大跨度及空間鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)應(yīng)用

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當(dāng)前，我國社會發(fā)展需要和經(jīng)濟實力的進一步增強，大跨度及空間鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到迅猛發(fā)展。隨著國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、工業(yè)化、城鎮(zhèn)化建設(shè)的需要，尤其是2008 年北京奧運會、2010年廣州亞運會及2011年深圳世界大學(xué)生運動會的舉辦，大量場館的建設(shè)為我國大跨度及空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了機遇。

從建筑造型看，為了迎合人們審美要求的提高，鋼結(jié)構(gòu)建筑的造型日趨多變。從結(jié)構(gòu)形式看，大跨鋼結(jié)構(gòu)從比較單一的網(wǎng)架、網(wǎng)殼逐漸發(fā)展至各式組合雜交體系，甚至很多其他領(lǐng)域(如橋梁)的結(jié)構(gòu)形式也移植到大跨鋼結(jié)構(gòu)中來(如深圳萬科中心采用的斜拉橋概念)，結(jié)構(gòu)體系呈現(xiàn)出變化多端、不斷創(chuàng)新的格局，這都得益于鋼材質(zhì)量均勻的特點。在有限元技術(shù)不斷進步的今天，鋼結(jié)構(gòu)建筑的性能可比較準(zhǔn)地進行分析控制，建筑師天馬行空般的概念設(shè)計能得以徹底的實現(xiàn)。與此同時，大跨度及空間鋼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)也得到跨越式發(fā)展，先進、創(chuàng)新的施工方法層出不窮，不少技術(shù)方案及措施思路巧妙，令人贊嘆。以下具有地標(biāo)性且結(jié)構(gòu)形式新穎的鋼結(jié)構(gòu)建筑：深圳龍崗區(qū)體育新城、貴陽奧林匹克體育中心體育場、深圳濱海休閑區(qū)的“深圳灣體育中心”、廣州番禺區(qū)的“廣州亞運城綜合體育館”、武漢市青山區(qū)的 “武漢新火車站”、深圳寶安區(qū)的深圳機場航站區(qū)T3航站樓、北京朝陽區(qū)的中央電視臺新臺址等都是近年來建筑鋼結(jié)構(gòu)工程成功范例。

通過這些特點鮮明的建筑鋼結(jié)構(gòu)的工程實踐，在大跨鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，積累了一系列的施工經(jīng)驗，筆者將這些施工技術(shù)作簡略的匯總，一方面是對以往工程實踐的總結(jié)，另一方面也為今后的類似工程提供借鑒，希望起到拋磚引玉的作用。

大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)，一般主要包含安裝技術(shù)及卸載技術(shù)(若有臨時支承)，這里主要談?wù)劙惭b技術(shù)，對于卸載技術(shù)只結(jié)合具體工程(深圳灣體育中心)作簡要探討。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力和構(gòu)造特點(包括結(jié)構(gòu)形式、剛度分布、支承形式等)，在滿足質(zhì)量、安全、進度及經(jīng)濟效益的前提下，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場施工條件和設(shè)備機具等資源落實情況等因素綜合確定安裝方案。常用的安裝方法主要有：高空原位單元安裝法、整體提升法、滑移安裝法、大懸挑鋼結(jié)構(gòu)無支承安裝法等。

當(dāng)然，從近年的發(fā)展看，鋼結(jié)構(gòu)工程將日趨大型化、復(fù)雜化，單一的安裝方法可能不再適應(yīng)工程的需要，一個工程中往往采用多種不同的安裝技術(shù)，安裝方法在朝集成化的方向發(fā)展。正在施工的深圳機場T3航站樓指廊鋼結(jié)構(gòu)，就采用了“高空原位單元安裝法”及“胎架滑移安裝法”;深圳灣體育中心(春繭)則綜合了“高空原位單元安裝法”及“整體提升法”?？梢?，具體實踐中，應(yīng)結(jié)合不同部位的結(jié)構(gòu)形式及施工條件等因素，通過不同安裝技術(shù)合理的組合應(yīng)用，去成功完成超大型、超大跨度鋼結(jié)構(gòu)的安裝。以下先簡要說明上述四種常用安裝方法的適用條件及技術(shù)要點，再聯(lián)系工程實例介紹這些安裝方法的具體應(yīng)用。

高空原位單元安裝法：是由“高空原位散裝法”演變而來。所謂“散裝法”一般是指將構(gòu)(桿)件直接在設(shè)計位置進行安裝的一種方法。采用該法安裝時，需搭設(shè)滿堂支承，以提供構(gòu)件高空擱置及工人的操作平臺。由于單件的重量較輕，此法可有效降低起重設(shè)備的起重要求。原則上，“散裝法”可用于任意大跨度鋼結(jié)構(gòu)的安裝，但大規(guī)模的支承體系需用大量支承材料，且支承搭設(shè)時間長，高空作業(yè)多，工期跨度大，占用大量建筑物內(nèi)場地。因此“散裝法”多應(yīng)用在跨度不大、工期要求不緊的網(wǎng)架、網(wǎng)殼等空間結(jié)構(gòu)。

單元安裝法則是把結(jié)構(gòu)進行合理分塊，然后將這些分塊單元吊裝至設(shè)計位置安裝，與“散裝法”相比，“單元安裝法”雖然也是將結(jié)構(gòu)在原位進行安裝，但大部分的焊接和拼接工作在工廠或地面完成，有利于提高工程質(zhì)量，減少高空作業(yè)量，加快施工進度，并且所需臨時支承相對較少，措施成本也得到降低。

單元安裝法的重點是吊裝單元的合理劃分，一般應(yīng)把握以下要點：單元的大小視選用的起重機能力和結(jié)構(gòu)形式而定。比如對于大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)，分塊位置不宜在桁架跨中(此處彎矩最大，不宜設(shè)置焊縫);對于梁柱結(jié)構(gòu)，設(shè)計一般建議凈分段位置設(shè)在反彎點位置;對于網(wǎng)架及網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，一般可采用分塊或分條的方案;單元必須自成體系，有足夠的穩(wěn)定性、剛度及強度，要求有足夠的剛度是確保將單元吊裝至設(shè)計位置后，吊裝單元能與相鄰構(gòu)件順利對接;要求有足夠的強度，是確保單元在吊裝過程中不產(chǎn)生不可逆的塑性變形;為保證現(xiàn)場單元的順利拼接，宜先將若干單元在工廠預(yù)拼接。

當(dāng)結(jié)構(gòu)特點不允許或場地條件的限制，難以使用更高效的滑移或整體提升等安裝方法時，可選用“單元安裝”。如廣州歌劇院、深圳大運會主體育場及深圳灣體育中心等鋼結(jié)構(gòu)工程均采用了這種工法。

滑移安裝法一般又可分兩種：結(jié)構(gòu)滑移法、支承滑移法。以下分別介紹兩種方法的施工特點。

結(jié)構(gòu)滑移法：其基本思路是將結(jié)構(gòu)整體(或局部)先在具備拼裝條件的場地組裝成型，再利用滑移系統(tǒng)整體移位至設(shè)計位置的一種安裝方法。采用這種安裝技術(shù)，拼裝場地和組裝用機械設(shè)備可集中于一塊相對固定的場地，與原位安裝法相比，可減少臨時支承與操作平臺的措施用量，節(jié)約場地處理和管理成本。先用結(jié)構(gòu)滑移法，其關(guān)鍵的考慮是結(jié)構(gòu)直接在設(shè)計位置施工有難度，例如場外周邊施工場地有限，跨內(nèi)不能滿足吊裝設(shè)備的正常行走。這一工法的基本構(gòu)成要素只是將“整體提升工法”中的地面組裝、反力支承、整體提升置換為“橫向移動”，所以本質(zhì)上與提升工法相同。

同時，采用此法至少應(yīng)注意幾個要點：結(jié)構(gòu)支承處有利于鋪設(shè)滑移軌道，滑移路線長，效率越高;滑移單元應(yīng)為幾何不變體系，滑移過程中有足夠的剛度和穩(wěn)定性，盡可能減少滑移時的抵抗力。當(dāng)采用多點牽引來實現(xiàn)滑移時，為避免結(jié)構(gòu)在滑移過程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)，牽引的同步性須得到控制，若難以保證，則應(yīng)充分計算評估因牽引不同步給滑移單元造成的影響，必要時可為滑移單元進行臨時加固。滑移單元在最后固定之前，結(jié)構(gòu)在移動方向與其正交方向存在著“容易滑移”的趨勢，因為與設(shè)計支承條件不同，要防止設(shè)計外(即滑移平面外)的變形，有必要采取防止“滑落”的對策，比如在兩側(cè)支承附近設(shè)置自平衡的剛性拉桿或柔性拉索。

此外，結(jié)構(gòu)滑移法還包括兩種不同的工藝：逐榀滑移、累積滑移。以桁架結(jié)構(gòu)為例，簡單說明兩種工藝的區(qū)別。

逐榀滑移：將一榀或由若干榀組成的滑移單元從一端至設(shè)計位置，各滑移單元之間分別在高空進行連接，直接形成整體結(jié)構(gòu)。

累積滑移：即將滑移單元在滑軌上只滑移一段(暫不移至設(shè)計位置)，待連接好下一單元后再滑移一段距離，如此反復(fù)，逐榀積累，直至將各榀單元推至設(shè)計位置。

總的來說，在大跨度及空間鋼結(jié)構(gòu)的安裝方法中，當(dāng)無法設(shè)置臨時支承或使用安裝吊車的條件不好，即直接在建筑物位置施工有問題時，結(jié)構(gòu)滑移工法可作為解決方案之一。

支承滑移法：支承滑移法是在結(jié)構(gòu)的設(shè)計集團搭設(shè)支承架，以給結(jié)構(gòu)在原位安裝提供支承和操作平臺，待該部分結(jié)構(gòu)安裝完成后，支承滑移即與已裝畢的結(jié)構(gòu)脫離。這樣即為相鄰結(jié)構(gòu)的原位安裝創(chuàng)造了條件，如此循環(huán)，直至結(jié)構(gòu)完成整體安裝。由此，與結(jié)構(gòu)滑移法不同，支承滑移法可總結(jié)為“結(jié)構(gòu)不滑而支承機構(gòu)滑”，而結(jié)構(gòu)滑移法則是“結(jié)構(gòu)滑而支承機構(gòu)不滑”。采用支承滑移法時，支承構(gòu)架的設(shè)計除滿足常規(guī)的整體及局部穩(wěn)定外，還要考慮水平動荷載(啟動及剎車作用引起的水平慣性力)，必要時可增設(shè)大斜撐以提高其抗側(cè)剛度?？偨Y(jié)起來，由于此法需占用結(jié)構(gòu)跨內(nèi)場地，故當(dāng)周邊環(huán)境難以提供結(jié)構(gòu)拼接場地時，支承滑移法可作為解決方案之一。值得注意的是，無論結(jié)構(gòu)滑移還是支承滑移法，其滑移軌跡除了常規(guī)的直線平移外，曲線滑移也屢見不鮮，頻頻應(yīng)用在工程實踐中。

整體提升安裝法：整體提升安裝法是將待安裝的結(jié)構(gòu)在地面或適宜的樓層投影位置組裝成型，再利用“提升系統(tǒng)”將成型結(jié)構(gòu)整體向上提升至設(shè)計標(biāo)高的一種安裝方法。當(dāng)大跨度鋼結(jié)構(gòu)高度較高，不利于搭設(shè)支承胎架，提升鋼結(jié)構(gòu)形狀規(guī)則時，整體提升的施工方法可作為選擇方案之一。

大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)無支承安裝法：所謂大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)無支承安裝法，即是在不搭設(shè)支承機構(gòu)的條件下，以懸挑鋼結(jié)構(gòu)本體的剛度為依托，利用吊裝機械進行高空散件安裝，采用逐步延伸、階段安裝的方式進行施工。相對高空原位安裝法而言，雖然該工法也是在高空原位附近實施安裝，但因為完全不設(shè)臨時支承機構(gòu)，施工措施少，施工工藝簡單(無卸載)。適用于結(jié)構(gòu)本體剛度大、穩(wěn)定性好，高度較高的懸挑鋼結(jié)構(gòu)。采用該工法，受自重影響，懸挑段一定會下?lián)希纱藥淼睦_是構(gòu)件的安裝坐標(biāo)未知，當(dāng)遇到對安裝位形有要求或存在合龍情形時，施工過程中結(jié)構(gòu)的位形控制是最大的技術(shù)難題之一，這直接關(guān)系到竣工時的結(jié)構(gòu)位形能否滿足要求，以及懸挑段能否順利合龍。

對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑，高空原空單元安裝法、滑移安裝法、整體提升法及大跨度懸挑無支承安裝法是目前幾種典型且常見的施工方法，但必須把握其適用條件和關(guān)鍵技術(shù)要點，在工程實踐中合理選用。特別是近幾年來，多數(shù)工程具有獨特的建筑造型，給施工特別是安裝工作帶來許多難點。深刻理解這些工程的結(jié)構(gòu)組成，明了其荷載傳遞路徑，熟悉工程所在地域的周圍環(huán)境條件和工程的特定要求，以及可利用的施工資源和企業(yè)自身掌握的專有技術(shù)，因地制宜地設(shè)計出最適宜的、推陳出新的安裝方案，正是施工技術(shù)追求的最高境界。