1、大跨度平面钢桁架施工稳定性控制摘要：近年来,随着改革开放的日益深化和发展,钢结构由于其自重轻,构件截面小,能实现工厂化生产,施工速度快,可重复利用率大等优点,已成为一种新的建筑体系,得到越来越广泛的应用。 关键词：大跨度钢结构；桁架施工；稳定性；控制 中图分类号： TU391 文献标识码： A 一、大跨度钢桁架施工技术概况 大跨度空间结构的施工安装基本上两大类，即高空拼装和地面拼装后起吊。高空拼装即解决如何在高空有效施工的问题，而后一种则强调应采用的机具和工艺。 传统大跨度结构的施工方法一般有：高空散装法、分条或分块安装法、高空滑移法、整体吊装法、整体提升法、整体顶升法等。而现代大跨度结构因为
2、体型复杂，且大量使用新材料、新技术，传统安装方法往往不能顺利完成任务，有时甚至无法完成任务。通过大量的工程实践，国内外涌现出许多具有创新性的施工技术，如高空曲线滑移技术、网壳结构折叠展开式整体提升技术、滑架法施工技术等。现代大跨度结构的安装方法往往是几种基本方法的巧妙组合或者再创造。同时由于机械设备、计算理论和计算机技术的快速发展，为大跨度结构安装方法的创新提供了有力支持，使得大跨度安装的方式更趋于多元化。 二、目前我国大跨度空间钢结构施工技术的新特点 (一)大跨度空间结构跨度趋大化，空间结构形式多样化，施工技术复杂化，如“鸟巢”跨度 296 米， “水立方”跨度 177 米，广州国际会展中心
3、跨度 126.6 米，南京奥体中心体育场跨度 360 米。 (二)结构形式不再局限于采用传统的单一结构形式，新的结构形式和各种组合结构形式不断涌现，如“水立方”采用了基于泡沫理论的多面体空间刚架结构、 “鸟巢”采用复杂扭曲空间桁架结构、奥运会羽毛球馆则采用世界跨度最大的弦支穹顶结构、广州国际会展中心采用了张弦桁架结构。 (三)预应力作为一项新技术，得到充分应用，涌现了索穹顶、张拉整体结构和索膜结构等新型结构形式，如奥运会羽毛球馆(北京工业大学体育馆)采用了世界跨度最大的弦支穹顶结构、国家体育馆采用了世界跨度最大的双向张弦梁结构。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
4、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，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”结构体系改善了原结构的受力状态，降低内力峰值，增强结构刚度，技术经济效果明显提高。 (四)现代空间钢结构大多采用仿生态建筑，为了满足建筑造型，采用了各种各样的节点形式，结构复杂、设计难度越来越大，如铸钢节点、锻钢节点、球铰节点等。构件数量和截面类型越来越多，深化设计难度越来越大。一般而言，这类大型工程都由几万个构件，甚至逾 10 万个构件组成，并且这些构件的截面形式尺寸和长度均不相同，这样给施工单位放样带来
5、极大困难，对于有些弯扭构件，还需进行专门试验和研究才能完成。 (五)构件加工难度大，加工精度要求高。这类工程都属于国家重点工程，工程质量要求相当高。只有提高构件加工精度，才能满足质量要求。并且大量焊缝要求一级焊缝标准，给施工带来极大难度。现场焊接工作量大，施工技术难度高。为保证施工精度，这些工程都需要进行预拼装，并且现场焊接工作量特别大。由于结构新、跨度大，为了保证经济、安全，都必须采用先进的施工技术才能顺利完成。 三、钢桁架施工需考虑的主要事项 (一)制造前合理分段 钢桁架制造前合理分段，以便于场内外运输。 (二)现场组拼 随着大型起吊机械能力的不断提升，大吨位钢构件的吊装机械较以往能更好地
6、满足现场实行机械化起吊作业要求，因此应尽可能增加地面拼装作业量，减少高空作业是钢结构施工发展的趋势。同时地面拼装作业量的增加更有利于保证工程质量。 (三)尽快形成刚性单元 钢桁架在安装就位后，应尽快安装与其相连的侧向支撑并形成一个完整的刚性单元，以预防施工过程中安全与质量事故的发生。 (四)安全施工分析验算 钢桁架在施工过程中，既要分析平面内强度、刚度、稳定性，也要对平面外屈曲稳定进行分析(包括起吊中与就位后的稳定性分析) 。通过大跨度钢桁架自身的构造难以保证安全施工的条件时，应采取相应施工加固措施。施工加固措施主要有: (1)采取多点吊装；(2)对桁架平面外进行加强形成临时空间桁架；(3)
7、就位时设置临时支撑，减少桁架跨距；(4)临时就位时设置侧向缆风绳。 (五)施工稳定分析特点 大跨度钢桁架在使用过程中不仅要承担自重，而且要承担诸如楼板、设备及其他构件与设备等永久荷载和活荷载等；而在施工过程中大跨度钢桁架仅承担自重和相应的施工荷载。大跨度钢桁架在施工过程中的安全施工稳定性控制验算可以充分考虑其在安装过程中实际承载力要小于其在使用状态下所受承载力的特性。 四、钢桁架吊装施工稳定性分析 由于采用特征值屈曲的线性屈曲理论对结构平面外的稳定分析无法考虑结构受载后的变形和几何初始缺陷对平衡状态的影响，因此很有必要采取非线性屈曲分析对大跨度钢桁架平面外稳定进行分析。桁架结构平面外整体稳定性
8、计算是一个比较复杂的问题，可应用有限元软件计算其平面失稳荷载，进而判断吊装方案的可行性。 大跨度钢结构体系稳定极限承载力确定: 按照考虑几何非线性的有限元法( 即荷载位移全过程分析)进行计算，分析中材料为弹塑性，通过分析求得的第一个临界点处的荷载值，即可作为稳定极限承载力。大跨度钢结构稳定容许承载力应不大于极限承载力除以安全系数 K，安全系数 K 取 2.0。 五、工程概况 钢结构的钢桁架使用的钢材为 Q345 系，其用 Q235B 钢材作支架、支撑、预埋件。对于其所使用的焊条，其型号需能匹配主体金属，如果主体为 Q345B，则其焊条可用 E50xx 型，次结构为 Q235 钢则焊条用 E43
9、xx型。普通螺栓连接为 C 级，高强螺栓则需符合高 10.9 级。 钢结构在进行连接时采用的形式是：使用高强螺栓铰接支架与支架连接，而对于钢桁架和钢桁架的拼接也多用高强螺栓。接触面连接构件的抗滑移系数0.5，在制作完钢结构之后进行除锈操作，除锈等级需要是 Sa2.0。 (一)总体施工方案初步选择 施工安装方向: 从轴线开始往轴线方向逐步推进施工。每榀平面钢桁架总长 41 m，分为 2 段在制造厂加工完成，在其安装就位正投影地面处进行组装，组装结束后采用 1 台汽车吊吊装并进行就位固定安装。每榀主梁安装结束后，应尽快安装与其相连的钢次梁，确保主梁与钢次梁形成稳固的刚性单元体系。 (二)钢桁架稳定
10、性分析 (1)钢桁架吊装过程中稳定性分析钢桁架吊装立面见图 1。 图 1 钢桁架吊装立面图 利用有限元软件进行非线性分析，在按照上述图示状况进行吊装时，其第一阶屈曲模态所对应非线性屈曲分析的载荷屈曲因子 =10.7，稳定安全系数 K 大于 2.0，说明此桁架在吊装过程中稳定性满足安全施工要求。(2)钢桁架就位后稳定性分析钢桁架安装就位后立面图见图 2。 图 2 钢桁架安装就位后立面图 钢桁架就位时，钢桁架两端都固定在混凝土牛腿上设置的盆式钢支座上，中间侧向钢次梁未安装。 未采取加固措施时，对钢桁架进行第一阶屈曲模态下的非线性屈曲分析: 在此状态下桁架第一阶屈曲模态所对应非线性屈曲分析的载荷屈曲
11、因子 =0.75，稳定安全系数 K 小 2.0，说明此工况会导致桁架产生平面外失稳，满足不了安全施工要求，需要采取措施控制其不致产生平面外失稳现象。 桁架就位后稳定性控制措施: 通过初步试算拟采用在桁架上弦中部两个节点处向两侧对称设置张拉钢丝绳控制其平面外的稳定性，张拉钢丝绳与地面水平夹角为 30。 结语 在施工过程中，考虑钢桁架只承受其自重和较小的施工荷载，在无其他恒载与活载的条件下，可以充分利用其实际承载力较小的特点对施工过程中的稳定性进行分析，并对稳定性控制提供合理的控制措施，以利于节约资源，提高效益。 参考文献 1冯岩.大跨钢桁架施工方法优选与技术研究D.西安建筑科技大学,2012. 2王德洪.大跨度钢桁架拱桥施工技术研究D.西南交通大学,2012. 3汪军.大跨度钢桁架结构施工技术研究D.天津大学,2004.
