建筑工程大跨度钢结构施工技术分析

余 涛

（杭州建工集团有限责任公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

随着市政设施建设的规模日益增多，越来越多的学者对大跨度钢结构施工技术提出了新的施工要求，田瑞斌等[1]提出了基于复杂施工条件下的大跨度钢结构桁架模块化施工方法，并将兰州市中川国际机场T3 航站楼作为工程项目的研究对象，运用了Tekla 技术展开坐标系出图和三维建模，使用有限元分析技术，针对拼装支撑胎架展开现场模拟吊装和分析，减少了工程项目的材料浪费，缩短工期，施工过程十分便捷，工程项目质量也较好。陈军等[2]将江西省展演中心项目的钢屋面装修改造作为研究对象，提出了桁架悬挑梁施工平台和钢管悬挂钢结构施工平台的使用策略。刘三玲等[3]提出了BIM 技术支持下的多层大跨度钢结构联络桥施工技术，借助BIM 技术三维建模，为地基处理提供指导，并使用分段吊装，保障了多层钢箱梁的立体分段吊装施工过程安全且高效，同时提出运用有限元来模拟钢箱梁焊接应力，针对应力较大位置可以在其中增设转移焊接集中应力的卡马，减少了焊接时的集应力，为类似工程项目的施工提供了有力参考。

1 工程概况

某地会展中心建设于2012 年，其中包括3 层的剧场以及10 层的配套服务楼，地下1 层，建筑物面积共计76 543m2，建筑物用的是钢筋混凝土框架结构，桩基础，使用钢结构红顶屋面装饰，施工现场已经完成了外墙立面、地下室防水和室内装修的改造升级。经建设单位要求，需要对屋面上层钢结构进行改造，其中包括大跨度钢结构的施工。

2 大跨度钢结构施工的技术分类

大跨度结构建筑物主要是指在结构横向方向上超过60m 的建筑物。大跨度结构建筑物空间结构较为复杂，钢材是主要的承重结构材料。运用大跨度钢结构施工技术的建筑物，建筑物的覆盖面积较大，造型新颖、独特，结构安全、可靠、牢固。相较于传统的施工技术，使用大跨度钢结构施工技术时，需确保选材坚固，以抵御自然灾害。基于我国目前在大跨度钢结构施工上的技术应用，依照其承重方式的差异性可以分为：网架结构、悬索结构、壳体结构、折板结构。

2.1 网架结构

网架结构是使用最为广泛、最为普遍的一类大跨度建筑结构，也是大跨度屋面结构的主要类型之一。该结构是运用建筑钢材进行现场拼装。网架结构的应用，可以适应不同几何形状的屋面设计需求，也可以综合建筑空间和建筑物的建设目标，对方案进行调整，完成高建筑自由度结构设计。这种将钢材作为主要结构材料的建筑物，有着更强的稳定性，防震效果更好。一般情况下，城市中造型较为新颖的商业建筑物或是新建办公楼，往往运用网架结构，网架结构建筑物现场施工如图1 所示。

2.2 悬索结构

在悬索结构中，承重部件为建筑物对角线方向交叉设置的多条钢索，主要划分为两类，分别是悬索屋顶式与气承式。前者用到的是双层或是多层悬索，可结合钢材高强度的特征，制作为吊索网。后者由于有着较好的张力，因此抗风性能更好，在海边城市使用较广泛。

2.3 壳体结构

运用轻质高强度材料制作而成的钢结构，虽然剖面尺寸减小，但是在重力荷载的影响下，很容易出现凹陷和变形，最终导致结构安全稳定性不足。但是壳体结构运用到的是力学分析方法，将钢材制作为壳型屋顶，内部应力分配更为均匀，壳体结构厚度更小、覆盖面积更大。与此同时，在承接荷载时，结构也会更为安全、稳定，使用壳体结构比较具有代表性的建筑物为悉尼歌剧院。

2.4 折板结构

折板结构是将多块钢筋混凝土进行拼接之后，制作为坡折形薄壁的建筑结构，比较常用到的铺设结构横截面包括两种，分别是v 型横截面和梯型横截面。在屋顶设计时，需保障竖直的支撑墙体与水平面构成30°以下的夹角，结构更为安全稳定。将该夹角作为铺设方向，运用坡式折板，常用在大型展厅和车站等公共建筑物中。鉴于该工程项目的施工特征及要求，施工中使用折板结构。

3 大跨度钢结构施工技术的应用

3.1 安装准备

在大跨度钢结构的安装之前，需要对安装定位运用到的轴线控制点以及测量标高使用水准点进行复验，并放出标高控制线和轴线的吊装辅助线。复验时，复验内容为钢梁预埋线的轴线、标高、水平度，检查吊装机械和吊具，确定焊接和辅助工具是否准备到位。还需要注意起重机的选择，吊装作业时的最大半径为45m，可以使用320t 履带式起重机安装钢梁，回转半径45m，与建筑物之间的距离需要小于11m，起重的基杆长度需要在78m。在进行钢梁吊装时，可以运用两点吊装法，在钢梁的2/3 位置设置好吊耳，并将钢丝绳的角度设置为60°。钢丝绳和吊耳之间适合运用卡环来进行连接，钢丝绳需要准备4 根，每根的长度12m，要求钢丝绳为双股绳。使用两根15t钢丝绳，需要悬挂在吊钩中，并运用卡环对钢丝绳进行固定，有效规避钢丝绳的脱钩问题。

3.2 现场吊装

综合该工程项目大跨度钢结构的受力特征，施工时，需要综合考量多方面的因素，其中包括场地条件、机械设备准备情况、成本投入以及工程质量的建设要求。目前在进行大跨度钢结构安装时，该工程可使用的施工方法包括以下几种。

（1）高空散装法。该方法主要是指将工程项目的结构构件，划分为不同的小单元散件，同时在高空拼装为钢结构整体。施工时，结合高空散装法施工技术的细节差异，可以分为：满堂支架法、悬挑法。满堂支架法被广泛运用在国内建筑施工，对节点相对较多的网架结构有着较强的适用性，最大的特征和优势在于：无需运用大型系统装备。但是使用该技术对支架进行搭设时，会耗费大量的材料。该工程更加适合悬挑法，施工时需要注意以下几点内容：一是需要综合结构的具体形式，明确科学合理的拼装顺序，并控制几何尺寸的累计误差，尽量降低几何尺寸的累积量。二是为确保结构拼装之后的偏差度符合工程项目的建设标准，在设计过程中，需要对已安装结构进行随时复测和调整。三是需要保障已施工部分结构的稳定性符合工程项目的建设要求。四是螺栓球的节点需要保障拧紧，随后再把套筒上的定位螺栓进行固定。五是在施工时，该方法的使用多为高空作业，为保障有关工作人员的人身安全，需要制定出针对性的安全防护措施。

（2）分条或分块安装法。分条或分块安装法也被称为小片安装法，主要是指将钢结构的结构构件直接在地面进行焊接，拼装为不同的条块小单元，随后使用起重设备，将安装完成的条块单元直接吊装到高空设计位置拼接为整体结构。这一方法的运用，可以节省地面支架，同时焊装为分块和分条单元之后，拼装大小可以综合起重设备的负荷能力确定，因此，施工方案的制定十分灵活。运用分条分块安装施工技术时，需要注意以下几点内容：一是结构吊装单元需要保障刚度符合要求，制定临时支撑体系或是防倾覆措施，以保障钢结构施工的安全稳定。二是吊装单元需要结合起重设备的起重能力情况，若是结构划分为条状单元，则要求受力状态与平面结构接近。施工时，设置好吊点位置、数量，有效规避挠度值太大导致的安装偏差。三是在进行单元吊装之前，可以运用预拼装施工技术，控制拼装尺寸，减少在高空对接时存在的节点位置偏差。四是可以提高支撑胎架高度，保障结构科学合理。需有关工作人员注意，接口位置不可出现错边问题，以避免对结构整体安全性带来负面影响[4]。

（3）整体提升施工技术。整体施工技术主要是指，在将钢结构进行地面整体拼装之后，使用起重设备直接把拼装完成的结构安装在固定位置。这一方法包括三类，分别是整体提升、整体顶升和整体吊装。整体提升和整体顶升的施工过程较为相似，不同点在于提升设备的位置有所差异。前者是运用起重设备，将其放置在结构的上方，而后者则是多运用支柱，将其作为滑道，直接把千斤顶安装在结构的下方位置。在运用整体提升施工技术时，需要注意以下几点内容：一是施工中，需要注意变边界问题，并保证模拟计算方法选择合理；二是需要确保调度垂直度；三是施工时，若是存在钢体位移、弹性变形耦合问题，将会对结构质量带来影响，需制定调整措施；四是施工时，速率提升变化过程会产生动力效应，也会对结构带来影响；五是确定好吊点的位置和数量；七是在进行吊装时，各个吊点移动若是不同步，也会对结构应力和位移情况带来影响。

（4）整体吊装法，整体吊装法主要是指先把钢结构的结构构件在地面进行拼装，拼装为整体之后，使用起重设备吊装到高空的设计位置进行固定安装。这一方法更加适合运用在中等跨度的桁架结构中，但是该技术的运用，将会对起重设备提出较高的标准及要求[5]。与此同时，在进行整体吊装时，地面施工内容也会受到一定程度的影响。

（5）滑移安装法。滑移安装法主要是指将分条结构单元提前设置在滑轨，将其滑移到工程项目的结构设计位置进行整体拼装。在结构施工时，该方法的运用多是进行架空作业，可以和下部的其他施工内容平行推进，不会对建筑物的内部施工带来影响，可节省工程项目的施工周期。使用该方法时，也无需运用到大型的起重设备和大型的牵引设备。

3.3 安装和校正

在进行钢梁吊装之前，首先需要对梁的编号、结合尺寸和牛腿标高进行检查，明确其是否符合工程项目的设计图纸要求。与此同时，需要在钢梁的上翼缘位置打出腹板中心点，并运用红色油漆做出标识。在钢梁组装完成之后，便可进行现场安装。首先，需要把钢丝绳锁在起重机的吊钩中，另外一端运用卡环，将其锁在钢梁提前焊接好的钢吊耳上，运用起重机来进行升杆。钢梁在开始提升时，需要保障升起速度缓慢，两端需安排专业人员扶好，有效规避构件侧移与其他构件碰撞。在钢梁吊装距离地面500mm 左右时，起重机则可以停止提升，在吊装构件保持平稳状态之后，继续匀速提升。钢梁应该运用斜起吊方法，在钢梁距离预埋件位置在30cm 左右时，则可以直接扶正。该工程施工现场脚手架影响施工，难以扶正，需要先把钢梁伸入到北侧，在南侧就位之后，再把钢梁拉出就位，以确保构件两端可以对准埋件的中线，并控制标高，随后进行螺栓连接，此时则可以慢慢落钩。在构件提升的过程中，需要确定流程，对构件方向进行严格控制，有效规避对人员带来的负面影响[6]。首先，需要吊装GL1-1 线钢梁就位，保障钢梁两端均在混凝土柱牛腿的预埋件上。腹板和混凝土柱预埋的连接板，需要运用螺栓来进行连接，并控制钢梁支座中心线和定位轴线，调整好钢梁标高。在调整工作完成之后，则可以进行底座和预埋板连接。腹板可以使用螺栓和连接板进行连接，随后拧紧。依照工程项目的施工顺序，对其他钢梁进行吊装。在进行安装矫正时，需要从以下三个方面入手：

（1）标高找正，首先，需要明确支座处标高，综合最高点和最低点存在的高度差，对制作出的垫板高度进行调整，以寻找正高差。找正之后，对于同一根钢梁的高度差，需要在工程项目的设计偏差允许范围之内，并确保标高调整垫板和预埋件点焊牢固。

（2）平面位置找正。可以准备好经纬仪，在混凝土柱的侧方位置标注好和钢梁中心之间的距离尺寸，同时与钢梁中心线进行比较，使用千斤顶顶移的方式逐步找正。找正完成之后，要求钢梁相对安装中心线的位移和挠曲度偏差始终维持在工程项目的允许偏差范围之内[7]。

（3）进行垂直度的矫正。可以运用吊线锤，检查钢梁垂直度，若是发现存在偏差，则可以直接在两端支座面中加设斜垫板，并运用人工拉葫芦或是千斤顶来调整，一直到偏差度在允许范围内，保障钢梁和预埋件结合紧密。找正工作完成之后，则可以进行最终的固定处理。

4 结论

综上所述，现代建筑建设规模日益扩大，为满足这些建筑物的大跨度、大空间使用功能需求，需弥补传统混凝土结构建筑物自重太大、跨度较小的不足之处，加强对钢结构的运用，发挥出钢结构的强度高、自重轻、组装灵活等优势，满足新时期的建筑物施工需求。文章针对大跨度钢结构施工技术进行了分析，将某地会展中心作为分析对象，提出了四种施工结构，分别为网架结构、悬索结构、壳体结构、折板结构，并指出折板结构在该建筑物中的使用技术要点，为类似大跨度施工提供借鉴。