大跨度空间钢结构的发展与现代施工技术应用分析
2019-06-18杨丽强
杨丽强
摘要：随着建筑需求的不断提升，建筑空间结构的结构体系逐步由小及大，大跨度钢结构技术应运而生。大跨度空间结构组成形成分为两类，空间网格结构和张力结构。结合信息网络技术的发展，大跨度空间钢结构承载力及结构体系强度等逐步发展，形成了以有限元分析法为主的空间施工模拟分析。结合大跨度空间钢结构施工方法发展的现状，以实际的工程案例为基础，对高空散装法、整体吊装法等进行介绍;针对性的分析了空间钢结构在施工技术中的力学应用原理，并以加蓬体育场为例，对大跨度钢结构施工过程中的受力分析进行了模拟分析，以期能够给大跨度钢结构的设计和施工作业提供一定的理论参考。
关键词：大跨度;钢结构;施工技术;应用;空间
引言
在建筑空间结构体系中，其主要是指以三维立体受力特性为主的作业形式，與传统的平面结构相比较，空间结构的承载力及稳定性有突出的优势。随着社会发展对于建筑空间结构的需求不断的提升，设计及施工技术的应用程度不断加大，使得空间结构体系的研究从未停止，尤其是基于大跨度空间钢结构体系，当建筑结构空间需求较大时，其三维受力结构的技术性优势就能够有效的体现出来了。大跨度空间结构的应用及技术要求应结合相应的计算机应用技术，结合结构造型及施工难度应合理应用受力分析技术和施工技术。
1 大跨度空间钢结构施工方法发展现状分析
1.1 高空散装法
以国家体育场“鸟巢”为例，利用建筑空间的优势，将杆件设备、或者相应的节点小单元的内容进行分析，结合施工设备就可完成一定施工难度的安装，并正常应用。高空散装法的施工技术要点主要可分为：首先需要结合施工的要求，合理的划分施工工序，减少施工过程中重复性工作带来的误差;其次应严格控制标高及垂直的高度，将设计的内容进行有效的调整分析;将验算的承载力及具体结构稳定性进行划分，实现基于支撑点为主的相应支座的有效分析。
1.2 分条分块吊装法
将钢结构的整体进行有效的划分，形成分条分块的吊装，主要的分条分块的形状以条状和块状为主，结合施工技术的应用，将相应的条块结构逐步的施工落位、进行有效拼装，整个的施工过程只需要起重设备和技术指挥人员即可，体现出的是施工简便性和经济性。在该方法应用过程中，应按照实际的情况进行加固措施的分析。如下图1-1 所示。
此施工方法中，典型的应用案例是上海浦东国际机场，其施工方法需要与其他的施工方法进行结合，例如整体吊装法和高空滑移法等。
1.3 整体吊装法
整体吊装法就是结合大型的起重设备，将大跨度空间钢结构在地面进行有效拼装，以整体的形式进行安全吊装，并在吊装到一定的高度后进行移位转动，选择好固定的安装位置，进行落位安装，整个过程中应注意的施工技术难点主要是：在高空进行移位的过程中，应以平衡性的交换为基础，多机抬吊同步控制。因此施工中应注意各机械吊装的同步性，保证结构整体的统一性。
1.4 高空滑移法
高空滑移主要是利用相应的轨道技术，在拼装的平台上对钢结构进行拼装，并结合相应的牵引设备，实现对整个结合端和拼装端有效的拼装与应用，同时在施工过程中，基础的土建施工可以交叉作业，节省使用的费用。高空滑移法的施工类型较多，可选择性强。高空滑移法主要有单条滑移法和逐条累积滑移法两种施工类型。
1.5 整体提升法
提升法和吊装法的应用区别主要是：前者是垂直方向进行吊起安装，在转移或者平动的过程中都应进行有效的安装设计。此外在整体结构提升到一定高度后，其可以按照相应的设计标高的位置进行安装，且施工过程中无需用到脚手架等设备，降低施工成本，具有经济性。整体提升法具有两个重要的特点，首先高空位置和拼装的位置要保持在同一水平面上，同时杆件应预留，实现整个结构的有效提升。
2 空间钢结构在施工技术中力学应用原理分析
2.1 变因素分析
2.1.1 结构几何构型的变化
在空间钢结构施工技术应用及空间几何变化的过程中，需要首先结合施工图纸进行预分析，对潜在的施工影响因素，能够进行掌控，且在施工的过程中进行微调，实现基于空间拼装安装原理的结构规模的逐渐过渡应用。结构几何的构型变化也会时刻随着整体结构的空间位置和施工进度的要求不同而产生一定的施工需求，因此结合现有的结构几何构型的变化因素，将空间钢结构的施工技术内容及理论进行合理化的分析，能够充分结合结构规模对局部的结构进行适应性的过渡，完善整体结构的几何构型。
2.1.2 结构体系的变化
引起大跨度空间钢结构体系变化的主要因素有两种。首先，在施工过程中按照相关的施工步骤的要求，对整体结构中的零部件进行有效的安装，在安装的过程中应根据实际的安装位置进行有效组装，但是部件在有效的安装过程中会因为整体性的施工步骤的原因导致整个施工过程不够完整，另外呈现出的不完整的结构体系，在逐渐变化的过程中会产生相应的安装要求的变化，这种变化是与起初的设计内容背道而驰的，常常会因为整体架设临时结构实现支撑体系的完整性，从而凸显的是整个建筑结构的稳定与安全。
另外，大跨度空间钢结构体积庞大且需要在施工过程中临时搭设相关的支撑结构体系，因此在关键的施工过程中，应充分的结合临时结构的主体位置的变化，使得支撑体系与结构的主体共同作用，产生相互的作用力，形成有效的稳定状态，并充分的结合现有结构的稳定性，对整个施工结构的整体进行承载力的预算，需要拆除临时支撑体系的部分，应根据实际设计的需求，按照施工模拟的相关需求进行有效的拆除作业。在整体结构体系的变化过程中，应充分的结合施工模拟的过程，将结构体系的转换形式及转换的渠道进行适应性的分析，并按照有效的重力结构分布，将产生的位移变化进行跟踪记录，确保结构体系的变化在施工过程中逐步减小。
2.1.3 荷载效应变化
在大跨度空间结构施工过程中，钢结构体系除了受到自身的重力外，还要承担相应的活荷载，主要涉及到的活荷载的类型有风荷载、温度荷载、施工过程中的荷载等，其整体的结构施工内容及施工的有效性主要体现在以下几个方面：结构自重在随着构建的安装，实现逐步增大的过程，且增减量的大小应充分的结合荷载效应的变化持续进行，同时整体性的结构内容及结构的有效性都应按照设计的规范进行;此外活荷载中的施工人员的重力荷载和相应的施工设备在施工过程中产生的荷载是随着施工位置的变化而变化的;另外，在施工过程中的温度变化是影响整个大跨度空间钢结构构件尺寸的重要内容，进而影响到整个体系的安装精确度和形状的变化。
2.1.4 边界条件变化
钢结构的位置变化、施工过程种的构件数量的变化及相应约束形式的变化都会对整个的边界条件的變化产生一定的条件。施工过程中的边界条件和相应的施工安装顺序都会对整个结构力的作用产生重要的影响，因此如何有效的结合施工内容，从处理好施工过程中的边界及安装的问题开始分析，需要结合模拟施工的过程进行，因此修改边界约束需要结合施工方法进行有效的修正。
2.2 施工过程结构计算理论
结构计算理论是大跨度空间钢结构施工设计过程中必须涉及到的相关内容，例如以板、柱结构为例，作为整体的刚性结构，由于其本身具有一定的刚度，因此不需要施加相应的预应力，刚性结构可以有效的承载相应的施工荷载;此外，在刚性结构计算理论实施的过程中，应满足以下几个条件：首先，应对结构应用的尺寸和相应的结构内容进行分析;其次钢结构在施工过程中会发生较小的变形，因此可忽略不计;整个的施工过程中，结构理论的内容主要以线弹性理论为主。根据有限元原理，将每一个大型结构进行有效的拆分，形成有限元结构，其中每一个有限元结构的基本方程可表示为：
施工阶段一：[K1]{U1}={P1} （1）
内力：[N1]=[k1][A1]{U1} （2）
施工阶段二：[K2]{U2}={P2} （3）
内力：[N2]=[k2][A2]{U2} （4）
由此类推，施工的第n阶段中，（[K1]+[K2]+...+[Kn]）{Un}={Pn} （5）;
内力：[Nn]=[Kn][An]{Un} （6）
以上公式中，[Ki]为总刚度矩阵;[ki]为未完成的刚度矩阵;{Ui}为未完成阶段的位置量;[Pi]＼*MERGEFORMAT为实施阶段的结构点量;[Ai]为非完整结构的几何矩阵;[Ni]为完成阶段的杆件受内力量。
结合施工的具体情况，在有限元的计算过程中，应用到较多的方法仍然是生死单元法，在施工过程中，施工单元的所有涉及到的单元内容并不是完全删除的，其可以有效的借助相应结构体系有效分析施工过程中的相关理论内容，并进行合理化的分析与实践。
2.3MIDAS软件施工过程分析原理
MIDAS软件在建筑施工领域中的应用越来越广泛，其能够根据建模和相应的数据分析及处理能力，将施工过程中的相关模拟状态进行全真性的模拟，在相应的建筑状态变量的有效叠加的状态下，应根据有效的一次性建模的方法，将整体性的数据模拟理论进行有效分析，对每一个施工阶段进行“杀死”和“激活”，随后进行施工技術的层层叠加，进而保证施工工况的有效完成。
3 钢结构施工过程受力模拟分析——以加蓬体育场为例
3.1 工程概况
2012 年“非洲杯”足球开幕式的主会场在加蓬体育场举办，该建筑体由现浇混凝土框架结构组成，分为主要的四部分的钢结构罩棚，罩棚中的钢结构体系为主要的研究对象。其结构组成主要有拱形主钢架、外圈环形钢桁架和V型钢柱组成，加蓬体育场的总体效果图如下图3-1 所示。
3.2 结构特点
拱形主钢架结构为正三角形的空间桁架结构，且罩棚的面积可达10000m?，西看台主钢架结构的截面尺寸中，截面高度由3m渐变至8m，且西看台的钢架结构的拱跨度达到相应的316m。如下图3-2 西看台铸钢架界面尺寸图所示。
外圈环形钢桁架空间结构为正三角形，截面高度以空间投影为参照，由2m逐渐的演变成为3m，整个空间结构的截面变化以外圈的桁架结构为主体，形成了参数型的结构体系，从而在对外圈钢桁架的两端结构进行圆管贯通焊接的过程中，应充分的结合截面的规格尺寸，对整体的结构体系进行有效划分，以环形桁架截面规格体系中的上弦架、下弦架和中腹杆及下弦腹杆为主要的参照结构，以东看台的环形桁架和西看台的环形桁架结构为主要的分析对象，对其尺寸和规格（见表3-1）进行有效的分析，形成了截面的整体性及规格的可适应性的变化。外圈桁架钢结构的整体截面高度都以渐变为主，形成有效的截面空间体。
3.3 钢结构施工流程
支撑胎架应以主钢架正投影的方位进行有效架设，且截面的规格以1.2m×1.2m为标准，使得跨中的最大支撑高度为12m;采用散装发安装相应的支架，先进行弦杆安装，后对腹杆进行安装，整个的安装过程应以下弦杆的最长和腹杆的最长来分析;首先应安装跨中的弦杆和腹杆，求安装的整体顺序由中间向两端延伸;其次应对加固的杆件进行加固，主钢架首先进行提升，提升的距离为150m，这个阶段的提升只是作为预提升进行分析，在相应的提升段，应将整个的张拉防风缆风绳进行分析，将拆除的相应下部分的结构体系进行两侧安装，并有效的结合悬挑段的结构体系对整个下弦结构和中腹杆结构进行有效的规划与分析。
3.4 钢结构提升全过程模拟分析
3.4.1 位移分析结果：施工阶段一中，结合散装法，对胎架进行有效的安装，同时对杆件进行持续性的加固，结合主钢架下方的支撑点，要确保整个施工过程中支撑点的约束位移的位置，位移的方向可以根据空间中的X、Y、Z三个不同的方向进行分析，其中最大的位移量为7.09mm。在施工阶段2 中，对主钢架进行整体性的提升，模拟提升钢绞线对整个提升过程中的相关约束力的约束，实现最大位移量为109mm。在施工阶段3 中，主钢架形成了第二段的有效提升，整个提升过程中以第二次的提升得到相应的主钢架的综合性位移，最大位移量为157.65mm，主钢架的跨中位移量为31.9mm，且整体性的位移量为仅为施工阶段2 中的30.1%。由此部分数据可以说明，整个的结构的最大位移量发生了较大的变化;在施工阶段4 中，胎架上的散件拼装的过程也是整体结构提升的过程，根据各支撑点的约束情况，每一部门的约束力的方向都是不同的，位移数量与施工阶段3 的基本一致。
3.4.2 杆件承载力分析结果：从杆件的承载力结果数据进行相应分析，其环形桁架的最大拉应力为119.32MPa，且其最大的压力值为161.77MPa，在结合现有的环形钢架提升点中，对于处于自重条件下的相应弯矩值应进行有效的分析，从而满足杆件稳定性计算结果的需求。
4 结论及展望
综上，在针对大跨度空间结构的发展进行理论性阐述的过程中，应结合实际的案例进行结构构件的安装规范的分析，在对大跨度空间的钢结构的荷载值计算的过程中，不仅要计算其自重的荷载模拟值，应对其风荷载、温度荷载和对应的结构荷载进行有效分析，从而对整个的模型进一步的细化作业，使得杆件的类型及支座的定义等都能够符合结构状态。此外，还要做好数据的监控与分析。
参考文献
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