关于土木工程施工中的钢结构技术分析

2014-12-04俞英娜

建筑设计管理 2014年9期

俞英娜

（兰州石化职业技术学院土木工程系，兰州 730060）

0 引言

随着社会经济水平的不断提高，我国建筑行业迎来了良好的发展契机。相较发达国家而言，我国建筑中钢结构的应用尚处于起步阶段，然而随着高层以及超高层建筑的迅速发展，钢结构技术在建筑领域表现出了良好的应用前景[1]。本文将针对钢结构技术在土木工程之中的运用进行系统而深入的探讨。

1 土木工程施工中运用钢结构技术的优点

钢结构技术的优点主要体现在以下几个方面：1）钢材具有理想的抗压性。钢结构体也继承了钢筋优异性质，因而其表现出了理想的抗压性。在土木工程中，钢结构体的理想抗压性，将会显著提高建筑物整体结构的牢固性以及稳定性。2）钢结构技术具有理想的安全性。在土木工程建设中，合理运用钢结构技术，可以大幅改善裂痕以及沉降等诸多不良问题[2]，为工程质量提供有力保障，从而提高建筑物的安全系数。3）钢结构技术具有理想的经济性。钢结构技术有效规避了混凝土施工的诸多缺点，具有理想的经济性。

2 土木工程中钢结构施工的要点

整体而言，钢结构施工具有一定的复杂性，另外当建筑要求存在差异时，其在细节上也会表现出一定的不同。

2.1 钢结构的选材和连接

钢材有四大类，分别是：1）板材；2）型材；3）金属制品；4）管材。在土木工程建设中，普通碳素钢的应用最为广泛，由于塑性低，因而其表现出了优质的硬度以及强度特性。在钢结构中，最为常见的柱子截面形式有3种，分别是箱形、“工”字形以及“十”字形。对于梁通而言，其一般使用“H”型钢梁，除此之外，复合截面也属于一种常见形式[3]，在正式安装之前，应以关键焊接接头为目标对象，予以焊接试验，从而保证相关参数的合理性。梁梁连接以及梁柱连接，主要借助焊接或者高强螺栓连接两种方式予以实现，如果采用第二种连接方式，应对高强螺栓进行校验，使其具有足够精度的连接孔位。

2.2 钢构件的堆放以及机械安装地点的选择

安装结构时，实际用地面积一般情况要远远大于结构占地面积。严格按照安装流程操作。假若受运输因素影响而出现了某种程度的构件变形，则有必要在施工现场予以矫正，使其合格。对钢结构进行安装时，绝大多数情况下需要借助塔式起重机进行操作，不仅要保证臂杆长度符合要求，而且要求起重能力能够满足实际需要，总而言之，应尽最大努力提供和保证不同构件所需要的不同起吊要求。钢丝绳在长度和强度上应满足要求；保证起吊速度的合理性，不可过快，防止发生意外。如果是多机协同作业，那么确保臂杆高差能够满足实际要求，减少甚至避免碰撞，从而保证施工安全。

2.3 钢结构油漆工艺的流程

首先对金属表面进行有效清理，然后予以除锈操作。如果采用手工处理方式，先用钢丝进行多次刷打，然后借助精砂布予以反复打磨，从而使其表面干净、平滑，接下来使用棉纱将上述工序产生的锈粉等杂物清除干净。在涂漆操作之前，应使金属表面具有足够的干燥度，假若有水，则需要及时将其擦干。在涂漆操作时，不仅要刷细，而且要刷满，同时还应涂刷到位，除此之外，还应做好铆孔保护工作，不让涂料污染铆孔。等到防锈漆彻底干燥之后，使用合适规格的腻子对钢构件表面存在的缺陷进行刮平处理。可在腻子中掺入一定量的红丹粉等，提高其干硬性。在腻子干燥之后，予以打磨操作，使其平整，然后进行彻底清理。进行涂面漆涂刷时，应多理多刷，同时保证油具有良好的外观形态，不仅要不流不坠，而且要饱满均匀，同时还应色泽光亮一致，涂刷完成之后，应予以认真检查，避免漏刷的发生。

3案例分析——以索穹顶钢结构为例

以索穹顶结构为目标对象，探讨大跨空间钢结构施工所应用到的创新技术。

3.1 索穹顶塔架提升索杆累积安装方法

索穹顶属于一种较为典型的张力结构，主要组成包括：1）环索；2）斜索；3）脊索；4）压杆；5）内拉环；6）外压环。对于索穹顶塔架提升索杆累积安装方法而言，其涉及3个关键阶段，一是低空组装，二是空中牵引提升，三是高空张拉，具体施工过程包括：1）于场地中心位置搭建一提升塔架，并使其稍高于索穹顶中心点设计高度，于地面上完成脊索网以及中心受拉环的相关组装（如图1a所示）。2）于塔架顶位置安装一多点提升装置以实现对中心受拉环的上下提升，与此同时，在受压外环梁位置安装一牵引装置以实现对脊索网的斜向牵引（如图1b所示）。3）对脊索网与中心受拉环二者做牵引操作或者提升操作时，应于离地面较近位置设置和安装各环对应的环索以及压杆，并进行斜索部分的扩展安装，并保证前后操作顺序的合理性（如图1c所示）[4]。4）待提升抵达设计位置后，接下来需要以最外环斜索为目标对象，行有效张拉，从而使结构成型（如图1d所示）。5）对提升塔架进行分段拆除（如图1e所示）。

图1索穹顶塔架提升索杆累积安装施工过程示意

上述施工方法的优势在于：借助提升塔架以及相关牵引设备，对中心拉力环等予以有效提升，能够较为精准地调整中心拉力环所对应的具体高度，使得脊索牵引无论在距离上还是在牵引力上均有一定幅度的减小。如此一来，可以大幅降低脊索施工难度系数，在距离地面较近位置完成包括压杆、环索、斜索等在内的安装，可以大幅精简安装内容和步骤，大幅减少高空作业量，从而提高施工安全系数；仅仅对最外环斜索结构进行主动张拉，从而结构成型，保证了张拉效率。

3.2 确定索杆系静力平衡状态的非线性动力有限元法

索杆系施工虽然带有明显的动态过程特点，然而选择某时间予以研究，索杆系可被视作处于静力平衡状态。所以，可对其施工过程予以科学划分，使其成为数个静力平衡态，并予以找形分析。

确定索杆系静力平衡态的非线性动力有限元法（NDFEM），即以非线性动力有限元为基础，适当引入和应用虚拟惯性力以及黏滞阻尼力，构建对应的运动方程，对难度较大的静力求解问题进行转换，使其成为较为简单的动力问题，并借助对索杆系位形的迭代更新处理，如此一来，实现了对索杆系动力平衡状态的有机转化，使其成为一种静力平衡状态。

NDFEM找形分析的关键之处在于两点，一个是非线性动力平衡迭代，另一个关键则在于位形更新迭代，其设计的一般程序如下：1）设计并制作一个所谓的初始有限元模型。2）在非线性动力有限元分析法的帮助下展开相应分析，待总动能逐渐升高且达到上限时，对该模型予以必要更新，然后加以系统的动力分析，直至达到位形迭代收敛效果为止。3）前两个步骤获得的有限元模型展开系统的非线性静力分析，与此同时，基于静力平衡状态展开相应的检验。4）对最终结果进行有效提取以及分析。

NDFEM法找形分析，实现了对难度系数颇高的静力平衡有限元分析的有效转化，使其成为一种相对简单的平衡动力学分析，与此同时，通过迭代以实现位形更新，从而使索杆系状态处于一种高度的静力平衡状态，这样做能够解决超大位移中将要面临的索杆找形问题。允许将结构设计为成型状态所对应的位形，然后将之当作所谓的初始位形，这样做一方面不需要索杆运动轨迹进行假定，另一方面不需要对无限接近平衡点所对应的初始位移进行假定[5]，不仅如此，还充分保证了结构整体的稳定性以及高效性。

3.3 工程应用

“索穹顶塔架提升索杆累积安装方法”以及“确定索杆系静力平衡状态的非线性动力有限元法”，目前已经在无锡新区科技交流中心的索穹顶工程中得以成功应用。该索穹顶结构，主要包括三大部分，一是中心受拉钢环，二是外受压钢环，三是三环Geiger型索杆系，所选用的材料主要为铝板以及玻璃，并由二者构成一个具有理想刚性的屋面，在提升牵引总高度方面，将其定为21.55 m。

在该索穹顶工程施工中，其具体跨度由于没有超过一定标准，所以，没有为之配套安装中心提升塔架，而是借助斜向提升索予以实现，该斜向牵引索位于外环压梁、外环脊索二者之间，提升索、牵引索有机配合，在低空通过累积安装方式设置好斜索、撑杆，整个脊索网按照“ω”形予以分步骤地提升以及牵引，并使之就位，最后环节，对最外环斜索展开同步张拉操作，从而让整个结构最终成型。采用NDFEM法找形分析得到的施工过程位形如图2所示，现场施工过程如图3所示。