大跨度拱形輕鋼結構設計與施工技術分析

喻哲

（廣東省城市建設高級技工學校　廣東　廣州　510520）

大跨度拱形輕鋼結構設計與施工技術分析

喻哲

（廣東省城市建設高級技工學校廣東廣州510520）

隨著大型社會文化體育活動的舉辦和國家經濟的飛速發展，社會對大跨度空間的需求越來越多，在此社會背景下，大跨度建筑結構的建造技術得到了快速的提高和發展。由于大跨度建筑結構形式是大跨度建筑結構建造技術的核心之一，所以近年來，國內外學者為提高結構的經濟性能和跨越能力，提出了多種新型的大跨度建筑結構形式，如索穹頂結構、張弦結構體系、斜拉結構、索膜結構、拱支結構等。本文針對其中的拱支結構體系，對其進行了系統的分析，并做出了一定程度上的總結。

大跨度；輕鋼結構；設計分析

引言

近年來，輕鋼結構不斷的發展，并向大跨度挑戰，足以表明我國的鋼結構設計與技術都在不斷的提高，已經接近或者可以說是達到發達國家技術水平。如今，人們普遍把30m跨度認為是輕鋼結構門式鋼架的極限跨度，超過30m的建筑一般采用網架空間結構。由于國內沒有可靠的設計軟件以及先進的數控下料設備，所以我國大跨度輕鋼結構的發展受到了很嚴重的制約。隨著經濟的發展和對外交流的密切，經過向發達國家學習先進的鋼結構設計與制作安裝技術，我國剛結構設計與制作安裝技術得到了很大的提高。

1　大跨度拱形輕鋼結構的設計依據和設計分析

沈陽華發水上娛樂中心是集娛樂、商業、餐飲于一體的綜合性建筑，總建筑面積32000m2，地下一層，地上兩層，建筑總高度23.8m。其獨具一格的弧形屋頂將成為沈陽市的一大景觀。建筑框架均為鋼筋混凝土結構，屋蓋為輕鋼結構，是一個標準的大跨度輕鋼拱形結構。圖1是結構的示意圖。

圖1　沈陽華發水上娛樂中心示意圖

如圖1所示，在進行該工程項目的整體設計中，該工程項目主要采用大跨度拱形鋼結構桁架結構形式進行設計實現的。對于該結構形式的設計依據與大跨度拱形鋼結構桁架設計過程中的各種力學計算，對于該結構形式進行分析和論述。本工程按設備和工藝的要求，土建結構可以設計成長方形的平面，屋面為橢圓形拱形屋面，土建結構可以采用鋼筋混凝土與鋼架結合，這樣既可以保證結構整體的可靠度也可以滿足結構對空間和視覺上的需求。

1.1大跨度拱形輕鋼結構的設計依據

在進行沈陽華發水上娛樂中心工程的屋蓋設計中，在進行屋蓋結構的應力荷載設計和所需要的鋼管設計時，應力荷載的計算依據是根據相關的規范標準和相關的計算進行設計，此外，在進行該屋蓋結構的設計中，還應該結合屋蓋結構工程項目所在地區的地震作用于環境情況等，并根據《混凝土結構設計規范》和《鋼結構設計規范》的規范標準與相關要求進行設計。其次，在進行該工程的設計時，是應用了專門的鋼結構強度與整體穩定性分析與校核、計算機結構設計應用軟件、結構體型系數模擬分析與校核軟件等。在對屋蓋體系的結構作用參數設置情況下，通過對結構體型系數進行模擬分析，實現對于大跨度結構拱形鋼結構的設計要求。

由于在活再和恒載的作用下，拱桁架的拱腳處會產生一定的水平推力，由于樁基礎在抵抗水平力的能力下是有限的，所以在拱腳處設置相應的預應力基礎梁來進行平衡水平推力帶來的阻力，施加的預應力和拱桁架形成一個自平衡體系，從而抵消來自水平推力帶來的部分擠壓。在結構起拱的部位要設置一定的支架，支架的卸載應遵循將內里快速安全的傳遞給永久結構，并且保證承重支架及結構在卸載過程中的變形合理。在鋼結構安裝完成后，先對預應力基礎梁內的拉鎖進行初張拉、二次張拉、對稱卸載支架等工序。

1.2大跨度拱形鋼結構的設計分析

在進行該項目的屋蓋結構設計中，首先要選擇工程的屋蓋形式，然后再進行施工設計，在施工設計過程中，不僅對于建筑形式的要求要高一些，并且對于建筑項目的室內空間需求也要大一些。為了滿足工程項目的大空間需求，同時也要保證建筑屋蓋結構部分的應力荷載與質量等，通過結合工程項目的施工設計要求和特點，在進行施工設計的過程中要采用專門的大跨度拱形鋼結構桁架進行屋蓋部分的設計應用，能夠提高結構的利用率，同時滿足人們對結構的外觀和質量安全的要求。

在進行該項目的屋蓋設計過程中，由于屋蓋結構的跨度比較大，為了保證該跨度范圍下屋蓋結構的質量和荷載強度，需要采用專門的桁架結構形式進行屋蓋結構的施工設計。在鋼桁架的結構設計中，沒榀桁架的腹管、主弦管以及支管等都采用統一厚度的低合金高強度結構的無縫鋼管，但是直徑是不相同的。作為鋼桁架結構的材料，其連接一般采用全焊接實現連接，這樣可以保證結構的質量與安全。其次，在進行大跨度拱形鋼結構桁架屋蓋結構的設計中，要滿足結構材料與強度等方面進行結構形式的強度和荷載質量保證外，還要滿足結構的風敏感性以及荷載情況等進行考慮與計算分析，這樣才能實現對于大跨度鋼結構桁架的質量保證。結合該工程大跨度拱形鋼結構桁架屋蓋結構形式的主要設計因素，在進行該工程結構形式的最終確定與選擇中，要結合結構的抗風能力與結構經濟性兩個重要的方面，確定最終的結構形式。

2　大跨度拱形輕鋼結構桁架的吊裝施工設計分析

在進行沈陽華發水上娛樂中心項目的大跨度拱形鋼結構桁架屋蓋體系的施工建設的時候，為了更好的保證該工程結構的質量又便于施工，通常采用吊裝方式進行施工建設，在進行工程建設施工中，一般采用的吊裝施工方法主要有高空滑移吊裝施工法和雙機臺吊施工法以及整體提升或頂吊裝方法。由于工程的施工建設受到施工場地的空間限制，在進行上述施工工程時，施工項目的建設中不能夠保證工程項目的一側能進行大型吊機的行走施工，因此，該工程在施工建設時不能采用雙抬吊吊裝施工方法進行應用施工。其次，由于該體系結構中的桁架管平面尺寸大小不一，但是該工程結構的基礎部分為混凝土支墩形式，所以，在進行該結構的吊裝過程中，應該使用高空滑移的吊裝施工方發進行應用施工，在此過程中的施工難度會比較大，施工的空間局限性也比較大。最后，由于該結構屋蓋結構周邊的支撐點比較少，屋蓋結構也比較復雜，所以對工程施工建設的設備的要求較高，支出的費用也很大，所以頂升吊裝施工方式和整體抬升施工方式也不太適合上訴結構的建設施工應用。所以在此工程結構的施工建設中，要充分利用技術的優缺點，采用各種技術相結合的方式，從而達到設計的需要，降低造價，實現對大跨度輕鋼結構的要求。

3　在進行該結構屋蓋結構時的施工方法與技術分析

對于進行該工程的施工應用建設過程中，為了便于施工的開展，同時保證工程項目的屋蓋結構的施工質量，要結合上訴吊裝施工的分析和該施工工程屋蓋結構的優缺點，研究出一種比較合理的施工方法，采用三段式綜合安裝施工工藝進行該工程項目中屋蓋結構的應用施工。三段式綜合安裝施工工藝其實是指將屋蓋體系結構中的桁架端部的兩個變斷在地面胎架上采用地面拼裝與吊裝的施工方式拼裝起來，然后通過履帶吊裝設備將桁架的兩個邊段安裝固定，然后吊裝到施工結構位置處，最后對結構屋蓋桁架的中間段在高空搭設腳手架，這樣才能保證以兩端對稱向中間的方式進行高空散裝，實現在中部合攏。

在進行該工程項目屋蓋結構的的施工建設中應用三段式綜合施工工藝時，應該注意以下施工中的重點和難點：①在進行屋蓋結構桁架的高空拼裝時，需要在樓面上放出拼裝的各控制點的尺寸，運用經緯儀引導胎架來實現屋蓋結構中的桁架在臺架上的高空拼裝的施工工序。由于該桁架的凈空較高，進行拼裝施工的桁架跨度也比較大，所以在進行測量控制時會遇到很多的困難。②由于屋蓋桁架的投影是一個梭形，但是桁架的橫截面尺寸是一個變量，在進行桁架的拼接過程的施工中，需要從兩個方向進行同時控制上弦桿的各個定位點，同時進行桁架的側彎高度和拱形高度的控制。③在該工程中，當上弦桿真正成形后表現出兩個不同半徑的圓柱面相貫線，并且，在屋蓋的結構中桁架弦桿和腹桿之間又是相貫連接的，因此，對于桁架腹桿與桁架弦管相貫線切割情況的好壞，直接影響屋蓋桁架現場拼接的質量。

4　結束語

隨著設計水平的不斷提升和施工技術的迅速發展，在工程的施工建設中，大跨度拱形輕鋼結構桁架形式的應用也越來越廣泛。因為在大空間、大跨度的建筑結構中，拱形桁架能實現結構在技術和應用上的要求，結合桁架結構的設計與分析，有利于提高結構應用的水平，保證設計的質量，促進結構在施工中的應用，從而促進建筑業的發展。在現代社會中，大跨度輕鋼拱形結構技術會更加的完善，或許在不久的將來，大跨度拱形輕鋼結構會隨處可見，人們對建筑的利用率也越來越高。

[1]劉志強.濟南站無站臺柱雨棚大跨度拱形空間鋼管桁架施工技術[J].鐵道標準設計，2008（08）.

[2]金振，程勤功，畢慶槐.大跨度變截面拱形立體管桁架施工技術[J].建筑技術，2008（08）.

[3]《鋼結構設計規范》（GBJ17-88）.1998.

[4]《建筑鋼結構焊接規程》（JGJ81-91）.1991.

[5]李國強，王彥博，陳素文，等.Q460高強度鋼焊接H型柱軸心受壓極限承載力參數分析[J].建筑結構進展，2013，15（5）：8～13.

TU391

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1673-0038（2015）21-0005-02

2015-5-2