大跨度复杂钢结构施工过程中的若干技术问题及探讨

张涛

摘要：当代社会的快速发展给建筑行业产生了新的机遇与挑战，现代化复杂钢结构的工程数量正在逐渐增加，大跨度复杂钢结构施工技术在工程中也得到广泛应用，但同时在施工过程中遇到的问题也愈加明显。本文从大跨度范围钢结构的特点出发，并介绍了大跨度复杂钢结构的施工方法，探讨了大跨度复杂钢结构施工过程中的若干技术问题，为相关工程提供参考。

Abstract： The rapid development of contemporary society has brought new opportunities and challenges to the construction industry. The number of modern complex steel structure projects is gradually increasing. The construction technology of large-span complex steel structure is also widely used in the project， but at the same time， the problems encountered in the construction process are more and more obvious. Based on the characteristics of large-span steel structure， this paper introduces the construction method of large-span complex steel structure， discusses some technical problems in the construction process of large-span complex steel structure， and provides references for related projects.

關键词：大跨度;复杂钢结构;施工;问题

Key words： large span;complex steel structure;construction;problem

1  大跨度复杂钢结构的施工特点

1.1 预应力技术的应用

预应力技术在当代建筑行业的设计和具体施工过程中已经广泛应用。预应力技术在大空间复杂钢结构里的运用主要在索膜、索穹顶和整体伸缩等创新型结构建筑上[1]。在建筑主结构承受负荷前，采取施加和载荷作用力相反的预应力，以提高钢结构的硬度并延长建筑的使用寿命。

1.2 材料要求较为严格

随着新技术的应用，在大规模大空间复杂钢结构的设计施工中，对材料的要求更为严格。例如，北京的鸟巢体育场馆跨度为二百九十六米，中国游泳中心水立方的跨度是一百七十七米，这样大的建筑规模，只有高质量的建筑材料才能保证建筑物的安全和稳定。

1.3 构件施工难度大

大规模大空间复杂钢结构，从字面上来说，它是一种大跨度，工程量大，复杂的结构施工，为了完成施工，需要数以万计的构件才能完成。当然构件的形式和构造也是不同的，大小也大不相同。因此，施工放样在施工期间造成的难度是极大的，有关施工过程中运用建筑材料构造也有较强的特别之处。因此，在应用这些建筑材料以前，有必要开展复杂的测试，以保证投入应用的稳定性。

1.4 构件加工精度高

大规模大空间复杂钢结构工程，一般都是市政项目，工程量比较大，技术要求高，是国家建筑行业的象征性标志。在工程建设中，对施工技术提出更高的要求，由于大规模大空间复杂钢结构工程的构件比较多，因此要确保构件加工的精度，在构件焊接施工时，对焊接的要求也非常严格，一定做到一级焊缝指标。

2  大跨度复杂钢结构的施工方法

2.1 分块安装法

该安装方式首先把整体结构在地面上分成多个单元，再把各个单元提到主体上开展焊接，这个作业措施降低了铺设在地面需要支柱的个数，并能够按照吊机的承载力度灵活调整形状构造单元的大小，从而实现柔性施工。

2.2 高空散装法

该施工方是是一种比较保守的方式。它的安装原理是把整个构造分成几块，再通过悬臂法和全框架法开展高空焊接。该方式适合于螺栓球节点以及空心球节点的网格构造。这种构造运用非焊接方式，如南京市国际展览中心的屋顶拱架即是应用该方式开展建设的[2]。

2.3 整体吊装法

它指的是把整个构造在地面上焊接完成，再用吊装机械设施或者液压顶升设施吊装到设计的标准高度并固定牢固。该方式可以在地面方便开展焊接，能够更好地确保焊接的水平，还可以很好地把控构造大小，因此更适用于焊接球栅与管桁架。

2.4 高空滑移法

该方式包括有两个方式，一个是单滑移，另一个是累积滑移。前者的施工原理是一个接一个滑动，再一个接一个连接，也即是说，把分割开来的组成一个接一个地滑动到设计指定的高处，然后将它们一个接一个地组装成一个整体;后一种施工原理是分成段落进行连接和滑动，也即是说，在将第一段落滑动到一定位置后，把它与第二段落焊接，再当作一个整体滑动，并且在达到一定位置后与第三段落焊接，以此类推，一直到完成整个焊接施工任务。滑动法从滑动主体上可以分滑动构造法与滑动脚手支架法两种。

3  大跨度复杂钢结构施工过程的技术问题

3.1 平面和空间桁架的吊装问题

整榀平面和空间桁架整体吊装方式在施工过程中可以减少高空焊接带来的缺陷，同时可以降低施工难度，保证施工质量的同时也可以提高施工效率。但是该吊装工艺在施工过程存在吊点的选择和平面外失衡两个问题，以下就这两个问题提出有效解决措施。

3.1.1 吊点的选择问题

在确定桁架的吊装方案时，首先需要考虑桁架的吊点和分布情况。例如，一平直的简支梁结构，在桁架安装时，要想达到吊装设计要求，其吊点的选择和分布必需要保证桁架在起吊后的梁在自重作用下，两端的轴向相对变形等于或接近零，这样完成吊装，才可以准确就位，如图1。

由上述公式可知，当桁架吊件截面发生轴向变化或者吊件被人自重不均匀，都可用此公式进行计算。此外，在计算吊点位置时，还需考虑吊绳与吊件轴线的夹角，以及吊绳水平分力会对构件产生轴向压力。

3.1.2 平面外失衡問题

在桁架安装之前，需要先确定好吊装方案，通过计算和分析，确定好桁架的吊点及其分布位置。吊装方案中需要确定桁架在起吊的过程中，在保证平面内稳定的情况下，也不会发生平面外失衡问题。如果想要确保平面内不失衡，则需要保证验算桁架的各个构件不会出现失衡或严重破坏。吊点的多少与分布直接影响着平面外的失衡，它们呈反比关系，吊点越多，发生平面外失衡的可能性就越低[3]。如图2是桁架a在一个吊点b、两个吊点c以及三个吊点d提升的情况下，平面外失衡可能出现的几种模式。

3.2 滑轮力学问题及分析

在项目施工期间，钢架结构部件在提升过程中通常设置有多个滑道。一方面是调节它的功能，方便于吊装结构，还有利于提升结构与部件的过程中，便于调节它的位置与姿态，并且实现相邻部件与焊接过程中要求的标准。把原有的构成、绳索与滑轮结合起来，组建成新具有独特性的结构（如图3所示），可符合具体施工期间的运用。在具体施工中，为解决图中a结构的满足内力配置平衡均匀的问题，可在每侧增加一个水平桁架桿，再对该方案开展分析研究。如该部件调节到平衡配置时，再重复该过程，水平连杆的内力值为零时就完成了。为了便于分析研究，把它们统称滑轮力学问题。

3.3 设置临时支承柱技术对结构安全的影响

在大规模钢结构组装过程中，不可避免地需要设置临时支承柱，如图4所示，在具体操作过程中，因为暂时支撑体的影响，构造的力学性能和设计应力都会发生很大变化，同时也会增加临时支承柱与附近的内力，从而导致结构部件处在组装期间受到损坏。在具体施工过程中，假如有临时支承柱，会减小拱脚的横向推力与垂直反作用力。然而，在临时支承柱顶部周围的桁架构件完全不同，临时支承柱需要经过精确计算后才可以添加。临时支承柱拆除后，拱脚的横向推力与垂直反作用力将加大。

以某体育馆工程为例，该场馆屋盖是由主桁架拱和次桁架及联系构件组成，且呈椭圆形，长轴约 328m ， 短轴约 223m。施工顺序是从主桁架到次桁架，用整体提升法同时吊装左右段主桁架，并在高空完成桁架拼接工作，由于拱脚支座水平推力较大，在安装完成主桁架和拱脚的拼接工作后，经计算得出，不能满足拱脚设计要求，因此需要在两段主桁架之间设置临时支承柱，以确保工程的施工质量，如图5所示。

临时支承柱安装后，通过对比改场馆支承柱安装前和安装后的水平推力和最大竖向挠度，如表1，可以得出的结论是：增设临时支承柱后在很大程度上明显地降低了拱脚支座的水平推力和竖向挠度。

3.4 临时支承柱拆除时安全分析

当所有构件全部安装完毕后，就需要拆除临时支承柱，如图6。为保证在拆除临时支承柱在拆除过程中不发生安全问题，需要遵循以下原则：①临时支承柱受力部分所发生的内力变化是一个缓慢发生的过程;②应确保各受力杆件不会出现永久性变形，其弹性范围必须控制在设计要求的范围内。

3.5 施工过程跟踪模拟计算及分析

大规模与超大规模钢架结构集体施工中难度存在很大，为了保证施工的有序开展，在施工过程中一般运用实时跟踪仿真计算，以确保这类钢架构造或者部件可以符合硬度、强度和牢固性的需要[4]。当桥梁具体施工过程中存在大规模钢架构造时，该工程将有很长的施工周期 。因为建筑材料自身的一些特点与外部原因，不能确保构造与构件的内力与位移无论在什么情况下都不会发生改变。对此，只可以运用跟踪服务计算，适时都能够开展保护手段，保证建筑施工的安全完工。

4  结语

总而言之，本文通过对大跨度复杂钢结构的施工过程可能会出现的技术问题进行了探讨，并提出可行性解决方案，为后期大跨度复杂钢结构项目的顺利展开提供技术支持，期望创新与优化的新科技方法可以为中国桥梁建筑行业添一份力量，让中国桥梁建筑工艺走得更远。

参考文献：

[1]何智军.大跨度钢结构施工新技术分析研究[J].甘肃科技， 2018，34（19）：125-127.

[2]袁海.基于实例分析大跨度空间钢结构施工技术的应用[J]. 绿色环保建材，2018，135（05）：178.

[3]白潇娟.高墩大跨度连续钢构桥施工控制研究[J].四川建材，2018，6（21）：79-81.

[4]吴穷，王乾坤，任志刚，等.大跨度钢结构施工过程仿真分析[J].工业建筑，2018（03）：156-158.