大跨度钢结构施工过程的结构分析方法研究

大跨度钢结构施工过程的结构分析方法研究

黄坚

广西建工集团第三建筑工程有限责任公司广西柳州545000

摘要：近年来，建筑行业呈快速上升的态势，大跨度空间钢结构符合了建筑施工的更高要求，得到迅猛发展。大跨度钢结构则与之不同，大跨度的钢结构在施工的过程中由于受力较大，构件会在施工的过程中发生部分变形，虽然这些变形在施工之前就是可以预见的，但是如果不对施工过程加以控制，那么在施工完成后的钢结构可能与设计并不是完全的相符，这也是引起结构不稳定因素之一。因此对大跨度钢结构施工过程的结构分析方法的研究是相当有必要的。

关键词：大跨度钢结构；施工过程；方法

1.工程概况

钟山县体育馆位于贺州市钟山县北环路，屋面钢结构为大跨度空间钢结构-桁架结构，建筑面积5125平方米。

本工程为三层混凝土楼板加一层钢结构屋盖系统的形式组成单栋结构。混凝土柱主要分布于场馆的四周，中间为场馆内部篮球场，混凝土柱柱顶标高为10.400m，柱顶设置钢结构预埋螺杆，预埋螺杆与钢结构桁架相连。其中一层主要为看台及踏步，层高为4.35m，二层为办公用房等多功能室，层高为3.9m。三层为夹层，层高为2.6m，顶层为钢结构屋架及屋面板组成的屋盖系统，层高为4.4m。混凝土柱间距为7.2m~8.4m不等。屋盖为桁架结构，屋盖整体跨度为42m，长向跨度为54.14m，属于大跨度屋盖结构。钢结构屋盖最高处为14.8m。

本项目钢结构工程的结构形式为平面桁架结构，桁架上下弦及桁架立柱均为H型钢，桁架腹杆为圆管构件，系杆及柱间支撑均为圆管构件，走道梁为H型钢构件，檩条为Z型钢镀锌檩条。

主桁架一共为7榀，分布于3、4、5、6、7、8、9轴线上。每榀桁架又分为悬挑段和中间段两部分。主桁架中间段由三段组成，重量分别为：3.1T、4.8T、3.1T。主桁架边段有两段，分别位于两侧。为悬挑桁架段，重量均为3.1T。主桁架边段与中间段的两侧边段在现场组合拼装后进行整体吊装。组合后总重量约为6.2T。

次桁架一共有20段，主要分布于篮球场两端。1~2轴线共10段。10~11轴线共10段。次桁架每榀均为单独段，通过系杆、柱间支撑等连接构件进行连接，从而形成整体。次桁架每段重量约为3吨。

系杆一共有202支。所有系杆均为规格为PD140*5的材料组成。总重量约为31吨。系杆是连接主桁架、次桁架等构件的关键连接件。

走道梁一共有147支，由HN248*124*5*8的热轧H型钢组成。总重量约为27吨。走道梁是连接主桁架下弦的主要支撑也是屋面钢结构及电气设备等检修通道。

水平支撑一共有88支，总计重量约为2.5吨。

钢结构工程2016年5月5日开始施工，2016年10月30日完钢结构安装。并于2017年3月15日组织钢结构验收，项目建设全过程遵循建筑法律、法规及基本建设程序要求。

本工程钢结构子分部均包括单层钢结构安装、压型金属板安装等六个分项工程，各分项工程验收均合格，相关质量控制资料、安全和功能检验资料均符合要求，观感质量评价为“好”，最终评为合格工程。投入使用后各部分运转正常，没有出现影响正常使用和安全功能的质量问题。

2.工程的主要技术特点、难点

钟山县体育馆工程钢结构工程跨度为42m，属于大跨度钢结构屋盖系统工程。大跨度钢结构安装过程是最重要的部分，对安装过程中安全问题要求极为严格；杆件数量多且安装总工期短仅为45天左右。钢结构施工期间，土建、设备安装、园林工程等多单位多专业的工作面水平展开、立体交叉，吊装场地狭窄，吊装难度较大；建设方提出了较高的质量要求，施工难度较大。

3.采取的相应对策及创新施工方法

3.1考虑到本工程属于大跨度钢结构安装，编制专项施工方案，选择正确的加工、安装工艺，结合施工现场条件和以往类似的工程经验制定操作可行及成本条件合理的安装方案。全程使用全站仪测量控制。提前对可能出现的情况进行预控，提前制定应急预案有效解决安装中出现的各种问题。

3.2对于杆件数量多，增加施工作业面和机械设备数量，加快施工速度。

3.3对本工程各部分钢结构工程进行综合考虑，选择以下施工机械作为本工程钢结构吊装的主要机械设备：1台50吨汽车吊、1台25吨汽车吊、1台16吨汽车吊。

3.4对屋面系梁等小型杆件采用一钩多吊的吊装方式，以提高吊装效率。

3.5机械设备准备：已与我们有长期合作关系的租赁公司联系好本工程所需求大型机械设备，设备可按计划进场施工。

3.6组织机构、人员准备：我公司集中优势，抽调一批具有丰富的施工管理经验、年富力强、责任心强的专业人员，并从公司内部选择优良的特别是有丰富建筑施工经验的施工队伍负责本工程安装施工。

3.7加强管理，做好深化、杆件制作、现场拼装和安装的协调工作，制定预警方案，对会造成整个流程脱节，延误工期的环节提前预警，以保证工程按期完工。

4.大跨度钢结构施工过程的结构分析方法

4.1力学原理分析

通常情况下，大跨度钢结构需要持续进行施工，因此其受力情况是一直变化的，前一阶段的位移、内力等都会给下一个阶段带来一定影响，需要对每个阶段的位移、内力等进行比较全面的分析，才能真正提高其施工安全性和可靠性。与此同时，在不同的阶段进行施工，其对应的指标是一直变化的：预应力；约束；温度等等，必须对其进行可靠跟踪，才能将其结构准确反映出来。随着我国建筑行业的快速发展，有限元的发展越来越快，如在进行混合运算时应对如下几种软件的合理应用：MANSYS；MSC等等，可以大大提高各种结构形式的运算准确性。由此可见，上述平台的开发和研究是当前施工过程结构分析的重点，也是未来重要趋势之一。

从力学分析的整体情况来看，运动过程的描述一般采用的是拉格朗日列式法来进行，通常在分析增量非线性时使用得比较多，可以对物体各个点的变化情况进行实时跟踪，以在与虚功原理相结合的基础上获得结构单元的切线刚度矩阵公式。结合上述矩阵公式，以左边转的方式可以获得相关公式，其中包括的参数有：位移向量；荷载向量。在实践施工中，结构如果发生变化，是工程施工必须加强控制的重点，如果构件增多，刚度矩阵也会发生极大变化，需要通过增量迭代的方式来对其计算，才能在以结构件增加前的结构状态为重要基础的情况下，将结构件增加后的状态作为其最终的状态，对于实现增加结构件给结构带来的影响的全面分析有着重要影响。所以在外界荷载出现变化时，结构外荷载也会发生相应的变化，如温度荷载的改变，需要将荷载的变化量增加到原有荷载列阵中并对其进行重新计算，才能真正了解其结构变化情况。

4.2结构分析方法

当前新增构建主要存在四种情况，而其对应的原则也有四个：如果新增构件没有连接原来的构件，则新的节点坐标是节点的设计坐标；如果有新的节点出现，则其位置应在结构延长线的方向、相关节点来确定，才能确保其坐标未知的合理性；如果有新增构建存在，但没有新增相应的节点，则该构建的长度是这两个点之间对应的距离；如果有新增构建，但这两个构建的节点是一样的，则需要根据这两个点的具体情况来确定节点位置。因此在合理运用上述四个原则的情况下，对新增节点的坐标进行确定，需要结合相关公式并充分运用相关坐标、余弦值、节点数量等，才能真正保证新增节点坐标的准确性。

5.结束语

大跨度环形空间索结构作为新兴的结构，其独特的结构形式也决定了它施工所具有的较大难度。因此在结构实际施工前，必须对结构的成形过程进行仿真模拟，充分了解结构施工中会遇到的困难及成形过程中结构的特点，才能确保结构及时且高质量地完成。

参考文献：

[1]潘炜.大跨度钢结构施工力学分析及应用研究[D].华南理工大学，2011（16）：126-130.

[2]江鹤.复杂刚性钢结构施工过程力学模拟及计算方法研究[D].西安建筑科技大学，2011（15）：127-129.

[3]王飞驰.大跨度钢结构施工过程的结构分析方法研究[J].中国建筑金属结构，2013（15）：242-248.