大跨度钢结构施工过程的结构分析及应用研究

张忠帅

北京中网华通设计咨询有限公司 北京 114001

前言

由于材料技术和结构分析技术的长足发展，使得大跨度空间结构得到了空前的发展，国内外一些主要的体育场馆、展览馆及候车大厅等屋盖结构几乎毫无例外地采用了大跨度空间钢结构，并且结构体系呈现多样化、复杂化的发展趋势。对于这些新的结构形式，虽然有以往较为成熟的施工经验可供借鉴，但依然存在很多值得注意的地方，本文将对此类结构的特点和一些主要的施工方法进行分析和介绍。

1 施工力学原理

1.1 拉格郎日列式

针对大跨度钢结构施工过程的施工力学分析，拉格郎日列式往往被用作物体运动状态的描述。拉格郎日列式的描述往往把位移的度量当作被固定到大型构件变形前、后的且出现相对运行的物质点，由此也把拉格朗日坐标称作物质坐标。

1.2 ANSYS

针对某些大型有限元软件，边界条件的改变较大型构件预应力的动态施加和增删容易处理。但针对大型构件预应力的动态施加和增删问题，本文认为较为有效的解决途径为：ANSYS的死活单元功能配合计算功能，以此开发出针对大型钢结构施工过程的力学分析方法。ANSYS由若干具备“杀死”功能和“激活”功能（即死活单元功能）的单元库构成，属大型有限元软件[1]。

2 大跨空间钢结构施工方法及其特点

目前，大跨度空间钢结构有多种安装方法可供选择，具体采用时要综合分析结构体系的受力特点、工期要求、场地条件、机械选择以及施工环境等因素，根据工程具体特点加以甄别，最终选取恰当的安装方法。

常见的施工方法有高空散装法、分块或分条安装法、滑移法、提升法、顶升法以及整体吊装法等，较为先进的方法还有高空曲线滑移法、网壳结构折叠展开式整体提升法以及滑架法等，对于较为复杂的工程，可以将多种施工方法结合起来，以达到安全可控、经济合理的目标。下面介绍几种有代表性的施工方法。

2.1 高空原位拼装法

高空原位拼装法是指在结构设计空间位置直接将节点和杆件进行拼装的一种施工方法。由于该方法在设计位置对结构直接进行拼装，无须其他辅助技术措施，因此是一种最为直接和较为有效的方法，得到了非常广泛的应用。

该方法一般采用塔吊或汽车吊等起重设备进行散件或分块拼装，由于直接在高空拼接，难度较大，同时为了保证结构体系的稳定，往往需要设置大量的临时支撑，待整个结构拼装完毕，再对临时支撑进行拆除。通常与土建等施工存在交叉作业，施工周期较长。采用该方法时需要制定合理的拼装顺序，要求节点定位坐标精准。

2.2 提升安装法

提升安装法是利用提升设备将结构提升至指定位置再进行安装的一种施工方法，由于待提升结构在较低位置进行拼装，因此有效地减少了高空作业量，高空风险小，是一种技术先进、高效经济的施工方法[2-4]。相对于高空散装法，该方法节省了临时支撑，拼装难度降低，施工周期较短，施工质量较易保证，但需要一定的专业提升设备和临时提升平台等辅助措施。

目前广泛应用的一种是计算机控制液压同步提升系统，该系统通常由液压提升器、液压泵源系统和计算机同步控制及传感检测系统组成。一般通过采用液压提升器作为提升机具，柔性钢绞线作为承重索具。液压提升过程一般通过上锚紧→伸缸拔下锚→下锚紧→同步缩缸四步循环完成，一个流程为液压提升器一个行程，当液压提升器周期重复动作时，被提升结构则逐步完成上移。

由于采用较少的受力点对结构进行提升，受力点容易产生应力集中，因此，需要对提升吊点、提升平台等临时结构的布置和形式进行设计。由于该方法安装质量较高，且可以节约临时支撑，因而成本较低，施工较快，所以在大跨度钢结构施工中应用广泛。

2.3 滑移安装法

滑移安装法是将结构在异地拼装，待拼装结束后利用滑移设备将整个钢结构滑移至设计坐标处的一种施工方法。该方法可以有效避免交叉作业，目前应用较广。根据滑移就位方式的不同分可以分为：整体滑移法和累积滑移法。前者将待滑移结构整体从拼装位置滑到设计位置直接就位安装，而后者是将待滑移结构分解为若干个滑移子结构，施工时先在拼装区域完成第一个子结构后滑移一段距离，然后在拼装区域完成第二个子结构，与第一个子结构相连后滑移一段距离，依次重复进行完成所有结构。按照滑移路线不同又可以分为直线滑移法和曲线滑移法。

由于滑移法在异地对结构进行拼装，因此该方法有效地避免了与土建等施工的交叉作业，缩短整个工程的施工周期，施工质量和精度容易保证，但需要投入较大的临时轨道设施和液压滑移系统。与液压同步提升系统类似，目前大多采用计算机控制液压同步滑移系统，采用该方法，当轨道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。同时，液压推进点的布置和形式也是需要考虑的重点之一。

3 结束语

随着大跨度空间钢结构的发展，结构形式越来越复杂多样，这对施工技术也提出了新的挑战，成为摆在技术人员面前的首要问题。本文通过对当前大跨度空间钢结构的特点和主要施工方法的阐述和分析，使该类工程在实际施工时有规律可循，以期能对相关工程提供相应的参考。