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(guó)社會(huì)發(fā)展需要和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的進(jìn)一步增強(qiáng)，大跨度及空間鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到迅猛發(fā)展。隨著國(guó)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(yùn)會(huì)、2010年廣州亞運(yùn)會(huì)及2011年深圳世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)的舉辦，大量場(chǎng)館的建設(shè)為我國(guó)大跨度及空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了機(jī)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(lái)(如深圳萬(wàn)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(diǎn)。在有限元技術(shù)不斷進(jìn)步的今天，鋼結(jié)構(gòu)建筑的性能可比較準(zhǔn)地進(jìn)行分析控制，建筑師天馬行空般的概念設(shè)計(jì)能得以徹底的實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，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(jìn)、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(yáng)奧林匹克體育中心體育場(chǎng)、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(yùn)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(jī)場(chǎng)航站區(qū)T3航站樓、北京朝陽(yáng)區(qū)的中央電視臺(tái)新臺(tái)址等都是近年來(lái)建筑鋼結(jié)構(gòu)工程成功范例。

通過(guò)這些特點(diǎn)鮮明的建筑鋼結(jié)構(gòu)的工程實(shí)踐，在大跨鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，積累了一系列的施工經(jīng)驗(yàn)，筆者將這些施工技術(shù)作簡(jiǎn)略的匯總，一方面是對(duì)以往工程實(shí)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(shí)支承)，這里主要談?wù)劙惭b技術(shù)，對(duì)于卸載技術(shù)只結(jié)合具體工程(深圳灣體育中心)作簡(jiǎn)要探討。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力和構(gòu)造特點(diǎn)(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(jìn)度及經(jīng)濟(jì)效益的前提下，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件和設(shè)備機(jī)具等資源落實(shí)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(wú)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(gè)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(jī)場(chǎng)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?jiàn)，具體實(shí)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(guò)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(jiǎn)要說(shuō)明上述四種常用安裝方法的適用條件及技術(shù)要點(diǎn)，再聯(lián)系工程實(shí)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(lái)。所謂“散裝法”一般是指將構(gòu)(桿)件直接在設(shè)計(jì)位置進(jìn)行安裝的一種方法。采用該法安裝時(shí)，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(tái)。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(shí)間長(zhǎng)，高空作業(yè)多，工期跨度大，占用大量建筑物內(nèi)場(chǎng)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(jìn)行合理分塊，然后將這些分塊單元吊裝至設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)度，并且所需臨時(shí)支承相對(duì)較少，措施成本也得到降低。

單元安裝法的重點(diǎn)是吊裝單元的合理劃分，一般應(yīng)把握以下要點(diǎn)：?jiǎn)卧拇笮∫曔x用的起重機(jī)能力和結(jié)構(gòu)形式而定。比如對(duì)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(duì)于梁柱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一般建議凈分段位置設(shè)在反彎點(diǎn)位置;對(duì)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(qiáng)度，要求有足夠的剛度是確保將單元吊裝至設(shè)計(jì)位置后，吊裝單元能與相鄰構(gòu)件順利對(duì)接;要求有足夠的強(qiáng)度，是確保單元在吊裝過(guò)程中不產(chǎn)生不可逆的塑性變形;為保證現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)不允許或場(chǎng)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(shí)，可選用“單元安裝”。如廣州歌劇院、深圳大運(yùn)會(huì)主體育場(chǎng)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(diǎn)。

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(chǎng)地組裝成型，再利用滑移系統(tǒng)整體移位至設(shè)計(jì)位置的一種安裝方法。采用這種安裝技術(shù)，拼裝場(chǎng)地和組裝用機(jī)械設(shè)備可集中于一塊相對(duì)固定的場(chǎng)地，與原位安裝法相比，可減少臨時(shí)支承與操作平臺(tái)的措施用量，節(jié)約場(chǎng)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(jì)位置施工有難度，例如場(chǎng)外周邊施工場(chǎng)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(dòng)”，所以本質(zhì)上與提升工法相同。

同時(shí)，采用此法至少應(yīng)注意幾個(gè)要點(diǎn)：結(jié)構(gòu)支承處有利于鋪設(shè)滑移軌道，滑移路線長(zhǎng)，效率越高;滑移單元應(yīng)為幾何不變體系，滑移過(guò)程中有足夠的剛度和穩(wěn)定性，盡可能減少滑移時(shí)的抵抗力。當(dāng)采用多點(diǎn)牽引來(lái)實(shí)現(xiàn)滑移時(shí)，為避免結(jié)構(gòu)在滑移過(guò)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(jì)算評(píng)估因牽引不同步給滑移單元造成的影響，必要時(shí)可為滑移單元進(jìn)行臨時(shí)加固?；茊卧谧詈蠊潭ㄖ?，結(jié)構(gòu)在移動(dòng)方向與其正交方向存在著“容易滑移”的趨勢(shì)，因?yàn)榕c設(shè)計(jì)支承條件不同，要防止設(shè)計(jì)外(即滑移平面外)的變形，有必要采取防止“滑落”的對(duì)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(jiǎn)單說(shuō)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(jì)位置，各滑移單元之間分別在高空進(jìn)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(jì)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(jì)位置。

總的來(lái)說(shuō)，在大跨度及空間鋼結(jié)構(gòu)的安裝方法中，當(dāng)無(wú)法設(shè)置臨時(shí)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(wèn)題時(shí)，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(jì)集團(tuán)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(tái)，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(jī)構(gòu)滑”，而結(jié)構(gòu)滑移法則是“結(jié)構(gòu)滑而支承機(jī)構(gòu)不滑”。采用支承滑移法時(shí)，支承構(gòu)架的設(shè)計(jì)除滿足常規(guī)的整體及局部穩(wěn)定外，還要考慮水平動(dòng)荷載(啟動(dòng)及剎車作用引起的水平慣性力)，必要時(shí)可增設(shè)大斜撐以提高其抗側(cè)剛度?？偨Y(jié)起來(lái)，由于此法需占用結(jié)構(gòu)跨內(nèi)場(chǎng)地，故當(dāng)周邊環(huán)境難以提供結(jié)構(gòu)拼接場(chǎng)地時(shí)，支承滑移法可作為解決方案之一。值得注意的是，無(wú)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(jiàn)不鮮，頻頻應(yīng)用在工程實(shí)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(jì)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(shí)，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(wú)支承安裝法：所謂大跨度懸挑鋼結(jié)構(gòu)無(wú)支承安裝法，即是在不搭設(shè)支承機(jī)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(jī)械進(jìn)行高空散件安裝，采用逐步延伸、階段安裝的方式進(jìn)行施工。相對(duì)高空原位安裝法而言，雖然該工法也是在高空原位附近實(shí)施安裝，但因?yàn)橥耆辉O(shè)臨時(shí)支承機(jī)構(gòu)，施工措施少，施工工藝簡(jiǎn)單(無(wú)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(huì)下?lián)希纱藥?lái)的困擾是構(gòu)件的安裝坐標(biāo)未知，當(dāng)遇到對(duì)安裝位形有要求或存在合龍情形時(shí)，施工過(guò)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(shí)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(duì)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(wú)支承安裝法是目前幾種典型且常見(jiàn)的施工方法，但必須把握其適用條件和關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，在工程實(shí)踐中合理選用。特別是近幾年來(lái)，多數(shù)工程具有獨(dú)特的建筑造型，給施工特別是安裝工作帶來(lái)許多難點(diǎn)。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(jì)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。