大跨度鋼結構建筑擴建改造技術研究與應用

鄧梓暉

廣州市城市建設投資集團有限公司 廣東 廣州 510030

伴隨我國城市化建設的持續，建筑工程在形式上開始逐漸變多，大跨度建筑作為一個全新的建筑形式，在目前已經被大量運用到當代建筑之中。而大跨度建筑的關鍵就是鋼結構，其對建筑工程本身的質量有著很大作用，所以應該注重大跨度建筑當中的鋼結構設計與施工工藝，讓鋼結構的設計變得更為合理且嚴謹，進而保障大跨度建筑工程得以正常開展[1]。本文就作者參與實施的工程案例，剖析大跨度鋼結構建筑在擴建改造方面的重點技術問題，探討鋼結構設計與施工的關鍵技術要點。

1 大跨度鋼結構的特征

1.1 多樣化與復雜化

當下大跨度鋼結構這類建筑已經不可再限制于之前單一的結構，需要不斷創造出全新的結構及其組合模式[2]。大家所知道的“水立方”就是運用泡沫理論本身的多面體空間鋼結構；而奧運會的體育主會館“鳥巢”就是運用了不規則的多向空間桁架結構。

1.2 普遍采用高強度鋼材和鋁材

因為具體需求與人們需求的提升，鋼結構在跨度上已經非常的接近超大跨度，最短的跨度已經超過了100m已經很多，像是南京奧運中心體育場的上拱式拉索罩棚的跨度已經到了360m，對于大跨度及超大跨度結構高強材料的是最為關鍵的一個因素。目前跨度較大的鋼結構都運用了強度很高的鋼材，如Q390C、Q420C及其Q460E等等[3]，部分特殊造型結構，須建筑輕盈、纖細、大跨度等要求的頂棚結構也廣泛運用到高強鋁結構，目前鋁結構型材強度以達到Q450，重量只有普通鋼材的40%。

1.3 弦索技術廣泛應用

在大跨度鋼結構這類工程當中利用鋼索的高強抗拉特性，經常會采用預應力方式實現大跨度張弦梁、張弦網格等結構，結合棚頂的膜結構，實現輕盈、柔美的弦支穹頂結構。這種新的結構模式，近20年來開始應用到體育館、火車站、會議中心等建筑的穹頂或罩棚。

1.4 施工難度大

1、三維數字化構件制作。因為鋼結構的建筑通常都是部分零散構建所拼裝組成，普通的大型工程都要用上上萬個構件，構件都有著不同的截面及其形狀。如何在工廠預制出復雜多變的鋼結構構件、節點，須依賴與目前先進的數字化智能裝備技術。

2、現場測控精準定位安裝。

大面積且復雜多變的曲線或折板式鋼結構，須現場對主要的受力結構進行三維空間對接與拼裝，現場拼裝過程中心的精準測控、高空作業控制，拼接順序、實時監控與糾偏等技術是現場安裝的關鍵。

3、鋼結構的頂升或整體旋轉技術。

考慮到高空作業的不確定性及工期時間的考慮，部分工程的大型的鋼結構罩棚，需異地拼裝后通過整體吊裝、頂升、旋轉到位，這種技術拼裝質量高、施工工期短、不影響主體工程多工種穿插施工；但是對結構整體的結構性能要求很高，對吊裝、頂升、旋轉技術有嚴格的測控、糾偏、時間及溫度控制要求。

1.5 預應力技術的運用

在大跨度鋼結構這類工程當中也會運用到一般鋼結構工程當中所采用的預應力技術，同時這類工程當中把預應力這個技術也進行很好的運用。在這部分工程當中出現了許多全新的結構模式，像是索穹頂。很多較大的羽毛球館及其體育館都運用了這類預應力，運用的是世界上跨度最大的弦支穹頂結構。

1.6 生產構件難度大

因為這部分工程都是較為龐大的工程，鋼結構需要的構件并不是一般鋼結構所運用的構件，所以要專門去定制及其生產，并且在精度上有高的要求，把構件生產存在偏差減到最小，如此才可以達到施工質量所提出的要求。構件連接需要焊接出一級焊縫，同時這部分焊縫數量也有著成千上萬個，這樣無形之中加大了施工本身存在的困難。同時焊接的時候為了確保焊縫的質量，在具體焊接的時候還需要來做好拼裝，這在很大程度上加大了施工的總量與難度，因為這部分鋼結構本身的跨度較大且結構比較新穎，所以在具體施工的時候，除了需要確保安全與經濟以外，還應該運用現代化的施工技術才可以完成。

2 大跨度鋼結構建筑擴建改造主要的難點及解決方案

案例：廣州市某國際會議中心大跨度巨型桁架改造

2.1 工程概況

該會議中心項目總建筑面積13萬平方米，地下三層、地上高度64.9米。地下部分為車庫和商業街。首層、二層通高為展覽廳，三、四層通高為宴會廳，五、六層為會展辦公室。裙樓以上分為南、北兩座塔樓，主要為辦公功能。

根據建筑改造需求，需擴大首層展廳面積，對裙樓相關區域樓梯間、設備功能房進行調整。針對上述建筑功能改變，主要對現有結構進行以下改造：

1.首層展廳擴大面積，需拆除1-G軸首層柱、鋼桁架部分構件及二層相應范圍的樓板（圖1）。在加固3、5、6、RF層樓面梁，增加3層以上桁架斜桿后形成改造后的鋼桁架（圖2）。

圖1 1-G軸鋼桁架拆除示意圖

圖2 1-G軸鋼桁架改造后示意圖

2.二至四層在1-D至1-F軸間的樓梯間改造為剪刀梯，需拆除其中4道18m跨度的結構鋼梁和相應范圍結構樓板。

2.2 工程技術難點

1.改造前項目主體結構、機電設備及裝修等均已基本完工，結構改造需全程在室內施工，鋼結構構件等大型施工材料運輸、吊裝及焊接難度大，安全風險高；

2.改造需拆除裙樓結構的主要承重構件和部分樓面結構。拆除范圍較大，并同時需要進行結構加固，結構改造的工程量大，工期十分緊張；

3.鋼桁架結構構件拆除后，改變了原結構的豎向荷載傳力路徑，需重新計算與復核，設計出新的結構布置形式，保證上部荷載可靠地傳遞到下部結構與基礎上；

4.本項目結構改造專業性強，鋼桁架節點加固構造復雜，各加固施工工藝需緊密銜接，而且加固構件和節點數量多。

2.3 工程技術解決方案

本工程主要難點為結構設計方案優化、重要節點驗算、現場拆改施工組織、施工檢測，為確保工程順利開展，建設單位專門聘請了國內資深的結構咨詢單位及多名結構設計大師、鋼結構專家參與進行分析研究，確定具體的結構改造方案。現主要剖析難點及解決方案如下：

結構改造可行性分析

對于拆除首層5根柱子，以及取消2層鋼結構桁架的結構改造設計方案，主要措施是通過4層及以上樓層增加受力斜桿，并加固橫梁，使其形成整體的鋼結構桁架，并且承載能力、剛度不低于原結構。

圖3 大跨度鋼結構建筑擴建改造步驟圖

經結構整體受力分析，由原來的兩層桁架結構，改造為5層桁架協同受力結構，能保證樓層的承載能力、結構剛度，并具有施工可行性。

關鍵桿件及節點受力計算

根據上述的受力模型，通過計算各桿件的受力、應力在合理范圍內，位移也在規范限值范圍內，桿件受力合理。

對于關鍵結點的受力計算，進行了計算復核，經改造后最不利結點板的最大主應力約為302MPa，滿足受力要求，其余各結點板經逐一驗算，均能滿足受力要求。

圖4 關鍵桿件及節點受力計算示意圖

2.4 結構改造整體受力評價

經多軟件、多荷載工況及施工模擬計算分析對比，桁架改造方案能夠較好傳遞豎向力；此結構改造對整體結構指標有一定影響，局部構件不滿足性能目標要求，通過部分加固措施，基本滿足規范要求。根據計算分析結果和概念設計方法，對關鍵和重要構件作了適當加強，以保證在地震作用下的延性。

(1) 結構整體剛度。針對改造前、后的模型進行計算，整體指標變化不大，結構整體剛度略有增大，周期略變小，基底剪力增大5%，主要是由于新增桁架剛度比原桁架剛度大造成的。

(2) 豎向構件應力。針對部分豎向構件，復核改造后性能目標，部分剪力墻配筋不足，采用貼鋼板方式加固。

(3) 水平構件構件應力。中震地震作用下，二層因取消樓板，造成薄弱位置，地震作用下局部位置應力較為集中，最大拉壓應力約13MPa，通過加強樓板鋼筋雙層雙向0.25%配筋率拉通，以承擔樓板局部集中地震應力。

(4) 大震彈塑性分析。均在規范限值要求以內，保持整體彈塑性不變。

2.5 施工拆改組織方案

根據改造需要，改造加固宜從下而上，改造樓層（3、4、5、6）施工時需要清楚屋面覆土何在，然后對F3、5、6、RF的樓層梁進行加固，加固檢測無誤后進行4、5、6、RF的斜桿增設，檢測無誤后，從相鄰下一層搭設腳手架支頂，并對結構進行頂升，然后從兩邊到中間依次對首層的結構柱進行拆除，最后拆除頂升機構與腳手架。

2.6 現場檢測方案

根據結構改造加固施工及關鍵受力構件拆除過程中的各項監測數據。監測工作根據拆除過程對不同桿件的受力情況、位移進行監測。經過全過程監測，位移及受力數據完全符合計算模擬工況要求，結構改造完成后相關受力構件的位移及應力變化均在合理范圍，并滿足規范要求，因此結構改造全過程是安全的，結構改造施工過程中沒有出現任何安全事故。

3 結束語

總之，在設計當中，有關從事者需要依據目前建筑物鋼結構的運用情況，在根本上分析鋼結構所具有的特征，并從這些特征當中找出可能會存在的問題，足夠了解建筑的鋼結構體制，確保建筑結構的設計及改擴建當中鋼結構足夠安全且穩定。目前伴隨社會的前進，人們的生活品質也需要獲得相應的提升，但是同時還需要主動去關心人們生活的環境及其安全，全面掌控鋼結構的設計，確保建筑本身的質量及其安全。因此，建筑鋼結構的設計當中，需要確定對應技術的運用，不只需要考慮建筑本身的經濟效益，還需要保障建筑的運用安全。