大跨度拱形轻钢结构设计与施工技术分析

喻哲

（广东省城市建设高级技工学校　广东　广州　510520）

大跨度拱形轻钢结构设计与施工技术分析

喻哲

（广东省城市建设高级技工学校广东广州510520）

随着大型社会文化体育活动的举办和国家经济的飞速发展，社会对大跨度空间的需求越来越多，在此社会背景下，大跨度建筑结构的建造技术得到了快速的提高和发展。由于大跨度建筑结构形式是大跨度建筑结构建造技术的核心之一，所以近年来，国内外学者为提高结构的经济性能和跨越能力，提出了多种新型的大跨度建筑结构形式，如索穹顶结构、张弦结构体系、斜拉结构、索膜结构、拱支结构等。本文针对其中的拱支结构体系，对其进行了系统的分析，并做出了一定程度上的总结。

大跨度；轻钢结构；设计分析

引言

近年来，轻钢结构不断的发展，并向大跨度挑战，足以表明我国的钢结构设计与技术都在不断的提高，已经接近或者可以说是达到发达国家技术水平。如今，人们普遍把30m跨度认为是轻钢结构门式钢架的极限跨度，超过30m的建筑一般采用网架空间结构。由于国内没有可靠的设计软件以及先进的数控下料设备，所以我国大跨度轻钢结构的发展受到了很严重的制约。随着经济的发展和对外交流的密切，经过向发达国家学习先进的钢结构设计与制作安装技术，我国刚结构设计与制作安装技术得到了很大的提高。

1　大跨度拱形轻钢结构的设计依据和设计分析

沈阳华发水上娱乐中心是集娱乐、商业、餐饮于一体的综合性建筑，总建筑面积32000m2，地下一层，地上两层，建筑总高度23.8m。其独具一格的弧形屋顶将成为沈阳市的一大景观。建筑框架均为钢筋混凝土结构，屋盖为轻钢结构，是一个标准的大跨度轻钢拱形结构。图1是结构的示意图。

图1　沈阳华发水上娱乐中心示意图

如图1所示，在进行该工程项目的整体设计中，该工程项目主要采用大跨度拱形钢结构桁架结构形式进行设计实现的。对于该结构形式的设计依据与大跨度拱形钢结构桁架设计过程中的各种力学计算，对于该结构形式进行分析和论述。本工程按设备和工艺的要求，土建结构可以设计成长方形的平面，屋面为椭圆形拱形屋面，土建结构可以采用钢筋混凝土与钢架结合，这样既可以保证结构整体的可靠度也可以满足结构对空间和视觉上的需求。

1.1大跨度拱形轻钢结构的设计依据

在进行沈阳华发水上娱乐中心工程的屋盖设计中，在进行屋盖结构的应力荷载设计和所需要的钢管设计时，应力荷载的计算依据是根据相关的规范标准和相关的计算进行设计，此外，在进行该屋盖结构的设计中，还应该结合屋盖结构工程项目所在地区的地震作用于环境情况等，并根据《混凝土结构设计规范》和《钢结构设计规范》的规范标准与相关要求进行设计。其次，在进行该工程的设计时，是应用了专门的钢结构强度与整体稳定性分析与校核、计算机结构设计应用软件、结构体型系数模拟分析与校核软件等。在对屋盖体系的结构作用参数设置情况下，通过对结构体型系数进行模拟分析，实现对于大跨度结构拱形钢结构的设计要求。

由于在活再和恒载的作用下，拱桁架的拱脚处会产生一定的水平推力，由于桩基础在抵抗水平力的能力下是有限的，所以在拱脚处设置相应的预应力基础梁来进行平衡水平推力带来的阻力，施加的预应力和拱桁架形成一个自平衡体系，从而抵消来自水平推力带来的部分挤压。在结构起拱的部位要设置一定的支架，支架的卸载应遵循将内里快速安全的传递给永久结构，并且保证承重支架及结构在卸载过程中的变形合理。在钢结构安装完成后，先对预应力基础梁内的拉锁进行初张拉、二次张拉、对称卸载支架等工序。

1.2大跨度拱形钢结构的设计分析

在进行该项目的屋盖结构设计中，首先要选择工程的屋盖形式，然后再进行施工设计，在施工设计过程中，不仅对于建筑形式的要求要高一些，并且对于建筑项目的室内空间需求也要大一些。为了满足工程项目的大空间需求，同时也要保证建筑屋盖结构部分的应力荷载与质量等，通过结合工程项目的施工设计要求和特点，在进行施工设计的过程中要采用专门的大跨度拱形钢结构桁架进行屋盖部分的设计应用，能够提高结构的利用率，同时满足人们对结构的外观和质量安全的要求。

在进行该项目的屋盖设计过程中，由于屋盖结构的跨度比较大，为了保证该跨度范围下屋盖结构的质量和荷载强度，需要采用专门的桁架结构形式进行屋盖结构的施工设计。在钢桁架的结构设计中，没榀桁架的腹管、主弦管以及支管等都采用统一厚度的低合金高强度结构的无缝钢管，但是直径是不相同的。作为钢桁架结构的材料，其连接一般采用全焊接实现连接，这样可以保证结构的质量与安全。其次，在进行大跨度拱形钢结构桁架屋盖结构的设计中，要满足结构材料与强度等方面进行结构形式的强度和荷载质量保证外，还要满足结构的风敏感性以及荷载情况等进行考虑与计算分析，这样才能实现对于大跨度钢结构桁架的质量保证。结合该工程大跨度拱形钢结构桁架屋盖结构形式的主要设计因素，在进行该工程结构形式的最终确定与选择中，要结合结构的抗风能力与结构经济性两个重要的方面，确定最终的结构形式。

2　大跨度拱形轻钢结构桁架的吊装施工设计分析

在进行沈阳华发水上娱乐中心项目的大跨度拱形钢结构桁架屋盖体系的施工建设的时候，为了更好的保证该工程结构的质量又便于施工，通常采用吊装方式进行施工建设，在进行工程建设施工中，一般采用的吊装施工方法主要有高空滑移吊装施工法和双机台吊施工法以及整体提升或顶吊装方法。由于工程的施工建设受到施工场地的空间限制，在进行上述施工工程时，施工项目的建设中不能够保证工程项目的一侧能进行大型吊机的行走施工，因此，该工程在施工建设时不能采用双抬吊吊装施工方法进行应用施工。其次，由于该体系结构中的桁架管平面尺寸大小不一，但是该工程结构的基础部分为混凝土支墩形式，所以，在进行该结构的吊装过程中，应该使用高空滑移的吊装施工方发进行应用施工，在此过程中的施工难度会比较大，施工的空间局限性也比较大。最后，由于该结构屋盖结构周边的支撑点比较少，屋盖结构也比较复杂，所以对工程施工建设的设备的要求较高，支出的费用也很大，所以顶升吊装施工方式和整体抬升施工方式也不太适合上诉结构的建设施工应用。所以在此工程结构的施工建设中，要充分利用技术的优缺点，采用各种技术相结合的方式，从而达到设计的需要，降低造价，实现对大跨度轻钢结构的要求。

3　在进行该结构屋盖结构时的施工方法与技术分析

对于进行该工程的施工应用建设过程中，为了便于施工的开展，同时保证工程项目的屋盖结构的施工质量，要结合上诉吊装施工的分析和该施工工程屋盖结构的优缺点，研究出一种比较合理的施工方法，采用三段式综合安装施工工艺进行该工程项目中屋盖结构的应用施工。三段式综合安装施工工艺其实是指将屋盖体系结构中的桁架端部的两个变断在地面胎架上采用地面拼装与吊装的施工方式拼装起来，然后通过履带吊装设备将桁架的两个边段安装固定，然后吊装到施工结构位置处，最后对结构屋盖桁架的中间段在高空搭设脚手架，这样才能保证以两端对称向中间的方式进行高空散装，实现在中部合拢。

在进行该工程项目屋盖结构的的施工建设中应用三段式综合施工工艺时，应该注意以下施工中的重点和难点：①在进行屋盖结构桁架的高空拼装时，需要在楼面上放出拼装的各控制点的尺寸，运用经纬仪引导胎架来实现屋盖结构中的桁架在台架上的高空拼装的施工工序。由于该桁架的净空较高，进行拼装施工的桁架跨度也比较大，所以在进行测量控制时会遇到很多的困难。②由于屋盖桁架的投影是一个梭形，但是桁架的横截面尺寸是一个变量，在进行桁架的拼接过程的施工中，需要从两个方向进行同时控制上弦杆的各个定位点，同时进行桁架的侧弯高度和拱形高度的控制。③在该工程中，当上弦杆真正成形后表现出两个不同半径的圆柱面相贯线，并且，在屋盖的结构中桁架弦杆和腹杆之间又是相贯连接的，因此，对于桁架腹杆与桁架弦管相贯线切割情况的好坏，直接影响屋盖桁架现场拼接的质量。

4　结束语

随着设计水平的不断提升和施工技术的迅速发展，在工程的施工建设中，大跨度拱形轻钢结构桁架形式的应用也越来越广泛。因为在大空间、大跨度的建筑结构中，拱形桁架能实现结构在技术和应用上的要求，结合桁架结构的设计与分析，有利于提高结构应用的水平，保证设计的质量，促进结构在施工中的应用，从而促进建筑业的发展。在现代社会中，大跨度轻钢拱形结构技术会更加的完善，或许在不久的将来，大跨度拱形轻钢结构会随处可见，人们对建筑的利用率也越来越高。

[1]刘志强.济南站无站台柱雨棚大跨度拱形空间钢管桁架施工技术[J].铁道标准设计，2008（08）.

[2]金振，程勤功，毕庆槐.大跨度变截面拱形立体管桁架施工技术[J].建筑技术，2008（08）.

[3]《钢结构设计规范》（GBJ17-88）.1998.

[4]《建筑钢结构焊接规程》（JGJ81-91）.1991.

[5]李国强，王彦博，陈素文，等.Q460高强度钢焊接H型柱轴心受压极限承载力参数分析[J].建筑结构进展，2013，15（5）：8～13.

TU391

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1673-0038（2015）21-0005-02

2015-5-2