大跨度钢结构施工过程的结构分析方法研究

张文凯

摘要：大跨度钢结构兴起于20世纪50年代，且其结构形式在之后几十年的发展中呈现多样化的特征。现阶段，大跨度钢结构凭借着自身独特的优势已经发展成为了我国应用范围最广的建筑类型。作为现代化大跨度复杂钢结构的设计人员，其必须高度关注结构的最终设计状态、结构的成型过程、结构的设计状态、结构的施工程序及施工方法等。本文对大跨度钢结构施工过程的结构分析方法进行了探讨。

关键词：大跨度；钢结构；施工结构；分析方法

中图分类号：TU74文献标识码： A

引言

伴随着大跨度钢结构运用范畴的不断拓展，在施工过程当中大跨度钢结构的运用也陆陆续续地显现出以下这些问题：在拆撑时永久构件与临时构件的相互作用与安全性问题；在吊装大规模的构件的时候的强度、刚度以及稳定性等问题。为此，本文将重点针对大跨度钢结构施工的力学原理及其施工手段进行阐释与分析，并进一步研究与剖析大跨度钢结构施工力学分析方法。

一、大跨度钢结构主要施工技术

1、高空散装法

将结构的全部节点和杆件直接在高空设计位置拼成整体的安装方法称为高空散装法。

非焊接连接的各种类型的网架、网壳或桁架都适用于高空散装法，拼装的关键技术问题是各节点的坐标控制。

高空散装法分为悬挑法和全支架法两种。悬挑法则多用于小拼单元在高空总拼。而全支架法多用于散件拼装，除了高空及现场作业量大，这种施工方法一般不需要大型机械。

2、高空滑移法

高空滑移法就是结构按条状单元分割在建筑物预先铺设在滑移轨道上这些条状单元然后从一端滑移到另一端，就位后总拼成整体的一种方法。

3、分条（分块）安装法

结构从若干条状单元或是平面分割成块状，分别用起重机械吊装至高空设计位置总拼成整体的安装方法就是分条（分块）安装法，其也可以被称之为小片安装法。该方法适用于分割成条（块）单元后其刚度的结构和受力改变较小。分块或是分条的大小就应该根据起重机的负荷能力来决定。因其条（块）状单元大部分是在地面焊接、拼装、高空作业少，在质量控制的方面非常的有利，也可以可省去大量的拼装支架。

4、整体吊装法

将结构在地面总拼成整体用起重设备吊装到设计标高的位置，然后将其固定的方法，称为整体吊装法。

安装空间钢结构用整体吊装法时，可以在场外与柱错位总拼或就地总拼，一般这种方法适用于焊接连接网架，因为要保证地面总拼易于保证几何尺寸和焊接质量的准确性。其不足是需要大型的起重设备，同时，对停机点的地耐力要求较高，并且会影响土建的施工作业。

5、整体提升法

将结构在地面整体拼装后，在结构上方设置起重设备，用吊杆把结构吊到设计位置，把这种方法称为整体提升法。

这种施工方法可以使吊装成本降低，首先因为安装大型钢结构其可以利用小机群进行安装，其次是提升设备能力较大，提升时可将防水层、屋面板、电气设备及采暖通风等全部在地面施工后，然后再提升到设计标高，这样就大大节省了施工的费用。

6、整体顶升法

在结构各支点的下面安装千斤顶，利用柱作为滑道，把结构逐步地顶升到设计位置，把这种施工的方法称为整体顶升法。整体提升法与整体顶升法类似，区别在于提升设备的位置不同，两者的作用原理相反。一个位于结构支点的下面，一个位于结构支点的上面。

7、折叠展开安装法

该方法把一个穹顶看作从径向的拱绕竖向中轴旋转一周而成。因此穹顶的立体空间作用可以分解为环向箍作用与径向拱的作用的叠加。在接近地面的高度，利用穹顶临时具有的自由度，把穹顶就可以折叠起来，然后进行安装。随后把折叠的穹顶利用气压和液压顶升等方式沿其仅有的一维自由度方向顶升到设计高度，完成穹顶的施工过程。

二、施工力学原理

1、拉格郎日列式

针对大跨度钢结构施工过程的施工力学分析，拉格郎日列式往往被用作物体运动状态的描述。拉格郎日列式的描述往往把位移的度量当作被固定到大型构件变形前、后的且出现相对运行的物质点，由此也把拉格朗日坐标称作物质坐标。

2、ANSYS

针对某些大型有限元软件，边界条件的改变较大型构件预应力的动态施加和增删容易处理。但针对大型构件预应力的动态施加和增删问题，本文认为较为有效的解决途径为：ANSYS的死活单元功能配合计算功能，以此开发出针对大型钢结构施工过程的力学分析方法。ANSYS由若干具备“杀死”功能和“激活”功能（即死活单元功能）的单元库构成，属大型有限元软件。

三、大跨度钢结构施工力学分析方法

如图1，为钢结构施工过程中新增单元与节点示意图。

在上图中，水平直线代表的是设计位置，虚线则代表的是钢结构安装过程中变形后位置，点划线代表新增构件。针对图1中所标示的三种情况，确定以下原则：第一，如新增构件与已有构件没有连接，则采取节点设计坐标为新的节点坐标。如图a，新节点o坐标则可以在已有构件JK延长线方向与设计长度|KL|进行计算，图b，JK属于结构中新增构件，不存在新增节点，其构件长度则可以通过变形后J与K节点长度进行确定。应用有限元软件，进行大跨度钢结构分析，其计算方法主要为：如新增构件与已有构件不存在连接，则可以应用设计坐标单元激活方式直接进行计算；如采取两节或三节为修正单位时，新增节点坐标则是应与设计位置重合；如新增单元向内合拢时，则新增节点坐标为设计位置没采取单元激活方法进行计算。以上是针对新增构件情况的研究，如进行边界变化情况、构件撤除等情况研究，则根据以上方法，应用有限元软件，可以获得其计算方法。通过这种方式，可以有效降低大跨度钢结构施工力学研究与分析的复杂性及难度，提高计算效率。

四、大跨度钢结构施工过程结构分析方法的实际应用（这部分可以写的再深入点吗）

屋架钢梁采取的是H150×8-254×4规格焊接工字钢，应用Φ30圆钢为下弦拉杆，对施工过程中内力与变形情况是进行跟踪研究与分析。其研究过程主要分为两部分，第一部分：对结构施加q=4kN/m均布荷载；结构出现内力与变形后增加圆钢拉杆；设置集中向下F=20kN荷载于钢架跨中；第二部分为：在不施工荷载情况下，组装钢架与圆钢拉杆；对结构施加q=4kN/m均布荷载，并设置集中向下F=20kN荷载于钢架跨中，去除F=20kN荷载，在均布荷载基础上拆除圆钢拉杆。通过对不同状态下钢结构位移与内力数据变化的分析，可以发现第一部分所采取的方法其外荷载小于第二部分，但其变形与内力变形却大于第二部分，说明圆钢拉杆可以有效控制结构在外荷载作用下产生大的变形。

结束语

在大型钢结构施工过程中，对钢结构施工的过程中其强度、刚度及稳定性存在着明确要求，进行钢结构施工力学全过程分析是实现钢结构施工安全可控的重要措施。本文在分析钢结构施工结构力学分析原理的基础上，对大跨度钢结构施工力学分析方法与大跨度钢结构施工过程结构分析方法的实际应用进行了分析。实践证明，应用有限元对结构施工进行力学分析是可行且有效的。

参考文献

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