大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過程的結(jié)構(gòu)分析及應(yīng)用研究

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北京中網(wǎng)華通設(shè)計(jì)咨詢有限公司 北京 114001

前言

由于材料技術(shù)和結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的長足發(fā)展，使得大跨度空間結(jié)構(gòu)得到了空前的發(fā)展，國內(nèi)外一些主要的體育場館、展覽館及候車大廳等屋蓋結(jié)構(gòu)幾乎毫無例外地采用了大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)，并且結(jié)構(gòu)體系呈現(xiàn)多樣化、復(fù)雜化的發(fā)展趨勢。對于這些新的結(jié)構(gòu)形式，雖然有以往較為成熟的施工經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，但依然存在很多值得注意的地方，本文將對此類結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和一些主要的施工方法進(jìn)行分析和介紹。

1 施工力學(xué)原理

1.1 拉格郎日列式

針對大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過程的施工力學(xué)分析，拉格郎日列式往往被用作物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述。拉格郎日列式的描述往往把位移的度量當(dāng)作被固定到大型構(gòu)件變形前、后的且出現(xiàn)相對運(yùn)行的物質(zhì)點(diǎn)，由此也把拉格朗日坐標(biāo)稱作物質(zhì)坐標(biāo)。

1.2 ANSYS

針對某些大型有限元軟件，邊界條件的改變較大型構(gòu)件預(yù)應(yīng)力的動(dòng)態(tài)施加和增刪容易處理。但針對大型構(gòu)件預(yù)應(yīng)力的動(dòng)態(tài)施加和增刪問題，本文認(rèn)為較為有效的解決途徑為：ANSYS的死活單元功能配合計(jì)算功能，以此開發(fā)出針對大型鋼結(jié)構(gòu)施工過程的力學(xué)分析方法。ANSYS由若干具備“殺死”功能和“激活”功能（即死活單元功能）的單元庫構(gòu)成，屬大型有限元軟件[1]。

2 大跨空間鋼結(jié)構(gòu)施工方法及其特點(diǎn)

目前，大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)有多種安裝方法可供選擇，具體采用時(shí)要綜合分析結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn)、工期要求、場地條件、機(jī)械選擇以及施工環(huán)境等因素，根據(jù)工程具體特點(diǎn)加以甄別，最終選取恰當(dāng)?shù)陌惭b方法。

常見的施工方法有高空散裝法、分塊或分條安裝法、滑移法、提升法、頂升法以及整體吊裝法等，較為先進(jìn)的方法還有高空曲線滑移法、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)折疊展開式整體提升法以及滑架法等，對于較為復(fù)雜的工程，可以將多種施工方法結(jié)合起來，以達(dá)到安全可控、經(jīng)濟(jì)合理的目標(biāo)。下面介紹幾種有代表性的施工方法。

2.1 高空原位拼裝法

高空原位拼裝法是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間位置直接將節(jié)點(diǎn)和桿件進(jìn)行拼裝的一種施工方法。由于該方法在設(shè)計(jì)位置對結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行拼裝，無須其他輔助技術(shù)措施，因此是一種最為直接和較為有效的方法，得到了非常廣泛的應(yīng)用。

該方法一般采用塔吊或汽車吊等起重設(shè)備進(jìn)行散件或分塊拼裝，由于直接在高空拼接，難度較大，同時(shí)為了保證結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定，往往需要設(shè)置大量的臨時(shí)支撐，待整個(gè)結(jié)構(gòu)拼裝完畢，再對臨時(shí)支撐進(jìn)行拆除。通常與土建等施工存在交叉作業(yè)，施工周期較長。采用該方法時(shí)需要制定合理的拼裝順序，要求節(jié)點(diǎn)定位坐標(biāo)精準(zhǔn)。

2.2 提升安裝法

提升安裝法是利用提升設(shè)備將結(jié)構(gòu)提升至指定位置再進(jìn)行安裝的一種施工方法，由于待提升結(jié)構(gòu)在較低位置進(jìn)行拼裝，因此有效地減少了高空作業(yè)量，高空風(fēng)險(xiǎn)小，是一種技術(shù)先進(jìn)、高效經(jīng)濟(jì)的施工方法[2-4]。相對于高空散裝法，該方法節(jié)省了臨時(shí)支撐，拼裝難度降低，施工周期較短，施工質(zhì)量較易保證，但需要一定的專業(yè)提升設(shè)備和臨時(shí)提升平臺等輔助措施。

目前廣泛應(yīng)用的一種是計(jì)算機(jī)控制液壓同步提升系統(tǒng)，該系統(tǒng)通常由液壓提升器、液壓泵源系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)同步控制及傳感檢測系統(tǒng)組成。一般通過采用液壓提升器作為提升機(jī)具，柔性鋼絞線作為承重索具。液壓提升過程一般通過上錨緊→伸缸拔下錨→下錨緊→同步縮缸四步循環(huán)完成，一個(gè)流程為液壓提升器一個(gè)行程，當(dāng)液壓提升器周期重復(fù)動(dòng)作時(shí)，被提升結(jié)構(gòu)則逐步完成上移。

由于采用較少的受力點(diǎn)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行提升，受力點(diǎn)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此，需要對提升吊點(diǎn)、提升平臺等臨時(shí)結(jié)構(gòu)的布置和形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于該方法安裝質(zhì)量較高，且可以節(jié)約臨時(shí)支撐，因而成本較低，施工較快，所以在大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工中應(yīng)用廣泛。

2.3 滑移安裝法

滑移安裝法是將結(jié)構(gòu)在異地拼裝，待拼裝結(jié)束后利用滑移設(shè)備將整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)滑移至設(shè)計(jì)坐標(biāo)處的一種施工方法。該方法可以有效避免交叉作業(yè)，目前應(yīng)用較廣。根據(jù)滑移就位方式的不同分可以分為：整體滑移法和累積滑移法。前者將待滑移結(jié)構(gòu)整體從拼裝位置滑到設(shè)計(jì)位置直接就位安裝，而后者是將待滑移結(jié)構(gòu)分解為若干個(gè)滑移子結(jié)構(gòu)，施工時(shí)先在拼裝區(qū)域完成第一個(gè)子結(jié)構(gòu)后滑移一段距離，然后在拼裝區(qū)域完成第二個(gè)子結(jié)構(gòu)，與第一個(gè)子結(jié)構(gòu)相連后滑移一段距離，依次重復(fù)進(jìn)行完成所有結(jié)構(gòu)。按照滑移路線不同又可以分為直線滑移法和曲線滑移法。

由于滑移法在異地對結(jié)構(gòu)進(jìn)行拼裝，因此該方法有效地避免了與土建等施工的交叉作業(yè)，縮短整個(gè)工程的施工周期，施工質(zhì)量和精度容易保證，但需要投入較大的臨時(shí)軌道設(shè)施和液壓滑移系統(tǒng)。與液壓同步提升系統(tǒng)類似，目前大多采用計(jì)算機(jī)控制液壓同步滑移系統(tǒng)，采用該方法，當(dāng)軌道標(biāo)高不同或曲線的半徑不同時(shí)，對液壓爬行器有特殊要求，有時(shí)需要特殊改造。同時(shí)，液壓推進(jìn)點(diǎn)的布置和形式也是需要考慮的重點(diǎn)之一。

3 結(jié)束語

隨著大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜多樣，這對施工技術(shù)也提出了新的挑戰(zhàn)，成為擺在技術(shù)人員面前的首要問題。本文通過對當(dāng)前大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和主要施工方法的闡述和分析，使該類工程在實(shí)際施工時(shí)有規(guī)律可循，以期能對相關(guān)工程提供相應(yīng)的參考。