楊麗強(qiáng)

摘要：隨著建筑需求的不斷提升，建筑空間結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系逐步由小及大，大跨度鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。大跨度空間結(jié)構(gòu)組成形成分為兩類，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和張力結(jié)構(gòu)。結(jié)合信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)承載力及結(jié)構(gòu)體系強(qiáng)度等逐步發(fā)展，形成了以有限元分析法為主的空間施工模擬分析。結(jié)合大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工方法發(fā)展的現(xiàn)狀，以實(shí)際的工程案例為基礎(chǔ)，對(duì)高空散裝法、整體吊裝法等進(jìn)行介紹;針對(duì)性的分析了空間鋼結(jié)構(gòu)在施工技術(shù)中的力學(xué)應(yīng)用原理，并以加蓬體育場(chǎng)為例，對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的受力分析進(jìn)行了模擬分析，以期能夠給大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工作業(yè)提供一定的理論參考。

關(guān)鍵詞：大跨度;鋼結(jié)構(gòu);施工技術(shù);應(yīng)用;空間

引言

在建筑空間結(jié)構(gòu)體系中，其主要是指以三維立體受力特性為主的作業(yè)形式，與傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)相比較，空間結(jié)構(gòu)的承載力及穩(wěn)定性有突出的優(yōu)勢(shì)。隨著社會(huì)發(fā)展對(duì)于建筑空間結(jié)構(gòu)的需求不斷的提升，設(shè)計(jì)及施工技術(shù)的應(yīng)用程度不斷加大，使得空間結(jié)構(gòu)體系的研究從未停止，尤其是基于大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)體系，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)空間需求較大時(shí)，其三維受力結(jié)構(gòu)的技術(shù)性優(yōu)勢(shì)就能夠有效的體現(xiàn)出來了。大跨度空間結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及技術(shù)要求應(yīng)結(jié)合相應(yīng)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，結(jié)合結(jié)構(gòu)造型及施工難度應(yīng)合理應(yīng)用受力分析技術(shù)和施工技術(shù)。

1 大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工方法發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.1 高空散裝法

以國(guó)家體育場(chǎng)“鳥巢”為例，利用建筑空間的優(yōu)勢(shì)，將桿件設(shè)備、或者相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)小單元的內(nèi)容進(jìn)行分析，結(jié)合施工設(shè)備就可完成一定施工難度的安裝，并正常應(yīng)用。高空散裝法的施工技術(shù)要點(diǎn)主要可分為：首先需要結(jié)合施工的要求，合理的劃分施工工序，減少施工過程中重復(fù)性工作帶來的誤差;其次應(yīng)嚴(yán)格控制標(biāo)高及垂直的高度，將設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行有效的調(diào)整分析;將驗(yàn)算的承載力及具體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行劃分，實(shí)現(xiàn)基于支撐點(diǎn)為主的相應(yīng)支座的有效分析。

1.2 分條分塊吊裝法

將鋼結(jié)構(gòu)的整體進(jìn)行有效的劃分，形成分條分塊的吊裝，主要的分條分塊的形狀以條狀和塊狀為主，結(jié)合施工技術(shù)的應(yīng)用，將相應(yīng)的條塊結(jié)構(gòu)逐步的施工落位、進(jìn)行有效拼裝，整個(gè)的施工過程只需要起重設(shè)備和技術(shù)指揮人員即可，體現(xiàn)出的是施工簡(jiǎn)便性和經(jīng)濟(jì)性。在該方法應(yīng)用過程中，應(yīng)按照實(shí)際的情況進(jìn)行加固措施的分析。如下圖1-1 所示。

此施工方法中，典型的應(yīng)用案例是上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)，其施工方法需要與其他的施工方法進(jìn)行結(jié)合，例如整體吊裝法和高空滑移法等。

1.3 整體吊裝法

整體吊裝法就是結(jié)合大型的起重設(shè)備，將大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)在地面進(jìn)行有效拼裝，以整體的形式進(jìn)行安全吊裝，并在吊裝到一定的高度后進(jìn)行移位轉(zhuǎn)動(dòng)，選擇好固定的安裝位置，進(jìn)行落位安裝，整個(gè)過程中應(yīng)注意的施工技術(shù)難點(diǎn)主要是：在高空進(jìn)行移位的過程中，應(yīng)以平衡性的交換為基礎(chǔ)，多機(jī)抬吊同步控制。因此施工中應(yīng)注意各機(jī)械吊裝的同步性，保證結(jié)構(gòu)整體的統(tǒng)一性。

1.4 高空滑移法

高空滑移主要是利用相應(yīng)的軌道技術(shù)，在拼裝的平臺(tái)上對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行拼裝，并結(jié)合相應(yīng)的牽引設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)結(jié)合端和拼裝端有效的拼裝與應(yīng)用，同時(shí)在施工過程中，基礎(chǔ)的土建施工可以交叉作業(yè)，節(jié)省使用的費(fèi)用。高空滑移法的施工類型較多，可選擇性強(qiáng)。高空滑移法主要有單條滑移法和逐條累積滑移法兩種施工類型。

1.5 整體提升法

提升法和吊裝法的應(yīng)用區(qū)別主要是：前者是垂直方向進(jìn)行吊起安裝，在轉(zhuǎn)移或者平動(dòng)的過程中都應(yīng)進(jìn)行有效的安裝設(shè)計(jì)。此外在整體結(jié)構(gòu)提升到一定高度后，其可以按照相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)高的位置進(jìn)行安裝，且施工過程中無需用到腳手架等設(shè)備，降低施工成本，具有經(jīng)濟(jì)性。整體提升法具有兩個(gè)重要的特點(diǎn)，首先高空位置和拼裝的位置要保持在同一水平面上，同時(shí)桿件應(yīng)預(yù)留，實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的有效提升。

2 空間鋼結(jié)構(gòu)在施工技術(shù)中力學(xué)應(yīng)用原理分析

2.1 變因素分析

2.1.1 結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)型的變化

在空間鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)應(yīng)用及空間幾何變化的過程中，需要首先結(jié)合施工圖紙進(jìn)行預(yù)分析，對(duì)潛在的施工影響因素，能夠進(jìn)行掌控，且在施工的過程中進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)基于空間拼裝安裝原理的結(jié)構(gòu)規(guī)模的逐漸過渡應(yīng)用。結(jié)構(gòu)幾何的構(gòu)型變化也會(huì)時(shí)刻隨著整體結(jié)構(gòu)的空間位置和施工進(jìn)度的要求不同而產(chǎn)生一定的施工需求，因此結(jié)合現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)型的變化因素，將空間鋼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)內(nèi)容及理論進(jìn)行合理化的分析，能夠充分結(jié)合結(jié)構(gòu)規(guī)模對(duì)局部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)性的過渡，完善整體結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)型。

2.1.2 結(jié)構(gòu)體系的變化

引起大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)體系變化的主要因素有兩種。首先，在施工過程中按照相關(guān)的施工步驟的要求，對(duì)整體結(jié)構(gòu)中的零部件進(jìn)行有效的安裝，在安裝的過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際的安裝位置進(jìn)行有效組裝，但是部件在有效的安裝過程中會(huì)因?yàn)檎w性的施工步驟的原因?qū)е抡麄€(gè)施工過程不夠完整，另外呈現(xiàn)出的不完整的結(jié)構(gòu)體系，在逐漸變化的過程中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的安裝要求的變化，這種變化是與起初的設(shè)計(jì)內(nèi)容背道而馳的，常常會(huì)因?yàn)檎w架設(shè)臨時(shí)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)支撐體系的完整性，從而凸顯的是整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全。

另外，大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)體積龐大且需要在施工過程中臨時(shí)搭設(shè)相關(guān)的支撐結(jié)構(gòu)體系，因此在關(guān)鍵的施工過程中，應(yīng)充分的結(jié)合臨時(shí)結(jié)構(gòu)的主體位置的變化，使得支撐體系與結(jié)構(gòu)的主體共同作用，產(chǎn)生相互的作用力，形成有效的穩(wěn)定狀態(tài)，并充分的結(jié)合現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對(duì)整個(gè)施工結(jié)構(gòu)的整體進(jìn)行承載力的預(yù)算，需要拆除臨時(shí)支撐體系的部分，應(yīng)根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的需求，按照施工模擬的相關(guān)需求進(jìn)行有效的拆除作業(yè)。在整體結(jié)構(gòu)體系的變化過程中，應(yīng)充分的結(jié)合施工模擬的過程，將結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換形式及轉(zhuǎn)換的渠道進(jìn)行適應(yīng)性的分析，并按照有效的重力結(jié)構(gòu)分布，將產(chǎn)生的位移變化進(jìn)行跟蹤記錄，確保結(jié)構(gòu)體系的變化在施工過程中逐步減小。

2.1.3 荷載效應(yīng)變化

在大跨度空間結(jié)構(gòu)施工過程中，鋼結(jié)構(gòu)體系除了受到自身的重力外，還要承擔(dān)相應(yīng)的活荷載，主要涉及到的活荷載的類型有風(fēng)荷載、溫度荷載、施工過程中的荷載等，其整體的結(jié)構(gòu)施工內(nèi)容及施工的有效性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：結(jié)構(gòu)自重在隨著構(gòu)建的安裝，實(shí)現(xiàn)逐步增大的過程，且增減量的大小應(yīng)充分的結(jié)合荷載效應(yīng)的變化持續(xù)進(jìn)行，同時(shí)整體性的結(jié)構(gòu)內(nèi)容及結(jié)構(gòu)的有效性都應(yīng)按照設(shè)計(jì)的規(guī)范進(jìn)行;此外活荷載中的施工人員的重力荷載和相應(yīng)的施工設(shè)備在施工過程中產(chǎn)生的荷載是隨著施工位置的變化而變化的;另外，在施工過程中的溫度變化是影響整個(gè)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的重要內(nèi)容，進(jìn)而影響到整個(gè)體系的安裝精確度和形狀的變化。

2.1.4 邊界條件變化

鋼結(jié)構(gòu)的位置變化、施工過程種的構(gòu)件數(shù)量的變化及相應(yīng)約束形式的變化都會(huì)對(duì)整個(gè)的邊界條件的變化產(chǎn)生一定的條件。施工過程中的邊界條件和相應(yīng)的施工安裝順序都會(huì)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)力的作用產(chǎn)生重要的影響，因此如何有效的結(jié)合施工內(nèi)容，從處理好施工過程中的邊界及安裝的問題開始分析，需要結(jié)合模擬施工的過程進(jìn)行，因此修改邊界約束需要結(jié)合施工方法進(jìn)行有效的修正。

2.2 施工過程結(jié)構(gòu)計(jì)算理論

結(jié)構(gòu)計(jì)算理論是大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工設(shè)計(jì)過程中必須涉及到的相關(guān)內(nèi)容，例如以板、柱結(jié)構(gòu)為例，作為整體的剛性結(jié)構(gòu)，由于其本身具有一定的剛度，因此不需要施加相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力，剛性結(jié)構(gòu)可以有效的承載相應(yīng)的施工荷載;此外，在剛性結(jié)構(gòu)計(jì)算理論實(shí)施的過程中，應(yīng)滿足以下幾個(gè)條件：首先，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的尺寸和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)容進(jìn)行分析;其次鋼結(jié)構(gòu)在施工過程中會(huì)發(fā)生較小的變形，因此可忽略不計(jì);整個(gè)的施工過程中，結(jié)構(gòu)理論的內(nèi)容主要以線彈性理論為主。根據(jù)有限元原理，將每一個(gè)大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的拆分，形成有限元結(jié)構(gòu)，其中每一個(gè)有限元結(jié)構(gòu)的基本方程可表示為：

施工階段一：[K₁]{U₁}={P₁}? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??（1）

內(nèi)力：[N₁]=[k₁][A₁]{U₁}? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??（2）

施工階段二：[K₂]{U₂}={P₂}? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??（3）

內(nèi)力：[N2]=[k2][A2]{U2}? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

由此類推，施工的第n階段中，（[K₁]+[K₂]+...+[K_n]）{U_n}={P_n}? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）;

內(nèi)力：[N_n]=[K_n][A_n]{U_n}? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??（6）

以上公式中，[K_i]為總剛度矩陣;[k_i]為未完成的剛度矩陣;{U_i}為未完成階段的位置量;[P_i]＼*MERGEFORMAT為實(shí)施階段的結(jié)構(gòu)點(diǎn)量;[A_i]為非完整結(jié)構(gòu)的幾何矩陣;[N_i]為完成階段的桿件受內(nèi)力量。

結(jié)合施工的具體情況，在有限元的計(jì)算過程中，應(yīng)用到較多的方法仍然是生死單元法，在施工過程中，施工單元的所有涉及到的單元內(nèi)容并不是完全刪除的，其可以有效的借助相應(yīng)結(jié)構(gòu)體系有效分析施工過程中的相關(guān)理論內(nèi)容，并進(jìn)行合理化的分析與實(shí)踐。

2.3MIDAS軟件施工過程分析原理

MIDAS軟件在建筑施工領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，其能夠根據(jù)建模和相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析及處理能力，將施工過程中的相關(guān)模擬狀態(tài)進(jìn)行全真性的模擬，在相應(yīng)的建筑狀態(tài)變量的有效疊加的狀態(tài)下，應(yīng)根據(jù)有效的一次性建模的方法，將整體性的數(shù)據(jù)模擬理論進(jìn)行有效分析，對(duì)每一個(gè)施工階段進(jìn)行“殺死”和“激活”，隨后進(jìn)行施工技術(shù)的層層疊加，進(jìn)而保證施工工況的有效完成。

3 鋼結(jié)構(gòu)施工過程受力模擬分析——以加蓬體育場(chǎng)為例

3.1 工程概況

2012 年“非洲杯”足球開幕式的主會(huì)場(chǎng)在加蓬體育場(chǎng)舉辦，該建筑體由現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)組成，分為主要的四部分的鋼結(jié)構(gòu)罩棚，罩棚中的鋼結(jié)構(gòu)體系為主要的研究對(duì)象。其結(jié)構(gòu)組成主要有拱形主鋼架、外圈環(huán)形鋼桁架和V型鋼柱組成，加蓬體育場(chǎng)的總體效果圖如下圖3-1 所示。

3.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

拱形主鋼架結(jié)構(gòu)為正三角形的空間桁架結(jié)構(gòu)，且罩棚的面積可達(dá)10000m?，西看臺(tái)主鋼架結(jié)構(gòu)的截面尺寸中，截面高度由3m漸變至8m，且西看臺(tái)的鋼架結(jié)構(gòu)的拱跨度達(dá)到相應(yīng)的316m。如下圖3-2 西看臺(tái)鑄鋼架界面尺寸圖所示。

外圈環(huán)形鋼桁架空間結(jié)構(gòu)為正三角形，截面高度以空間投影為參照，由2m逐漸的演變成為3m，整個(gè)空間結(jié)構(gòu)的截面變化以外圈的桁架結(jié)構(gòu)為主體，形成了參數(shù)型的結(jié)構(gòu)體系，從而在對(duì)外圈鋼桁架的兩端結(jié)構(gòu)進(jìn)行圓管貫通焊接的過程中，應(yīng)充分的結(jié)合截面的規(guī)格尺寸，對(duì)整體的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行有效劃分，以環(huán)形桁架截面規(guī)格體系中的上弦架、下弦架和中腹桿及下弦腹桿為主要的參照結(jié)構(gòu)，以東看臺(tái)的環(huán)形桁架和西看臺(tái)的環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)為主要的分析對(duì)象，對(duì)其尺寸和規(guī)格（見表3-1）進(jìn)行有效的分析，形成了截面的整體性及規(guī)格的可適應(yīng)性的變化。外圈桁架鋼結(jié)構(gòu)的整體截面高度都以漸變?yōu)橹?，形成有效的截面空間體。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)施工流程

支撐胎架應(yīng)以主鋼架正投影的方位進(jìn)行有效架設(shè)，且截面的規(guī)格以1.2m×1.2m為標(biāo)準(zhǔn)，使得跨中的最大支撐高度為12m;采用散裝發(fā)安裝相應(yīng)的支架，先進(jìn)行弦桿安裝，后對(duì)腹桿進(jìn)行安裝，整個(gè)的安裝過程應(yīng)以下弦桿的最長(zhǎng)和腹桿的最長(zhǎng)來分析;首先應(yīng)安裝跨中的弦桿和腹桿，求安裝的整體順序由中間向兩端延伸;其次應(yīng)對(duì)加固的桿件進(jìn)行加固，主鋼架首先進(jìn)行提升，提升的距離為150m，這個(gè)階段的提升只是作為預(yù)提升進(jìn)行分析，在相應(yīng)的提升段，應(yīng)將整個(gè)的張拉防風(fēng)纜風(fēng)繩進(jìn)行分析，將拆除的相應(yīng)下部分的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行兩側(cè)安裝，并有效的結(jié)合懸挑段的結(jié)構(gòu)體系對(duì)整個(gè)下弦結(jié)構(gòu)和中腹桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的規(guī)劃與分析。

3.4 鋼結(jié)構(gòu)提升全過程模擬分析

3.4.1 位移分析結(jié)果：施工階段一中，結(jié)合散裝法，對(duì)胎架進(jìn)行有效的安裝，同時(shí)對(duì)桿件進(jìn)行持續(xù)性的加固，結(jié)合主鋼架下方的支撐點(diǎn)，要確保整個(gè)施工過程中支撐點(diǎn)的約束位移的位置，位移的方向可以根據(jù)空間中的X、Y、Z三個(gè)不同的方向進(jìn)行分析，其中最大的位移量為7.09mm。在施工階段2 中，對(duì)主鋼架進(jìn)行整體性的提升，模擬提升鋼絞線對(duì)整個(gè)提升過程中的相關(guān)約束力的約束，實(shí)現(xiàn)最大位移量為109mm。在施工階段3 中，主鋼架形成了第二段的有效提升，整個(gè)提升過程中以第二次的提升得到相應(yīng)的主鋼架的綜合性位移，最大位移量為157.65mm，主鋼架的跨中位移量為31.9mm，且整體性的位移量為僅為施工階段2 中的30.1%。由此部分?jǐn)?shù)據(jù)可以說明，整個(gè)的結(jié)構(gòu)的最大位移量發(fā)生了較大的變化;在施工階段4 中，胎架上的散件拼裝的過程也是整體結(jié)構(gòu)提升的過程，根據(jù)各支撐點(diǎn)的約束情況，每一部門的約束力的方向都是不同的，位移數(shù)量與施工階段3 的基本一致。

3.4.2 桿件承載力分析結(jié)果：從桿件的承載力結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)分析，其環(huán)形桁架的最大拉應(yīng)力為119.32MPa，且其最大的壓力值為161.77MPa，在結(jié)合現(xiàn)有的環(huán)形鋼架提升點(diǎn)中，對(duì)于處于自重條件下的相應(yīng)彎矩值應(yīng)進(jìn)行有效的分析，從而滿足桿件穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果的需求。

4 結(jié)論及展望

綜上，在針對(duì)大跨度空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展進(jìn)行理論性闡述的過程中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際的案例進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安裝規(guī)范的分析，在對(duì)大跨度空間的鋼結(jié)構(gòu)的荷載值計(jì)算的過程中，不僅要計(jì)算其自重的荷載模擬值，應(yīng)對(duì)其風(fēng)荷載、溫度荷載和對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)荷載進(jìn)行有效分析，從而對(duì)整個(gè)的模型進(jìn)一步的細(xì)化作業(yè)，使得桿件的類型及支座的定義等都能夠符合結(jié)構(gòu)狀態(tài)。此外，還要做好數(shù)據(jù)的監(jiān)控與分析。

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