大跨度空間鋼結構的發展與現代施工技術應用分析

楊麗強

摘要：隨著建筑需求的不斷提升，建筑空間結構的結構體系逐步由小及大，大跨度鋼結構技術應運而生。大跨度空間結構組成形成分為兩類，空間網格結構和張力結構。結合信息網絡技術的發展，大跨度空間鋼結構承載力及結構體系強度等逐步發展，形成了以有限元分析法為主的空間施工模擬分析。結合大跨度空間鋼結構施工方法發展的現狀，以實際的工程案例為基礎，對高空散裝法、整體吊裝法等進行介紹;針對性的分析了空間鋼結構在施工技術中的力學應用原理，并以加蓬體育場為例，對大跨度鋼結構施工過程中的受力分析進行了模擬分析，以期能夠給大跨度鋼結構的設計和施工作業提供一定的理論參考。

關鍵詞：大跨度;鋼結構;施工技術;應用;空間

引言

在建筑空間結構體系中，其主要是指以三維立體受力特性為主的作業形式，與傳統的平面結構相比較，空間結構的承載力及穩定性有突出的優勢。隨著社會發展對于建筑空間結構的需求不斷的提升，設計及施工技術的應用程度不斷加大，使得空間結構體系的研究從未停止，尤其是基于大跨度空間鋼結構體系，當建筑結構空間需求較大時，其三維受力結構的技術性優勢就能夠有效的體現出來了。大跨度空間結構的應用及技術要求應結合相應的計算機應用技術，結合結構造型及施工難度應合理應用受力分析技術和施工技術。

1 大跨度空間鋼結構施工方法發展現狀分析

1.1 高空散裝法

以國家體育場“鳥巢”為例，利用建筑空間的優勢，將桿件設備、或者相應的節點小單元的內容進行分析，結合施工設備就可完成一定施工難度的安裝，并正常應用。高空散裝法的施工技術要點主要可分為：首先需要結合施工的要求，合理的劃分施工工序，減少施工過程中重復性工作帶來的誤差;其次應嚴格控制標高及垂直的高度，將設計的內容進行有效的調整分析;將驗算的承載力及具體結構穩定性進行劃分，實現基于支撐點為主的相應支座的有效分析。

1.2 分條分塊吊裝法

將鋼結構的整體進行有效的劃分，形成分條分塊的吊裝，主要的分條分塊的形狀以條狀和塊狀為主，結合施工技術的應用，將相應的條塊結構逐步的施工落位、進行有效拼裝，整個的施工過程只需要起重設備和技術指揮人員即可，體現出的是施工簡便性和經濟性。在該方法應用過程中，應按照實際的情況進行加固措施的分析。如下圖1-1 所示。

此施工方法中，典型的應用案例是上海浦東國際機場，其施工方法需要與其他的施工方法進行結合，例如整體吊裝法和高空滑移法等。

1.3 整體吊裝法

整體吊裝法就是結合大型的起重設備，將大跨度空間鋼結構在地面進行有效拼裝，以整體的形式進行安全吊裝，并在吊裝到一定的高度后進行移位轉動，選擇好固定的安裝位置，進行落位安裝，整個過程中應注意的施工技術難點主要是：在高空進行移位的過程中，應以平衡性的交換為基礎，多機抬吊同步控制。因此施工中應注意各機械吊裝的同步性，保證結構整體的統一性。

1.4 高空滑移法

高空滑移主要是利用相應的軌道技術，在拼裝的平臺上對鋼結構進行拼裝，并結合相應的牽引設備，實現對整個結合端和拼裝端有效的拼裝與應用，同時在施工過程中，基礎的土建施工可以交叉作業，節省使用的費用。高空滑移法的施工類型較多，可選擇性強。高空滑移法主要有單條滑移法和逐條累積滑移法兩種施工類型。

1.5 整體提升法

提升法和吊裝法的應用區別主要是：前者是垂直方向進行吊起安裝，在轉移或者平動的過程中都應進行有效的安裝設計。此外在整體結構提升到一定高度后，其可以按照相應的設計標高的位置進行安裝，且施工過程中無需用到腳手架等設備，降低施工成本，具有經濟性。整體提升法具有兩個重要的特點，首先高空位置和拼裝的位置要保持在同一水平面上，同時桿件應預留，實現整個結構的有效提升。

2 空間鋼結構在施工技術中力學應用原理分析

2.1 變因素分析

2.1.1 結構幾何構型的變化

在空間鋼結構施工技術應用及空間幾何變化的過程中，需要首先結合施工圖紙進行預分析，對潛在的施工影響因素，能夠進行掌控，且在施工的過程中進行微調，實現基于空間拼裝安裝原理的結構規模的逐漸過渡應用。結構幾何的構型變化也會時刻隨著整體結構的空間位置和施工進度的要求不同而產生一定的施工需求，因此結合現有的結構幾何構型的變化因素，將空間鋼結構的施工技術內容及理論進行合理化的分析，能夠充分結合結構規模對局部的結構進行適應性的過渡，完善整體結構的幾何構型。

2.1.2 結構體系的變化

引起大跨度空間鋼結構體系變化的主要因素有兩種。首先，在施工過程中按照相關的施工步驟的要求，對整體結構中的零部件進行有效的安裝，在安裝的過程中應根據實際的安裝位置進行有效組裝，但是部件在有效的安裝過程中會因為整體性的施工步驟的原因導致整個施工過程不夠完整，另外呈現出的不完整的結構體系，在逐漸變化的過程中會產生相應的安裝要求的變化，這種變化是與起初的設計內容背道而馳的，常常會因為整體架設臨時結構實現支撐體系的完整性，從而凸顯的是整個建筑結構的穩定與安全。

另外，大跨度空間鋼結構體積龐大且需要在施工過程中臨時搭設相關的支撐結構體系，因此在關鍵的施工過程中，應充分的結合臨時結構的主體位置的變化，使得支撐體系與結構的主體共同作用，產生相互的作用力，形成有效的穩定狀態，并充分的結合現有結構的穩定性，對整個施工結構的整體進行承載力的預算，需要拆除臨時支撐體系的部分，應根據實際設計的需求，按照施工模擬的相關需求進行有效的拆除作業。在整體結構體系的變化過程中，應充分的結合施工模擬的過程，將結構體系的轉換形式及轉換的渠道進行適應性的分析，并按照有效的重力結構分布，將產生的位移變化進行跟蹤記錄，確保結構體系的變化在施工過程中逐步減小。

2.1.3 荷載效應變化

在大跨度空間結構施工過程中，鋼結構體系除了受到自身的重力外，還要承擔相應的活荷載，主要涉及到的活荷載的類型有風荷載、溫度荷載、施工過程中的荷載等，其整體的結構施工內容及施工的有效性主要體現在以下幾個方面：結構自重在隨著構建的安裝，實現逐步增大的過程，且增減量的大小應充分的結合荷載效應的變化持續進行，同時整體性的結構內容及結構的有效性都應按照設計的規范進行;此外活荷載中的施工人員的重力荷載和相應的施工設備在施工過程中產生的荷載是隨著施工位置的變化而變化的;另外，在施工過程中的溫度變化是影響整個大跨度空間鋼結構構件尺寸的重要內容，進而影響到整個體系的安裝精確度和形狀的變化。

2.1.4 邊界條件變化

鋼結構的位置變化、施工過程種的構件數量的變化及相應約束形式的變化都會對整個的邊界條件的變化產生一定的條件。施工過程中的邊界條件和相應的施工安裝順序都會對整個結構力的作用產生重要的影響，因此如何有效的結合施工內容，從處理好施工過程中的邊界及安裝的問題開始分析，需要結合模擬施工的過程進行，因此修改邊界約束需要結合施工方法進行有效的修正。

2.2 施工過程結構計算理論

結構計算理論是大跨度空間鋼結構施工設計過程中必須涉及到的相關內容，例如以板、柱結構為例，作為整體的剛性結構，由于其本身具有一定的剛度，因此不需要施加相應的預應力，剛性結構可以有效的承載相應的施工荷載;此外，在剛性結構計算理論實施的過程中，應滿足以下幾個條件：首先，應對結構應用的尺寸和相應的結構內容進行分析;其次鋼結構在施工過程中會發生較小的變形，因此可忽略不計;整個的施工過程中，結構理論的內容主要以線彈性理論為主。根據有限元原理，將每一個大型結構進行有效的拆分，形成有限元結構，其中每一個有限元結構的基本方程可表示為：

施工階段一：[K₁]{U₁}={P₁}? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??（1）

內力：[N₁]=[k₁][A₁]{U₁}? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??（2）

施工階段二：[K₂]{U₂}={P₂}? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??（3）

內力：[N2]=[k2][A2]{U2}? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

由此類推，施工的第n階段中，（[K₁]+[K₂]+...+[K_n]）{U_n}={P_n}? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）;

內力：[N_n]=[K_n][A_n]{U_n}? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??（6）

以上公式中，[K_i]為總剛度矩陣;[k_i]為未完成的剛度矩陣;{U_i}為未完成階段的位置量;[P_i]＼*MERGEFORMAT為實施階段的結構點量;[A_i]為非完整結構的幾何矩陣;[N_i]為完成階段的桿件受內力量。

結合施工的具體情況，在有限元的計算過程中，應用到較多的方法仍然是生死單元法，在施工過程中，施工單元的所有涉及到的單元內容并不是完全刪除的，其可以有效的借助相應結構體系有效分析施工過程中的相關理論內容，并進行合理化的分析與實踐。

2.3MIDAS軟件施工過程分析原理

MIDAS軟件在建筑施工領域中的應用越來越廣泛，其能夠根據建模和相應的數據分析及處理能力，將施工過程中的相關模擬狀態進行全真性的模擬，在相應的建筑狀態變量的有效疊加的狀態下，應根據有效的一次性建模的方法，將整體性的數據模擬理論進行有效分析，對每一個施工階段進行“殺死”和“激活”，隨后進行施工技術的層層疊加，進而保證施工工況的有效完成。

3 鋼結構施工過程受力模擬分析——以加蓬體育場為例

3.1 工程概況

2012 年“非洲杯”足球開幕式的主會場在加蓬體育場舉辦，該建筑體由現澆混凝土框架結構組成，分為主要的四部分的鋼結構罩棚，罩棚中的鋼結構體系為主要的研究對象。其結構組成主要有拱形主鋼架、外圈環形鋼桁架和V型鋼柱組成，加蓬體育場的總體效果圖如下圖3-1 所示。

3.2 結構特點

拱形主鋼架結構為正三角形的空間桁架結構，且罩棚的面積可達10000m?，西看臺主鋼架結構的截面尺寸中，截面高度由3m漸變至8m，且西看臺的鋼架結構的拱跨度達到相應的316m。如下圖3-2 西看臺鑄鋼架界面尺寸圖所示。

外圈環形鋼桁架空間結構為正三角形，截面高度以空間投影為參照，由2m逐漸的演變成為3m，整個空間結構的截面變化以外圈的桁架結構為主體，形成了參數型的結構體系，從而在對外圈鋼桁架的兩端結構進行圓管貫通焊接的過程中，應充分的結合截面的規格尺寸，對整體的結構體系進行有效劃分，以環形桁架截面規格體系中的上弦架、下弦架和中腹桿及下弦腹桿為主要的參照結構，以東看臺的環形桁架和西看臺的環形桁架結構為主要的分析對象，對其尺寸和規格（見表3-1）進行有效的分析，形成了截面的整體性及規格的可適應性的變化。外圈桁架鋼結構的整體截面高度都以漸變為主，形成有效的截面空間體。

3.3 鋼結構施工流程

支撐胎架應以主鋼架正投影的方位進行有效架設，且截面的規格以1.2m×1.2m為標準，使得跨中的最大支撐高度為12m;采用散裝發安裝相應的支架，先進行弦桿安裝，后對腹桿進行安裝，整個的安裝過程應以下弦桿的最長和腹桿的最長來分析;首先應安裝跨中的弦桿和腹桿，求安裝的整體順序由中間向兩端延伸;其次應對加固的桿件進行加固，主鋼架首先進行提升，提升的距離為150m，這個階段的提升只是作為預提升進行分析，在相應的提升段，應將整個的張拉防風纜風繩進行分析，將拆除的相應下部分的結構體系進行兩側安裝，并有效的結合懸挑段的結構體系對整個下弦結構和中腹桿結構進行有效的規劃與分析。

3.4 鋼結構提升全過程模擬分析

3.4.1 位移分析結果：施工階段一中，結合散裝法，對胎架進行有效的安裝，同時對桿件進行持續性的加固，結合主鋼架下方的支撐點，要確保整個施工過程中支撐點的約束位移的位置，位移的方向可以根據空間中的X、Y、Z三個不同的方向進行分析，其中最大的位移量為7.09mm。在施工階段2 中，對主鋼架進行整體性的提升，模擬提升鋼絞線對整個提升過程中的相關約束力的約束，實現最大位移量為109mm。在施工階段3 中，主鋼架形成了第二段的有效提升，整個提升過程中以第二次的提升得到相應的主鋼架的綜合性位移，最大位移量為157.65mm，主鋼架的跨中位移量為31.9mm，且整體性的位移量為僅為施工階段2 中的30.1%。由此部分數據可以說明，整個的結構的最大位移量發生了較大的變化;在施工階段4 中，胎架上的散件拼裝的過程也是整體結構提升的過程，根據各支撐點的約束情況，每一部門的約束力的方向都是不同的，位移數量與施工階段3 的基本一致。

3.4.2 桿件承載力分析結果：從桿件的承載力結果數據進行相應分析，其環形桁架的最大拉應力為119.32MPa，且其最大的壓力值為161.77MPa，在結合現有的環形鋼架提升點中，對于處于自重條件下的相應彎矩值應進行有效的分析，從而滿足桿件穩定性計算結果的需求。

4 結論及展望

綜上，在針對大跨度空間結構的發展進行理論性闡述的過程中，應結合實際的案例進行結構構件的安裝規范的分析，在對大跨度空間的鋼結構的荷載值計算的過程中，不僅要計算其自重的荷載模擬值，應對其風荷載、溫度荷載和對應的結構荷載進行有效分析，從而對整個的模型進一步的細化作業，使得桿件的類型及支座的定義等都能夠符合結構狀態。此外，還要做好數據的監控與分析。

參考文獻

[1]董石麟.我國大跨度空間鋼結構的發展與展望[J].空間結構，2000（02）：3-13.

[2]楊建國.試論預應力大跨度空間鋼結構的應用和未來趨勢[J].山東工業技術，2015（10）：262.

[3]王崇革，王鵬，孫哲.大跨度空間鋼結構的發展與現代施工技術[J].城市住宅，2015（06）：97-99.

[4]楊宇焜，周元華.預應力大跨度空間鋼結構的應用與展望探究[J].江西建材，2016（03）：10+9.