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（广西宁铁建筑总公司,广西 南宁 530000）
摘 要：文章详细介绍了大跨度空间钢结构的施工技术,通过对大跨度空间钢结构类型及其施工特征进行介绍,结合钢结构的主要施工方法类别,对钢结构施工技术中的关键工序进行重点分析、归纳与总结,包括吊装、滑移、拼装、焊接等工序,仅供相关工作人员参考.
关键词：大跨度空间钢结构；施工技术；滑移；拼装
中图分类号：TU305 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）16-0079-04
当前,随着经济及科技的不断发展,我国建筑行业也随之不断发展,加上借鉴国外先进技术及经验、理念等,越来越多的新型建筑出现,尤其是大型公共建筑,包括机场建筑、体育馆等都采用大跨度空间钢结构作为建筑物的屋盖结构体系.现就大跨度空间钢结构及其具体施工技术进行分析.
1. 大跨度空间钢结构类型
大跨度空间钢结构建筑是指横向跨越30m以上空间的各类结构形式的建筑,其结构形式多种多样,当前世界上使用大跨度空间钢结构的各大建筑中,最典型的代表即奥运建筑,大跨度空间结构技术对多种多样、形式丰富的奥运建筑起着推动作用.其中,奥运历史上著名的罗马体育馆主要采用装配现浇式钢筋混凝土薄壳结构,而巴塞罗那圣乔地体育馆采用了网壳结构.其中,大跨度钢结构的类别主要如下所述：
1.1 网架结构
网架结构主要指的是由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连结而成的空间结构.网架结构具有工业化程度高、自重轻、稳定性好、外形美观的特点.
1.2 网壳结构
网壳结构与空间杆系结构较为相似,平板网架型的空间杆结构是通过杆件根据规律而组成网格,并结合壳体结构布置成一定的空间架构,因此,它不仅具备杆系的性质,而且同时具备壳体的性质.网壳结构主要通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力进行逐点传力.例如：1967年建成的郑州体育馆,采用肋环形穹顶网壳,其平面直径64m,矢高9.14m,此为国内跨度最大的单层球面网.又如1988年建成的北京体院体育馆,主要采用带斜撑的四块组合型双层扭网壳,其平面尺寸为59.2m2,矢高3.5m,挑檐3.5m,此为我国跨度最大的四块组合型扭网壳.另外,1989年建成的濮阳中原化肥尿素散装库,其平面尺寸为58m×135m,采用双层正放四角锥圆柱面网壳,此为我国第一个采用螺栓球节点的网状筒壳,亦是覆盖建筑面积最大的网壳结构.
1.3 悬索结构
悬索结构主要为由柔性受拉索及其边缘构件所形成的承重结构.其中,可以将钢丝束、钢丝绳、钢铰线、链条、圆钢以及其他受拉性能良好的线材作为索的材料.悬索结构主要通过利用高强材料的抗拉性能,它具有跨度大、自重小、材料省、易施工的优势.悬索结构除在我国的大跨度桥梁工程应用广泛外,还应用于体育馆、飞机库、展览馆、仓库等大跨度屋盖结构中.
2. 大跨度空间钢结构及其施工技术的特征
2.1 大跨度空间钢结构特征
2.1.1 钢结构大跨度、钢材高等级、钢板足够厚.当前,我国建筑理念随着社会经济的不断发展,对建筑功能的技术要求也更高,而且现代空间钢结构的跨度也更大,短向跨度超100m早已广泛应用于建筑中.国家超限专家审查委员会通过编制大跨结构超限审查的规章制度,以此规定此类大跨度空间钢结构必须采用大量的高强度级别钢材,如Q390C、Q420C、Q460E等,确保其钢板材料等级高、厚度足够.
2.1.2 钢结构形式及其节点形式多样性、复杂性.
（1）当前现代大跨度空间钢结构的结构形式较多,其结构形式正不断创新、发展,主要朝各类结构的组合形式发展.其中,奥运会羽毛球馆以世界跨度最大的弦支穹顶作为钢结构,而广州国际会展中心以张弦桁架作为钢结构.水立方以泡沫理论式多面体空间钢架结构,而鸟巢主要以复杂的空间桁架作为钢结构.
（2）以仿生态建筑作为现代空间钢结构,空间钢结构包括铸钢节点、锻钢节点、球铰节点等,其节点形式多种多样,使得建筑形式更为丰富.
2.1.3 钢结构构件数量及截面种类多、设计难度大.大型工程的构件较多,甚至是由几万个、十多万个构件组成,该构件的截面形式、尺寸和长度各不相同,导致施工单位放样难度加大,尤其是部分弯扭构件必须通过试验与研究才能完成.
2.2 大跨度空间钢结构施工技术的新特点
2.2.1 构件精确度要求高、焊接施工技术工作量大、难度高.
（1）由于大部分大跨度空间钢结构的建筑工程为国家重点工程,其施工质量标准较高.因此,必须保证空间钢结构的构件部分精度较高,才能确保工程的施工质量满足工程标准.其中,大部分焊缝的施工质量要求为一级焊缝,严重影响工程的施工难度.
（2）在进行工程施工时,可以通过预拼装及大量的焊接工作来确保施工精度,结合、借鉴国外的先进施工技术进行施工,可以有效地完成工程的施工质量目标,包括钢结构大跨度及钢结构创新,从而保证工程施工的安全性及建筑工程的经济效益.
2.2.2 结合预应力技术.预应力钢结构是指采用预加应力调整钢结构的内力分布,通过向钢结构施加荷载,可以有效地增强材料强度,并扩大结构刚度.其中,预应力钢结构采用预加力将钢结构的受力状态改变,并将内力峰值降低.预加力可以将作用在构件上的内部荷载相互平衡,可以有效地将构件的截面积减小,便于减少用钢量.另外,采用预加应力,将钢结构中的钢材的拉、压强度在同一构件中充分发挥并利用,便于加强钢结构的弹性承载能力.通过采用共同抵抗外荷载作用,将钢结构中的刚性拱与柔性索结合起来,可以有效地提高高强钢索的抗拉性能,并充分利用拱的压弯能力,提高预应力钢结构的工程施工质量.
3. 大跨度空间钢结构的施工技术方法分类
3.1 高空原位单元安装法
高空原位单元安装法,根据高空原位散装法进行改变、发展形成.散装法首先将构件放置于设计位置后,再进行安装.进行散装安装时,应当为施工人员布置高空操作平台及高空搁置平台,首先通过设置满堂作为支撑,然后再在平台上展开施工.另外,单元安装法主要是把空间钢结构分别划分为多个部分,将各个部分分成单元,进行吊装.
单元安装法主要通过合理划分吊装单元,首先,其单元的大小视选用的起重机能力和结构形式而定.其次,对于空间梁柱结构,可以在反弯点位置设置净分段；相对于网架结构及网壳结构来说,可以以分块单元或分条单元的形式,形成稳定性强、刚度强、强度足够的空间钢结构,必须确保结构的强度,便于构件在进行安装时避免发生不可逆的塑性变形,从而影响施工质量,通过将若干单元在工厂预拼接,保证现场单元的顺利拼接,提高施工质量.
将高空原位单元安装法与散装法进行对比,单元安装法中的施工工序主要为焊接工序、拼接工序,而且大部分工序主要都是在工厂、地面施工,在保障工程的施工质量的同时,不断提高工程的施工速度,进而可以有效地加快工程的施工效率.此外,采用高空原位单元安装法可以减少临时支撑,进而有利于企业降低施工成本,提高其经济效益.
3.2 滑移施工法
只有确保钢结构的类型规范、整齐、规则化,才能使用滑移施工法,例如圆形结构或长方形结构.另外,必须确保主桁架结构的一致性,支撑轴线规范、整齐.其中,滑移施工法主要用于土建结构、支撑柱等情况,可以有效地降低施工承包；当施工场地较小时,只能在部分区域内进行构件组装与吊装.
滑移施工技术在我国建筑中应用广泛,包括郑州的会展馆、深圳的大运会主场馆、哈尔滨的会展馆、苏州的国际博览中心等等,分别应用了滑移施工技术,其施工质量显而易见.
3.3 整体提升施工法
整体提升施工法要求支撑的结构体系质量较高,然而整体提升施工法的施工成本较大,不利于作为类似会展馆、体育场等结构形式的施工方法,因此,在进行实际的工程施工中,较少使用整体提升施工法.然而,由于该施工技术对总体钢结构质量较小,对支撑结构体系要求较低,可以将该施工技术应用于网架结构形式或单位面积含钢量较低的会展中心屋盖.
3.4 分段吊装施工技术
分段吊装施工法中应当由其注重明确起重机的选择及站位、确定大体积钢结构的分段与重心选择的方法.其中,分段吊装施工法主要用于体育馆、会展馆等公共建筑的大跨度空间钢结构工程施工中.
3.5 高空散装施工技术
高空散装施工技术具有施工安全性、可靠性高的特点,而且容易操作、易于控制,可以有效地保障公共建筑工程的施工质量及施工效率.该方法主要用于工程中单位面积用钢量不多的建筑工程中,尤其是网架结构、张拉弦的管桁架结构.其中,高空散装法还应用于山西的自行车馆、苏州国际博览中心等公共建筑的施工建设中.
然而,高空散装施工技术在施工时所需的脚手搭架量极大,不仅加大了工程的施工成本,而且影响了工程的施工速度及施工效率.
4. 大跨度空间钢结构的主要施工工序
4.1 煨弯、相关线切割详图转化及施工分析
通过采用主桁架带一定弧度,可以使得管桁架的设计造型效果较佳,其中,煨弯工序既有中频加热煨弯,又包括冷煨弯.它属于整个钢结构工程施工中的至关重要工序.一方面,通过采用校正工序,可以顺利地开展热弯与冷弯工序,并保证工程的工序顺利开展.另一方面,在进行冷弯工序时,其冷弯规格为800mm×40mm.另外,相贯口施工及焊接的质量与煨弯的精度紧密相关.倘若焊接的误差大,其相贯口的施工难度也随之加大.
4.2 铸钢件施工分析
铸钢静态力学性能较好,且其铸造成型性较好,可以实现较高质量的工程要求,其中,若钢结构的节点位置较为复杂时,可以采用铸钢节点的方式进行施工,在施工时必须注重这三方面：
4.2.1 只有确保铸钢件的力学性能符合要求,并结合相应地选择标准确定铸钢件的牌号,确保铸钢材质的等级较高,必须符合焊接连接的铸钢件质量要求,避免影响铸钢件的施工质量及施工进度.
4.2.2 通过注重检查铸钢件表面的气孔处、蜂窝麻面及外形是否有凹坑,通过衡量其外形大小、规格、尺寸及相关壁厚,着重检查铸钢件的内在质量,包括检查UT、X射线探伤等.
4.2.3 焊接铸钢件及其他相关构件,通过评定焊接工艺,确保工艺达标,才能使用焊接连接的铸钢节点施工方案进行焊接.另外,在进行焊接时,必须确保施工过程中的具体环境温度及预热情况达标,并保证焊条的烘烤情况符合要求,尤其要注意在焊接后期对铸钢件进行必要的保温措施.
4.3 地面拼装分析
地面拼装的方法包括正拼、倒拼或侧拼,地面拼装方法的选择与桁架结构形式、矢高、地面组装空间、分段位置、起重机站位等因素息息相关.地面拼装的质量影响到地面安装的精度及效果,在地面拼装时要注意以下几点：胎架本身的刚度及变形、测量放线及跟踪、拼装预起拱及控制措施、调整安装顺序以尽可能保证相贯线隐蔽焊缝的焊接、节点位置尺寸控制精度.
4.4 滑移施工、吊点设置分析
钢结构施工方案:太原钢结构施工工艺三维动画制作 高层建筑施工工艺演示动画制作
在开展吊点设置、滑移施工工序时,设置吊点位置属于较为简单的施工工序.但是,若该空间结构属于异形空间结构,就必须首先建立模型并进行计算,再结合起重机的具体站位情况以及构件的吊物安装的高度等方面因素来确定具体的吊点位置及长度、具体规格形状等.
此外,当起重机的具体性能、具体空间站位、“卡杆”等因素受限制时,只能以吊物重心的方式进行吊物安装,或通过借助建模模拟计算和先进的装备来降低施工的难度.在开展滑移施工过程中,最好配备适量的钢绞线、爬行器等液压控制系统.其中,液压爬行器滑移的应用较为广泛,它具有可拉、可推同时又可以多点布置等优点.在进行滑移施工时,必须着重处理滑道,确保各大滑移点都能得到同步性控制,并注重保持单位行程的距离,及时改善调节手段、处理滑移点的支撑工序及卸载工序.
4.5 施工监测与有限元建模
某异形曲面空间网格管桁架结构建筑投影面积为1.04万m2,展开面积为1.1万m2,最高点为28.965m.立柱分格构柱和幕墙柱,格构柱为倒四角锥组合式钢管柱,幕墙柱为平面桁架,主次桁架为空间异形三维钢管桁架.内部建A、Ｂ两座四层钢框架结构椭圆形办公楼,柱为508X30钢管混凝土柱,梁为弧形和直线型H型钢梁.
4.5.1 变形测量系统.本工程变形监测系统包括全站仪、棱镜、电脑等部件.桁架梁挠度变形和承台支座水平位移主要采用全站仪进行测量,利用棱镜的反射和折射定律测出实际位移.在主桁架梁的下弦布置6个测点（V1～V6）,具体布置位置见图3圆点处.x和y轴方向如图所示,Z轴垂直于xy平面向外,坐标原点位于整个结构重心在xy平面的投影处.其效果图和结构*图见图1、2.
4.5.2 应力应变监测系统.传感器采集信息后,把模拟信号进行调制、处理、转换为数字信号,通过屏蔽线将信号传到电脑进行分析处理,图中的测点即为振弦式应变计的监测点.
4.5.3 应力应变测量.选用振弦式应变计作为钢构件的表面应变监测,重点监测桁架ZG与柱GJ连接处钢管的应力与应变,包括ZG两端下弦钢管和GJ上端与ZG连接的钢管,具体位置见图3.当温度恒定时,振弦张力与应变成正比,应变越大,振弦张力越大.当应变不发生变化而温度存在变化时,也会使弦的张力发生变化,温度升高,张力降低,温度降低,张力升高.这时我们就无法分辨频率变化是由外界温度变化还是由外界形变（应变）引起的（10,11）.因此需要考虑振弦热膨胀和应变同时存在的情况.振弦应变传感器的温度补偿公式为：
式中：
ε——振弦的应变
m——振弦单位长度的质量
l——振弦长度
E——振弦的弹性模量
A——振弦的截面积
α——振弦的热膨胀系数
T——温度变化
显见,应变ε由两部分组成：一部分由张力引起,另一部分由温度变化引起.
5. 结语
综上所述,随着我国科技的不断发展及我国建筑行业科研人员的不断深入研究,结合大量相关的工程实践经验、新技术、新材料,大跨度空间钢结构将不断发展、创新,使其不断完善,促使我国大跨度空间钢结构应用更为广泛,更好地服务于我国的建筑工程与社会.
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作者简介：覃忠（1966—）,男,广西荔浦人,供职于广西宁铁建筑总公司,中级职称,研究方向：工程管理.
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