钢结构施工力学问题与分析

韩洁

摘 要 随着我国城市轨道交通不断发展，城市轨道交通建设数量和规模不断扩张，城市轨道交通建设年代跨度不断变大，很多老旧线路的运营车辆急待检修，为保障城市轨道交通的运营安全，提升城市轨道交通的服务水平，轨道交通车辆大修厂的建设成为城市轨道交通工作的重点。城市轨道交通车辆大修厂，主要由停车库、调试库、车体库、厂修库、转向架车间、部件检测间、调机车库等大型厂房构成，其结构一般主要为钢结构，因此钢结构的施工成为重中之重。在钢结构的设计和建造过程中，钢结构的几何形态、刚性程度以及钢结构的边界条件状况，可以根据相应的施工次序先后产生，不同的钢结构构成状态物理量，在持续改变过程中所出现的结构材料以及边界等方面的特征结构不同，会在钢结构的路径和时间效应当中，对整个钢结构的受力性能产生一定的影响。本文结合北京市轨道交通平西府车辆大修厂工程中的钢结构施工项目，针对钢结构施工力学方面的问题进行了全面分析和研究，并且对施工力学分析方法以及相关的问题解决策略进行了阐述，有效提高钢结构的施工效果与稳定性，对后续轨道交通及建筑行业中的钢结构工程施工及使用的安全性和可靠性打下良好的基础。

关键词 钢结构;力学问题;安全

随着我国城市化建设进程加速，城市的交通建设已经成为影响人们日常工作与生活的重要因素。城市轨道交通作为城市交通的重要组成部分，对城市交通的运输能力有着很大的提升作用。以北京市为例，截至目前已经建成通车了二十二条线路，通车里程达到699.3Km，纵横交错的城市轨道交通显著缓解了城区的交通压力，极大地方便了市民的出行，给公众带来更加快捷便利的生活品质。

城市轨道交通工程的建设具有工程量大、技术复杂、建设周期长等特点，由此造成建设年代跨度较大，很多运营车辆急待检修。为保障城市轨道交通的运营安全，提升城市轨道交通的服务水平，配套的轨道交通车辆大修厂的建设就显得尤为重要，而轨道交通车辆大修厂建设工程中的钢结构施工是整个大修厂工程建设的关键与重点，钢结构施工力学问题与分析是非常重要的研究课题。

本文结合北京市轨道交通平西府车辆大修厂建设工程中的钢结构施工项目，针对钢结构施工力学方面的问题，从钢结构施工力学问题分析、施工力学分析及解决策略、钢结构锁定内力分析3个方面进行探讨。

北京市轨道交通平西府车辆大修厂工程位于昌平区平西府地区，北起北清路以南，南至回南北路，西起规划站前东街，东至规划黄平西侧路以西，与轨道交通8号线平西府车辆段北侧相临。

北京市轨道交通平西府车辆大修厂工程总用地面积约20.919

公顷，总建筑面积102064.74平方米，总占地面积82612.21平方米，地上建筑面积97647.74平方米，地下建筑面积4417平方米。本工程主要厂房有停车库、调试库、车体库、厂修库、转向架车间、部件检测间、调机车库;主要库房有立体仓库、大部件存放库、易燃品库、废件收集间等;服务配套设施有综合楼、锅炉房、中水处理站、门卫、停车棚、部件存放棚、材料棚;同时设有机走线、牵出线及试车线等。

本工程的主要厂房中有6个库的结构为钢结构，钢结构施工成为本工程的关键与重点。在钢结构的设计和建造施工中，钢结构的几何形态、刚性程度以及钢结构的边界条件状况，可以根据相应的施工次序先后产生，不同的钢结构构成状态物理量，在持续改变过程中所出现的结构材料以及边界等方面的特征结构不同，会在钢结构的路径和时间效应当中，对整个钢结构的受力性能产生一定的影響。因此，针对北京市轨道交通平西府车辆大修厂建设工程中的钢结构施工过程中产生的力学问题进行了全面分析和探索，并且针对不同的力学问题展开针对性分析和总结，以此来保证钢结构工程的整体稳定性和安全性。

1钢结构施工力学问题分析

本工程车辆检修厂房为门式刚架结构，在施工过程中，相关建设、监理、施工等人员很少会对钢结构的受力性能进行详细分析和研究。事实上，钢结构在建筑体当中的自重负载、装饰负载以及周围结构等负载量相对较大，在钢结构施工过程中会逐渐施加在建筑体结构当中。在施工完成之后，受到恒定荷载的作用下，钢结构很容易产生内力变形情况，主要是因为各个不同施工环节受力状况逐渐积累所造成，这种恒定荷载的大小和分布具有特定的规律，并且在施工过程中与施工的路径和施工时间有着密切的关联。因此，在施工路径与施工时间效应影响下，会直接造成钢结构的内力产生不同程度的变化，在内力变化程度较大的情况下，会对整个钢结构的稳定性和强度造成一定的影响，如果内力变化明显将会造成非常严重的工程安全质量问题，会直接造成车辆检修厂房的结构、边界条件以及材料性质出现转变。当内外部的受力变化达到极限值条件下，会直接造成整个钢结构的稳定性丧失，进而对整个车辆检修厂房的结构产生严重影响，甚至还会造成整个车辆厂房全面坍塌[1]。

在车辆检修厂房钢结构工程施工过程中，钢结构的刚性程度、几何形态边界条件以及钢结构荷载等方面因素，直接影响到了整体钢结构的稳定性。这几种重要的影响因素分为不同的顺序依次产生钢结构的荷载量，会随着建筑体施工量的不断加大而逐渐上升。在此过程中施工的路径和时间是其中两种非常重要的影响因素，直接影响到了钢结构在使用过程中受力性能的发挥。当前随着我国建筑产业的不断向前发展，很多钢结构建筑不断涌现，这些钢结构建筑在施工当中出现了很多施工力学方面的问题，相关参加单位的设计人员和施工人员，针对这种钢结构的施工力学问题的解决存在较大的工作难度，随着我国钢结构建筑工程施工技术的不断向前发展，钢结构施工力学方面的问题将会成为相关研究工作人员的重点研究方向。

2钢结构施工力学分析及解决策略

2.1 钢结构施工跟踪分析

平西府车辆大修厂工程的建设施工过程，是一种动态化的变化过程，在此过程当中车辆检修厂房结构依次形成、材料依次成型，并且钢结构的荷载量也在逐渐上升。钢结构的边界条件逐渐形成，在钢结构工程竣工验收之后，钢结构依然会受到内力和变形因素的影响，这就造成钢结构的整体稳定性和钢结构的承载能力有所下降，这一问题主要是因为车辆检修厂房在施工过程中各个环节的施工量和荷载量的增加和逐渐累积的结果。通过施工路径和施工时间的效应理论分析，施工力学问题的产生和这两种影响因素有着直接的关联，因此在钢结构施工过程中，结构的受力情况是处于一种不断变化的状态。本工程的车辆检修厂房钢结构的安装过程需严格按照施工路径和施工时间效应理论分析施工力学后确定的安装顺序进行钢构件的安装及校正，即钢柱安装与校正，钢柱间支撑、钢桁架及框架梁安装与校正，托梁、屋面钢梁及屋面水平支撑安装与校正，两榀钢架间屋面、墙面结构安装，形成稳定体系。

2.2 钢结构施工变形预调

平西府车辆大修厂工程，共有7个车辆检修厂房，最大的检修厂房有3个，其中厂修库体量最大，外形尺寸为162×117.8m，

共计6跨钢结构，最大跨度24m，纵向每跨有28列门式刚架;车体库跨度最大，外形尺寸为94.8×54m，共计2跨钢结构，最大跨度33m，纵向每跨有16列门式刚架;调试库与车体库相似，外形尺寸为184.8×61m，共计3跨钢结构，最大跨度25m，纵向每跨有31列门式刚架。本工程车辆检修厂房整体钢结构的构成相对比较复杂，在具体施工当中最大的难点问题在于已经安装完成的钢结构，会产生不同程度的变形现象，这种变形问题会对新安装的钢结构构件产生一定的影响，主要表现在安装位置存在偏差以及受力条件产生变化。因此，在本车辆检修厂房钢结构施工过程中，为了有效保证工程施工完成之后，钢结构受力变化趋于稳定后的受力情况达到设计要求，在每一次钢结构施工环节当中，必须要对每一个构件的施工位置以及钢结构的形态状况加以有效控制，充分考虑钢结构变形情况，保证钢结构构件的受力合理性以及安装位置的准确度。

由于本工程工期紧，工程体量大，场地土层力学性质和稳定性差，某些特殊的施工位置在施工之前，并没有精确的确定钢结构的施工位置，同时钢结构施工的实际位置和设计位置之间存在一定的差异。因此，在钢结构构件进行安装和施工之前，相关测量人员必须要对钢构件的施工位置进行详细勘测，并且由施工人员要做好预先的位置调整工作，以有效确定各个不同的钢构件实际安装位置，根据本工程的实际建设施工情况，对钢构件的施工安装位置进行灵活调整，以此来充分满足后续的钢结构施工标准[2]。

2.3 钢结构构件吊装平衡

本工程车辆检修厂房钢结构的构件主要包括钢柱、钢梁、刚性系杆、柱间支撑、檩条、吊车梁系统等，最重的钢构件位于车体库，其中最重钢梁为变截面H型钢、整跨最大重量约7.2吨、最大截面尺寸为H1050～800×400×12×18mm、最大跨度33m，最重钢柱为3.9吨、尺寸为H900×400×14×18mm。本工程车辆检修厂房钢结构施工项目的吊装工程比重大、任务重，需配备较多数量性能良好的汽车吊。钢柱采用整体吊装法，钢梁安装时提前在地面原位拼装为整体后再整跨吊装，钢柱、钢梁采用80汽车吊进行吊装，其余构件采用50吨汽车吊、25吨汽车吊装配合吊装。钢结构构件在吊装过程中，由于钢结构的受力状态和设计要求的数值参数存在一定的偏差，并且钢结构构件在空间中的姿态调整难度较大，因此，钢结构构件的精确性和安全性控制至关重要。首先需要对整个吊装工作过程进行全面分析和预测，充分确定吊装工作方案的合理性，有效保证整个钢结构施工的顺利开展。

本工程车辆检修厂房钢结构的构件吊装形式采用的是锁滑轮装置来进行操作，吊装结构内部通过吊索、滑轮等相关结构所构成。在力学的特征方面主要包含了钢结构的移动、弹性变形状况、滑轮之间的可怀疑性等。在具体的施工过程中，吊点位置的确定和钢结构构件在空间中的吊装姿态很容易产生问题，由于起吊钢结构构件的钢索受力条件的差异性，吊索的长度直接确定了钢结构构件在空间当中的姿态要求，需要在钢结构吊装工作过程中，对钢结构的强度、刚性程度以及稳定性等进行详细计算和分析。当前在一些比较复杂的钢结构施工过程中，针对上述问题的解决还没有形成更加简单和统一的计算方式，同时也没有建立成更加精确和详细的分析计算模型，随着钢结构技术的不断向前发展，将会对这一问题进行更加深入的分析和探索，并且各种问题会得到逐步的解决[3]。

3钢结构锁定内力分析

在钢结构工程施工过程中，工程施工人员无法对钢结构的整体内力受力情况进行准确判断，或者钢结构构成出现较大转变的情况下，无法采用分步成型或者移步成型的施工方法。通常情况下，如果继续选择使用一次成型的使用方法，将无法保证钢结构的受力平衡性和稳定性，因此需要依照具体的工程施工方案，对整个钢结构的设计、施工进行有效模拟，并且通过全程跟踪分析的方法对钢结构的施工方案来进行有效编制，充分考虑到钢结构施工过程中产生的结构内壁变化情况，对钢结构的位移变化情况以及在施工过程中出现的结构内部变化问题进行有效处理。并且在钢结构竣工之后锁定结构的内力大小，使得钢结构施工部分可以和其他的复合之间重新进行组合，可以有效保证钢结构具有充足良好的受力状态。在整个钢结构施工过程中需要对上述问题进行全面分析和考虑，为后续的钢结构工程施工提供出必要的指导。本工程在车辆检修厂房钢结构施工前，对钢结构的施工方案进行严格把控，充分考虑在各种不同的受力状态下，钢结构的内力变化以及位移情况均可以达到标准的设计要求。

4结束语

由此可以看出，现阶段随着我国钢结构建筑的建设数量和规模不断扩张，钢结构的施工力学问题也受到了广泛的关注和重视，从建设工程质量、安全生产方面考虑，需要对其中的钢结构施工力学问题展开全面分析和研究，并且要做到施工全过程的监测和控制工作，保证每一段施工工序的鋼结构内力分布的均匀性和平衡性，提高钢结构的速率稳定性，为后续钢结构建筑的使用安全性打下良好的基础。

参考文献

[1] 张谨，杨律磊，龚敏锋，等.苏州现代传媒广场新型钢结构技术研究与应用[J].建筑结构，2019，49（1）：25-35，48.

[2] 孙学根，牛忠荣，李兆峰，等.大跨度空间结构卸载过程模拟分析与监测[J].建筑结构，2018，48（11）：70-77.

[3] 曾滨.预应力钢结构诊治关键技术研究及展望[J].工业建筑，2017，47（1）：135-143，167.