论文部分内容阅读
摘 要:大跨度空间结构是目前发展最快的结构类型，本文介绍了大跨度钢结构常见应用，并结合某体育馆主体钢结构分段施工、吊装工程，探讨大跨度钢桁架拱结构的应用研究。
关键词：大跨度钢结构；应用研究；结构吊装
Abstract: Large span space structure is one of the fastest development structure, this paper introduces the application of large-span steel structure in common, and combined with a main stadium steel structure section construction, erection, application and research of the large-span steel truss arch structure.
Key words: large span steel structure; application research; structure lifting
中图分类号: TU391
钢结构以其强度高、塑性好、质量轻和制作简便等优点在日常生活中应用越来越广泛，特别是近些年来随着钢材的产量和质量的逐步提高，涌现了一批以钢结构为主的大跨度结构，如各大中心城市机场航站楼、会议展览中心各种大型体育馆等。
1 大跨度钢结构应用
大跨度结构的跨度没有统一的衡量标准，国家标准《钢结构设计规范》、《网架结构设计与施工规程》将60m以上定义为大跨度结构，计算和构造均有特殊规定。我国目前最大跨度做到340m，以钢索和膜材做成的索膜结构最大已做到320m。大跨与空间钢结构主要用于公共建筑，如大会堂、影剧院、展览馆、音乐厅、体育馆、加盖体育场、航空港等。大跨度结构也用于工业建筑，如飞机制造厂的总装配车间、飞机库、造船厂的船体结构车间等等。这些建筑采用大跨结构是受装配机器的大型尺寸或工艺过程要求所决定的。大跨度结构主要是在自重荷载下工作，主要矛盾是减轻结构自重，故最适宜采用钢结构。在大跨度屋盖中应尽可能使用轻质屋面结构及轻质屋面材料，如彩色涂层压型钢板、压型铝合金板等。
在大跨度空间结构中引入现代预应力技术，不仅使结构体形更为丰富而且也使其先进性、合理性、经济性得到充分展示。通过适当配置拉索，或可使结构获得新的中间弹性支点或使结构产生与外载作用反向的内力和挠度而卸载，前者即为斜拉结构体系，后者则为预应力结构体系。这一类“杂交”结构体系将改善原结构的受力状态，降低内力峰值，增强结构刚度、技术经济效果明显提高。目前我国已在80余项大跨空间钢结构工程中应用了预应力技术，如广东清远市体育馆在周边设6道预应力索后其用钢量443kg/m，约比原方案节省钢材32％，其它一些类型的网壳结构采用预应力技术后一般都可节约30％以上的钢材。目前许多高校对索托结构，索网结构等以高强钢索与钢材为主承重结构的预应力钢结构新体系，正在进行理论研究，积极准备工程实践，可以预期新型的预应力大跨空间钢结构不久即将涌现在各类建筑中。
膜结构是当前我国正在兴起的一种空间结构，其中应用较多的是张力膜结构。这是一种以玻璃纤维织物或聚酯纤维织物为基层，以聚四氟乙烯或PVC为涂层的膜材与不同类型的支承体系间的组合，而其支承体系可为索一支柱或索一杆结构,它们常在膜材获得预应力后协同工作。
2 工程实例
2.1工程概况
某体育馆总建筑面积约20700m,为满足大空间要求，屋盖采用大跨度钢拱支撑空间管桁架+实腹式工字钢梁结构受力体系，主结构由2个拱、18榀钢架(由平面桁架、实腹式工字钢梁及折线型钢架柱)组成。桁架拱跨度90m+47m，矢高约28m。平面桁架最大跨度37m,2实腹式工字钢梁最大跨度16m，梁高800mm。沿屋盖纵向布置有三道水平支撑。桁架拱支撑于下部混凝土核心筒顶，钢桁架及实腹式工字钢梁铰接支撑于下部柱顶 (如图1)。
图1 体育馆主体钢结构屋盖
2.2 施工方案分析
在整个屋盖结构的施工过程中，桁架拱的安装难度是最大的，虽然采用格构式的构造后大大减轻了其吊装重量，但是高达的吊装高度使得整体吊装法在本工程中较难实现。而本设计所采用的空间曲面拱桁架结构型式，由于构件规格、型式多，采用高空散装法则存在施工难度大、成本高。故经过施工方案比选，决定采用分段吊装法进行施工。考虑到本工程桁架拱尺寸较大，需综合考虑吊装过程中构件的变形和吊装的经济性，对拱进行分段。分段不宜过大，过大会导致起吊过程中桁架拱下挠严重而影響焊接质量和整体线性，且不利于交通运输;也不宜过小，过小会增加吊装工作量，降低了大型起吊设备的利用率。经过仔细对比分析最后决定选用约24m的分段，为便于运输，采用“散件出厂，现场拼装”的方式。
2.3 结构施工
2.3.1主体构件加工
本工程中钢结构的主体构件是桁架拱，其截面为三角管形式，总跨度约140m，按施工方案采用分段吊装，桁架拱单元的吊装约为24m一段，并且各桁架边长均大于5m，超过运输限值。需工厂散件加工，运输至现场后搭设胎架进行现场拼装。
(1)主要材料。工程中用到的主要钢构件有两种:圆钢管和H型钢，材质均为Q345B。
(2)胎架布置及要求。根据现场实际情况，决定桁架拼装焊接平台采用路基箱、H型钢以及千斤顶共同搭设而成。胎架必须满足强度和安全要求，路基箱须压实平整，胎架底部与路基箱的焊接要牢固。
(3)构件拼装流程。首先在两侧胎架的上下方分别放置上弦杆和第一根下弦杆，同时焊接上下弦杆间的腹杆，然后在一侧胎架的上方放置第二根下弦杆，最后在第二根下弦杆和上弦杆之间焊接腹杆。
2.3.2检验和吊装前的准备
作好构件的检验工作是保证钢结构工程整体施工质量的重要一环。由于大跨度桁架的安装特点,一旦起吊到高空, 再对其存在的问题进行处理将十分困难, 而只能将其重新吊下进行处理, 不但影响工程进度, 而且也会造成较大的经济损失。在构件的制作及运输过程中难免会出现各种各样的问题,这些问题必须在地面加以消除, 因此必须做好桁架吊装前的检验工作。熟料输送100m 桁架分为两段施工, 按施工 要求接口不能在一个垂直面上, 上下弦必须相互错开35m, 纵向的四根弦杆必须保持在纵向轴线上。经对两段桁架模拟对接发现上弦杆与轴线偏差约3,下弦杆长出90mm。经过再次调直轴线偏差控制在1以内。为保证空中对接的安全及施工方便在中间支撑柱一侧作临时平台, 平台能支撑重量约50t。
2.3.3结构吊装
根据体育馆结构特点和现场施工条件，桁架拱采用分段吊装法进行施工，选用一台7150型150t履带吊，每根桁架拱分六段吊装(如图2)，最大吊装高度32.5m，最大吊装重量35.5t。体育馆的两榀桁架拱之间的工字钢梁及屋面水平系杆选用一台KH180－2型50t履带吊进行吊装。
图2 桁架吊装单元划分图
吊装时桁架拱节点下方搭设措施桁架，1～3轴拱分段馆外吊装，3～19轴拱分段馆内吊装。桁架拱位置调整找正后再进行其他构件的吊装。两榀桁架拱之间的工字钢梁单元，1～3轴工字钢梁由吊机于馆外单榀吊装，3～19轴工字钢梁单元由吊机于场内单榀吊装。工字钢梁由两个V形段和一个直线段组成，先吊装V形段，与桁架拱连接，然后吊装直线段。9～18轴V形段水平长度超过3m，吊装时需在V形段与直线段交接处下方搭设临时支撑。平面桁架单元及钢架柱单元由吊机沿馆外单榀吊装。吊装过程中要结合场地和吊装机械，尽量整体拼装保证精度。通过持续观察，发现成形后的结构各部件间连接性能良好，屋盖整体受力均匀，符合最初设计方案要求，既满足了工期，又确保了质量,达到了预期目标。
3 结 语
大跨度桁架拱是较为常见的钢结构形式，在实际工程施工中，由于此类型拱结构的跨度大、重量重、吊装高度高以及拼装技术难等特点使得这种结构类型的安装成形往往成为施工技术的重难点。采用分段拼装方法和分段吊装技术，可降低对吊装设备的要求，便于运输、吊装操作，利于施工质量保证，有效解决施工中存在的问题。
参考文献：
［1］彭玉丰，罗永峰.大跨度钢桁架吊装过程分析［J］．结构工程师，2011，27(4)．
［2］戴国欣．钢结构［M］．武汉:武汉理工大学出版社，2007．
关键词：大跨度钢结构；应用研究；结构吊装
Abstract: Large span space structure is one of the fastest development structure, this paper introduces the application of large-span steel structure in common, and combined with a main stadium steel structure section construction, erection, application and research of the large-span steel truss arch structure.
Key words: large span steel structure; application research; structure lifting
中图分类号: TU391
钢结构以其强度高、塑性好、质量轻和制作简便等优点在日常生活中应用越来越广泛，特别是近些年来随着钢材的产量和质量的逐步提高，涌现了一批以钢结构为主的大跨度结构，如各大中心城市机场航站楼、会议展览中心各种大型体育馆等。
1 大跨度钢结构应用
大跨度结构的跨度没有统一的衡量标准，国家标准《钢结构设计规范》、《网架结构设计与施工规程》将60m以上定义为大跨度结构，计算和构造均有特殊规定。我国目前最大跨度做到340m，以钢索和膜材做成的索膜结构最大已做到320m。大跨与空间钢结构主要用于公共建筑，如大会堂、影剧院、展览馆、音乐厅、体育馆、加盖体育场、航空港等。大跨度结构也用于工业建筑，如飞机制造厂的总装配车间、飞机库、造船厂的船体结构车间等等。这些建筑采用大跨结构是受装配机器的大型尺寸或工艺过程要求所决定的。大跨度结构主要是在自重荷载下工作，主要矛盾是减轻结构自重，故最适宜采用钢结构。在大跨度屋盖中应尽可能使用轻质屋面结构及轻质屋面材料，如彩色涂层压型钢板、压型铝合金板等。
在大跨度空间结构中引入现代预应力技术，不仅使结构体形更为丰富而且也使其先进性、合理性、经济性得到充分展示。通过适当配置拉索，或可使结构获得新的中间弹性支点或使结构产生与外载作用反向的内力和挠度而卸载，前者即为斜拉结构体系，后者则为预应力结构体系。这一类“杂交”结构体系将改善原结构的受力状态，降低内力峰值，增强结构刚度、技术经济效果明显提高。目前我国已在80余项大跨空间钢结构工程中应用了预应力技术，如广东清远市体育馆在周边设6道预应力索后其用钢量443kg/m，约比原方案节省钢材32％，其它一些类型的网壳结构采用预应力技术后一般都可节约30％以上的钢材。目前许多高校对索托结构，索网结构等以高强钢索与钢材为主承重结构的预应力钢结构新体系，正在进行理论研究，积极准备工程实践，可以预期新型的预应力大跨空间钢结构不久即将涌现在各类建筑中。
膜结构是当前我国正在兴起的一种空间结构，其中应用较多的是张力膜结构。这是一种以玻璃纤维织物或聚酯纤维织物为基层，以聚四氟乙烯或PVC为涂层的膜材与不同类型的支承体系间的组合，而其支承体系可为索一支柱或索一杆结构,它们常在膜材获得预应力后协同工作。
2 工程实例
2.1工程概况
某体育馆总建筑面积约20700m,为满足大空间要求，屋盖采用大跨度钢拱支撑空间管桁架+实腹式工字钢梁结构受力体系，主结构由2个拱、18榀钢架(由平面桁架、实腹式工字钢梁及折线型钢架柱)组成。桁架拱跨度90m+47m，矢高约28m。平面桁架最大跨度37m,2实腹式工字钢梁最大跨度16m，梁高800mm。沿屋盖纵向布置有三道水平支撑。桁架拱支撑于下部混凝土核心筒顶，钢桁架及实腹式工字钢梁铰接支撑于下部柱顶 (如图1)。
图1 体育馆主体钢结构屋盖
2.2 施工方案分析
在整个屋盖结构的施工过程中，桁架拱的安装难度是最大的，虽然采用格构式的构造后大大减轻了其吊装重量，但是高达的吊装高度使得整体吊装法在本工程中较难实现。而本设计所采用的空间曲面拱桁架结构型式，由于构件规格、型式多，采用高空散装法则存在施工难度大、成本高。故经过施工方案比选，决定采用分段吊装法进行施工。考虑到本工程桁架拱尺寸较大，需综合考虑吊装过程中构件的变形和吊装的经济性，对拱进行分段。分段不宜过大，过大会导致起吊过程中桁架拱下挠严重而影響焊接质量和整体线性，且不利于交通运输;也不宜过小，过小会增加吊装工作量，降低了大型起吊设备的利用率。经过仔细对比分析最后决定选用约24m的分段，为便于运输，采用“散件出厂，现场拼装”的方式。
2.3 结构施工
2.3.1主体构件加工
本工程中钢结构的主体构件是桁架拱，其截面为三角管形式，总跨度约140m，按施工方案采用分段吊装，桁架拱单元的吊装约为24m一段，并且各桁架边长均大于5m，超过运输限值。需工厂散件加工，运输至现场后搭设胎架进行现场拼装。
(1)主要材料。工程中用到的主要钢构件有两种:圆钢管和H型钢，材质均为Q345B。
(2)胎架布置及要求。根据现场实际情况，决定桁架拼装焊接平台采用路基箱、H型钢以及千斤顶共同搭设而成。胎架必须满足强度和安全要求，路基箱须压实平整，胎架底部与路基箱的焊接要牢固。
(3)构件拼装流程。首先在两侧胎架的上下方分别放置上弦杆和第一根下弦杆，同时焊接上下弦杆间的腹杆，然后在一侧胎架的上方放置第二根下弦杆，最后在第二根下弦杆和上弦杆之间焊接腹杆。
2.3.2检验和吊装前的准备
作好构件的检验工作是保证钢结构工程整体施工质量的重要一环。由于大跨度桁架的安装特点,一旦起吊到高空, 再对其存在的问题进行处理将十分困难, 而只能将其重新吊下进行处理, 不但影响工程进度, 而且也会造成较大的经济损失。在构件的制作及运输过程中难免会出现各种各样的问题,这些问题必须在地面加以消除, 因此必须做好桁架吊装前的检验工作。熟料输送100m 桁架分为两段施工, 按施工 要求接口不能在一个垂直面上, 上下弦必须相互错开35m, 纵向的四根弦杆必须保持在纵向轴线上。经对两段桁架模拟对接发现上弦杆与轴线偏差约3,下弦杆长出90mm。经过再次调直轴线偏差控制在1以内。为保证空中对接的安全及施工方便在中间支撑柱一侧作临时平台, 平台能支撑重量约50t。
2.3.3结构吊装
根据体育馆结构特点和现场施工条件，桁架拱采用分段吊装法进行施工，选用一台7150型150t履带吊，每根桁架拱分六段吊装(如图2)，最大吊装高度32.5m，最大吊装重量35.5t。体育馆的两榀桁架拱之间的工字钢梁及屋面水平系杆选用一台KH180－2型50t履带吊进行吊装。
图2 桁架吊装单元划分图
吊装时桁架拱节点下方搭设措施桁架，1～3轴拱分段馆外吊装，3～19轴拱分段馆内吊装。桁架拱位置调整找正后再进行其他构件的吊装。两榀桁架拱之间的工字钢梁单元，1～3轴工字钢梁由吊机于馆外单榀吊装，3～19轴工字钢梁单元由吊机于场内单榀吊装。工字钢梁由两个V形段和一个直线段组成，先吊装V形段，与桁架拱连接，然后吊装直线段。9～18轴V形段水平长度超过3m，吊装时需在V形段与直线段交接处下方搭设临时支撑。平面桁架单元及钢架柱单元由吊机沿馆外单榀吊装。吊装过程中要结合场地和吊装机械，尽量整体拼装保证精度。通过持续观察，发现成形后的结构各部件间连接性能良好，屋盖整体受力均匀，符合最初设计方案要求，既满足了工期，又确保了质量,达到了预期目标。
3 结 语
大跨度桁架拱是较为常见的钢结构形式，在实际工程施工中，由于此类型拱结构的跨度大、重量重、吊装高度高以及拼装技术难等特点使得这种结构类型的安装成形往往成为施工技术的重难点。采用分段拼装方法和分段吊装技术，可降低对吊装设备的要求，便于运输、吊装操作，利于施工质量保证，有效解决施工中存在的问题。
参考文献：
［1］彭玉丰，罗永峰.大跨度钢桁架吊装过程分析［J］．结构工程师，2011，27(4)．
［2］戴国欣．钢结构［M］．武汉:武汉理工大学出版社，2007．