关于大跨度钢结构施工时存在的问题及相关对策的研究

广东杭萧钢构有限公司 向先云

关于大跨度钢结构施工时存在的问题及相关对策的研究

广东杭萧钢构有限公司 向先云

随着市场经济的发展和社会生产力的提高,建筑行业在我国等到了迅猛的发展,特别是大跨度钢结构成为我国发展最迅速也最有特色的建筑类型,其广泛应用于多功能体育场馆,会议展览中心,博览馆,候机厅,飞机库等。因其跨度大、重量大、结构复杂为施工带来了巨大的挑战。本文通过工程实例,分析了大跨度钢结构施工中的问题及重难点,并提出相应的解决措施。

大跨度钢结构施工难点解决措施

一、大跨度钢结构施工中吊装点的确定方法

在进行大跨度平面和空间桁架结构的吊装时,吊装点的选择是重点。不同位置、不同数量的吊装点选择,对吊装单元内杆件的受力及变形可能有较大的差异。因此确定吊装单元的吊装点对结构的安全至关重要。工程中确定吊装点的方法按照公式计算吊点位置,其计算公式为:

公式中各参数见下图中的标识。

当吊装单元的质量分面不均匀的时候,吊点的选择不能简单按照公式进行,需要得用有限元软件(如ANSYS,SAP2000)进行质心的求解,从而作为吊装点的选取依据。在工程实际中,利用有限元软件分析,确定吊装的方法使用较为普遍。

在制定大跨度钢结构施工方案时,吊点的选取要要保证桁架在操作平面内的稳定,也要保证桁架不发生平面外失稳现象。吊点的分布越多,发生平面外失稳的概率就越低。下图是在一个吊点、两个吊点和三个吊点的情况下,吊装操作的平面外的稳定状况。可以通过ANSYS有限元软件计算其平面外失稳荷载,进而判断吊装方案的可行性。

二、大跨度钢结构施工中关于滑轮力学的问题及计算

在大跨度钢结构施工中会使用的很多滑轮来完成吊装过程,滑轮不仅能够提升吊装力而且方便吊装的过程中在空中调整吊件的位置与方向。为了计算出滑轮满足平衡状态的力学分布,先在桁架的两端分别加上一个连杆,并对其进行ANSYS有限元软件计算,只有使桁架两端水平连杆的内力的值为零才能满足上述要求。可通过冷冻升温结构分析方法分析滑轮结构的力学问题。

三、大跨度钢结构施工中关于设置临时支承架的问题

在大跨度钢结构施工中,几乎都需要设置临时支承架,但是设置临时支撑架会改变的结构的受力,从而影响到结构的安全,因此,在施工方案的制定中,需对支撑架的设置进行计算,确定支撑架的大小及支承位置。以澳门体育馆为例,澳门体育馆由钢结构及期两侧支承钢结构组成,施工时,首先进行拱脚基座和拱桁架第一段的安装,然后安装拱桁架的第二段。通过设置支撑架,完成拱段的拼接。拱段安装完成,在拆除支撑架以前,经起重试验结果表明,主桁架和拱脚基座安装完成后,拱脚水平推力更大,拱脚设计不能达到施工标准要求。通过计算,在主拱下设置两处临时支撑架,可以减少在底板上的最大推力和垂直竖向的挠度值,方便主桁架间的顺利连接。

四、大跨度钢结构施工中关于拆撑过程中的安全问题

在大跨度钢结构的形成过程中,必须进行设置临时支撑柱。在所有的组件安装到位之后,将所有临时支撑柱进行拆除。在进行拆除临时支撑柱的时候就是将结构的受力点转移的和重新分配。拆除最后一个临时支撑柱的结构是完全的设计状态。临时支撑柱拆除原:(1)由内部的受力系统转换造成的内力变化缓慢的过程;(2在结构受力的各个部分的设计状态应该是在弹性范围内不允许构件发生永久变形;(3)支持拆卸容易控制,安全和可靠。

五、在大跨度钢结构施工预应力张拉全过程计算及方法

预应力钢是实现大跨度结构的最佳形式之一。通过预应力结构的力度变化可以调整力度分布,以改善内部力量和振幅内力分配结构,以达到增加大跨度钢结构的刚性效果。预应力钢结构设计和施工的预应力钢关系非常密切。预应力钢可分为两大类,一类是完全提供预压力的形式,如穹顶结构,网架结构,索膜结构,另一类是增加结构刚度的形式,如张弦梁结构,弦支穹顶结构。前一类的施工过程是由机构转换为结构的过程,由于弹性刚度的变化,我们必须考虑几何非线性的影响。第二种形式是混合的结构形式。

六、大跨度钢结构施工中的过程跟踪模拟计算方法

为确保大跨度钢结构在安装过程中的安全,往往需要根据施工的过程,采用计算软件进施工模拟计算,以确保结构及其所有杆件在安装的过程中满足强度、刚度和稳定性要求。大跨度钢结构的施工是一个持续的过程,在这个过程中,结构内部的杆件内力和位移是不断变化的。对于每个阶段的内力和位移计算,需要找到以下的施工过程中最危险的阶段进行精确控制,以确保施工结构安全。此外,因为安装过程中结构的位移会发生变化影响以后的处理,因此,加工中根据计算的结果设置一定的起拱值,来改善或避免这种影响。

七、大跨度钢结构施工中柔性结构的成型问题及计算

索穹顶结构是张拉典型的圆顶空间结构体系,施工方法及计算其形状是新结构在施工期间的主要问题的。圆顶从脊索,循环索,支撑杆和中心受拉力钢环和外圈受压力钢环梁构成。按不同的顺序和不同的预应力增加措施,使得结构逐步形成。在一般情况下,索穹顶结构只有两种施工方法和顺序:

(1)首先,拉中央桁架或者使中间拉力环提升至设计位置并用临时施工塔架进行支承,结构定位在中间之后,然后由外圈开始向内张拉斜拉索。

(2)第一固定脊索、斜索与外环之间的连接,以及从外环开始向内斜索力进行提升,然后才能提内拉环。

八、结语

大跨度钢结构建筑在中国已经进入了一个快速增长期,不仅设计上有很多技术性的问题有待解决,施工过程中遇到的技术挑战也日益增多。施工过程中遇到的的建筑力学的许多问题,没有系统的研究使得大跨度的钢结构施工措施不尽科学。在本文中,我们对一些大跨度钢结焦点结构工程的主要方面的问题施工力学研究,总结了经验,应该注意到,一些技术问题,期望大跨度钢结构建筑更加安全和经济。

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