进了大跨度建筑结构类型的丰富及施工技术发展，其中的拱支结构是当前运用最为广泛的一种大跨度建筑结构。本文从大跨度建筑结构入手，基于大量文献资料对拱支结构的组成、分类，以及力学性能、施工技术进行了探讨，以期对拱支结构有个较为系统而简要的了解。

拱支结构；力学性能；施工技术；大跨度；建筑结构

随着社会的发展与大型社会文化体育活动的增多，大跨度结构建筑物在城市中越来越多，如体育场馆、大剧院、会展中心、博物馆、大型仓库等，各类型的大跨度建筑物分布在城市各个地角度，彰显着一个城市的面貌和时代精神。目前，大跨度建筑结构的造型及其施工技术已经成为衡量一个国家建筑技术水平高低的重要标准。而我国正处于城市化建设稳步推进阶段，对规模宏大、形式新颖、技术先进的大跨度建筑物需求较高，为满足城市化发展需要及社会对大空间的需求，应搞好大跨度结构建筑物建设。拱支结构作为最常见、应用最广的大跨度建筑结构，受到了极大关注，应加强对其分类及力学性能、施工技术的分析，使之更好的应用于我国建筑建设。

1 大跨度拱支结构及其分类

大跨度拱支结构由上部钢拱和下部的网格结构组合而成，其中，上部钢拱对结构特性有较大的影响。众所周知，拱是一种很古老又现代的结构形式，其是桥梁工程最常使用的一种结构形式。但随着社会对大空间建筑需求的提高，拱这一种结构形式被引用到房屋建筑结构中来，逐渐演变形成大跨度建筑结构，保证了大空间、大跨度空间的实现。

大跨度拱支结构虽然起步较晚，经过多年发展，已经形成了多种结构形式，根据不同的分类标准，有着不同的结构形式。按照拱的相对位置关系，分为内拱支结构和外拱支结构；按照被拱支结构形式，分为拱支网壳结构、拱支网架结构、拱支板结构、拱支桁架结构等；按照上部钢拱和下部结构之间连杆的预应力引入情况，分为预应力拱支结构、非预应力拱支结构。考虑到上部刚拱结构对整个拱支结构特性的影响，我国出台《拱形钢结构技术规程》，对建筑结构中常用的刚拱结构进行归纳和分类，具体有钢管桁架拱、开孔截面钢拱、实腹式截面钢拱、索拱以及钢管混凝土拱等刚拱形式。

2 大跨度拱支结构力学性能分析

为了更好的研究大跨度拱支结构李的力学性能，下面结合典型拱支结构—弦支穹顶叠合拱结构，进行了相关分析。某体育场馆采用弦支穹顶叠合拱结构，屋面分为两部分，一部分是轻屋面，另一部分是玻璃屋面。根据我国建筑结构设计规范和项目任务书要求，这一体育场馆结构设计年限为100年，基准年限为50

年，结构安全系数为1.1，屋盖钢结构安全等级为一级。为满足这些要求，需要对结构力学性能进行分析，研究各类工况下结构的杆件应力比，为分析结构的力学性能提供数据支持。建筑结构一般要受到恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、积雪荷载，以及地震作用、温度作用等方面带来的影响。不同的荷载组合，有着不同的力学表现。该体育场馆采用的弦支穹顶叠合拱结构，设计共提出了100余种的荷载工况组合，典型的荷载工况组合约有16种，如表1所示。

表1 16种典型荷载工况组合表

确定适于该体育场馆使用年限和安全等级的典型荷载工况组合后，利用有限元软件建立体育场馆弦支穹顶叠合拱结构的三维空间模型。其中，上层单层网壳及空间曲线拱杆件通过beam4单元模拟，径向拉杆通过link8单元模拟，环向拉索通过link10模拟，然后计算得出各荷载工况组合下杆件应力比的控制情况。从计算结果看，有温度参与的荷载工况组合的杆件应力比高于没有温度参与的荷载工况组合，这说明该体育场馆的拱支结构对温度作用的敏感性较大。之所以这样，主要有三方面原因。①该体育场馆屋面分为轻屋面、玻璃屋面两部分，其中，玻璃屋面的太阳光透射率为70%左右，屋面下的结构构件很容易受到太阳辐射，造成弦支穹顶结构温度敏感；②该体育场馆的空间曲线拱的整体刚度较大，当结构构件受温度作用时，与之相连的下部网壳构件温度应力会有所增加，这也会造成本结构温度敏感；③体育场馆长期暴露在室外，长期受空气对流、太阳辐射等作用，空间曲线拱温度较高，并且长期保持这一状态，增强了结构温度敏感性。

基于以上分析，了解到该体育场馆的弦支穹顶叠合拱结构具有温度敏感性，在温度作用下，结构杆件应力比较高，说明温度作用影响着杆件内力和节点位移情况。所以，进行场馆结构设计时要充分考虑温度作用对结构受力产生的影响。

3 大跨度拱支结构的施工技术

从当前大跨度拱支结构建筑工程实践看，常采用高空滑移法进行施工。所谓的高空滑移法，就是将网架条状单元在建筑物上由一端滑移到设计位置就位后总拼成整体的一种施工方法。

采用高空滑移法进行大跨度拱支结构施工，先要制定滑移方案，内容具体包括滑移单元划分、滑移技术及设备、滑移临时措施设计与安装、液压系统控制、滑移系统调试、施工组织设计等。设计滑移方案，应对滑移轨道、胎架的强度、刚度、稳定性等进行验算，对滑移结构单元的抗倾覆性进行验算，全面检查整个滑移工程与周围固定物的接触情况，确保整个滑移工程稳定，在滑移过程中处于安全状态。此外，技术人员应对滑移单元的变形情况进行验算，保证在变形情况下滑移单元与相邻单元之间相吻合，确保滑移操作能顺利、安全的完成。在滑移过程中，倘若建筑结构构件的内力发生改变，应重现验算构件的承载力，根据当下构件承载力设计滑移工程，避免滑移阶段的构件内力超过构件承载力的设计值，确保滑移阶段安全。

滑移施工涉及工作较多，内容庞杂而专业，为成功的完成施工，应按照一定施工流程进行。滑移施工流程主要包括：设立临时滑移工程→模拟分析滑移工况→进行各类数据验算→编制滑移方案→对方案进行评审论证→安装胎架→安装滑移轨道和设备→滑移操作→对滑移过程进行控制，并监测滑移单元结构变形情况→完成结构滑移→固定似支架落位→验收拼装质量。在整个滑移施工过程中，滑移装置系统安装是非常关键的一个施工环节，关系着大跨度拱支结构施工质量与安全。

根据滑移方案，遵循安全可靠、经济合理的原则选择适用的滑移机构，确定滑移单元、滑移轨道支撑方式等内容。大跨度拱支结构建筑滑移施工一般采用槽钢、钢轨等作为滑移轨道，通过滚动滑移方式进行施工，如图1所示。按照图1的结构形式示意图安装滑移机构，并严格进行滑移轨道、胎架的强度、刚度、稳定性，以及抗倾覆性验算，符合要求后采用投入应用。

图1 滚动滑移机构结构形式示意图

4 结束语

综上所述，大跨度拱支结构建筑常被用来作为大型剧场、体育场馆等建筑物的结构，能满足大空间要求，又外形美观、经济适用，发展前景十分广阔。但是，由于大跨度拱支结构刚刚发展起来，其施工技术有待进一步完善。所以，应用这一结构时要进行力学性能与施工技术研究，以保证施工质量与安全。

[1]金春福.地下大跨度新管幕结构体系施工力学性能研究[D].大连理工大学，2012.

[2]刘永建.大跨度拱支结构力学性能与施工技术研究[D].天津大学，2012.

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[4]张运帅.大跨度型钢混凝土转换梁施工过程受力性能分析[D].安徽建筑大学，2014.

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TU399

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2015-11-3