现代空间结构施工关键技术研究与实践

现代空间结构施工关键技术研究与实践随着大跨度及空间结构的体量越来越大、结构越来越复杂，施工阶段的结构安全问题日益突出，很多工程(尤其是空间结构)在施工过程中的受力状况与使用阶段不完全相同，甚至有些结构设计控制工况发生在施工阶段。因此，如何保证空间结构在施工过程中安全可靠、加快施工进度、以及保证施工措施费用经济合理等，施工技术显得尤为重要。空间结构的施工技术空间结构的施工技术是根据其受力和构造特点(包括结构形式、刚度、支承情况等)，结合施工现场条件和设备机具等因素组成。常用的施工技术有：构件散装法、单元安装法、整体安装法。近年来，随着钢结构工程的日趋大型、复杂化，创新的施工技术不断涌现，如曲线位移施工技术，折叠展开施工技术，矩阵式整体累积顶推施工技术等，且随着预应力钢结构的发展，其张拉技术也得到了进一步发展。同时，施工方法也在朝着多元化方向发展，多种不同的施工技术在同一大型工程中使用，称之为“组合施工法”。构件散装法——将构件直接在设计位置进行总拼的一种施工技术，又可称为原位拼装，可有效降低钢构件的起重要求，较适合网架、网壳等空间网格结构。采用该施工方法，高空操作平台有两种搭设方法，即满堂脚手架、滑移操作架。满堂脚手架需要大量的支撑材料，支撑的搭设时间长，施工措施费用高，而滑移操作架可有效地缩短安装工期，提高工作效率，且安全可靠，但也有其应用缺陷，操作架滑移区域内结构构件需在同一标高内，且地面上能够铺设轨道。滑移操作架可根据具体情况采用扣件式钢管脚手架及螺栓球网架结构，轨道采用工字钢。在施工中往往采用满堂手架与滑移操作架组合使用，达到最经济合理的要求。采用构件散装法需要注意问题：确定合理的安装顺序，以保证拼装精度，减小施工误差；需对操作架进行计算，确保可靠性，安全性。单元安装法——普遍适用于现代钢结构施工中，是指将结构合理分成各个单元，然后采用起重设备或滑移机具等将分块单元吊装或滑移至设计位置，完成高空连接，形成整体的安装方法。其优点有：钢构件地面拼装，减少了高空作业量以及高空操作脚手架用量，提高了施工质量、工作效率及施工安全性，有利于文明施工，并便于发现问题和处理问题；扩大了钢结构主体施工面，提高了机械的使用效率，加快施工进度。根据施工机械的划分，单元安装法又可分为高空单元吊装法、高空单元滑移法、高空单元提升法。高空单元吊装法——采用高空单元吊装法需注意问题有：分割吊装单元时，必须保证分块单元应是几何不变体系，起吊后刚度、受力情况及变形变化较小。吊装单元重量大，对起重机的要求较高。吊装单元在施工过程中，要进行多次坐标转换，地面拼装增加了测量难度，提高了对场地的要求，同时需要增加临时安装胎架，预先计算各类变形量，并采取反变形措施。增加了吊装难度，由于吊装分块杆件多，重心难以把握，对吊点位置、数量、绑扎方式以及吊绳尺寸等必须通过计算才能实施。高空单元滑移法——又称单块滑移法，按滑移的轨迹可分为平面直线滑移法、平面曲线滑移法和空间曲线滑移法。按使用的动力不同可分为卷扬机滑移法、液压千斤顶滑移法和人工(或手拉葫芦)滑移法。应用滑移施工技术的工程一般应满足以下条件：施工的对象应能分成多个相同或相似的独立单元，且为几何不变体系；单元应沿某一空间轨迹有规律地排列；使用的动力设备简单；待安装的结构下方有既有建筑物、构筑物或其它堆放物。滑移施工的主要技术要点有：结构验算；滑移轨道验算；胎架验算；同步性要求。高空单元提升法——是利用提升装置，将在地面或楼面拼装成形的结构单元逐步提升至既定位置，然后安装就位。采用这种技术，减少了高空作业，提高了施工的安全性、质量和效率。根据场地条件、提升装置的类型、提升结构的类型，提升支撑体系主要有以下三类：利用主体结构柱；设置临时支架；两种方式组合。结构单元提升时，结构自身重量与风荷载、地震荷载所引起的水平力均由提升装置克服，对于高度大、侧向刚度相对较弱的提升单元来说，必须采取防止提升单元发生偏心倾覆的措施，为此，在拼装过程中通过设置足够的侧向支护措施，在提升过程中设置足够的侧向导向措施，以保证提升单元拼装和提升过程中平面外的稳定性，防止桁架发生偏心倾覆。整体安装法——是指在适宜结构施工的位置将结构组成整体，然后通过特殊的施工措施将结构整体移位(提升或滑移等)至设计位置，从而完成结构安装的成套技术。可分为整体提升，整体吊装，整体滑移，整体顶升等。整体提升——施工技术是利用提升装置，将在地面或楼面拼装成形的结构逐步提升至既定位置，然后安装就位。采用该技术，减少了高空作业，提高了施工的安全性、质量和效率，且经济、社会效益好。集群千斤顶液压整体提升技术是近年来在我国施工行业逐步发展起来的新兴的大型结构整体安装技术，由于该技术的巨大提升能力及优越性能，因而受到工程界的广泛关注，并被建设部列为重点推广的建筑业施工新技术。整体吊装——是指钢结构在地面拼装成整体后，采用单根或多根拔杆，一台或多台起重机进行吊装就位的施工技术，吊装时可以高空平移或旋转就位。由于整个结构的焊接和拼装全部在地面上进行，施工质量得到了保证，但是整个结构的移位、就位全靠起重设备来实现，所以起重设备的能力和起重移动的控制尤为重要。整体滑移——又称逐块累积滑移，其技术原理、技术要点除了注意滑移单元变形验算(确保相邻单元之间变形协调，并保证最终形状符合设计和相关规范要求)外，同高空单元滑移法。整体顶升——顶升技术是利用顶升装置将在地面或楼面拼装的结构逐步顶升(逐步安装)至规定标高的施工过程。整体顶升有两种，第一种顶升基本原理同提升技术相同，但顶升采用的是顶升机构，且布置在地面或楼面位置，因此它克服高度限制较容易。另外一种顶升技术是日本川口卫教授提出的panda“攀达”穹顶顶升施工技术。在施工过程中，首先在地面拼装结构时暂不安装某些部位的杆件，通过铰支座和结构上设置的铰节点使结构处于可折叠的机构状态，然后用液压顶升法或者向穹顶内施加气压使结构达到设计标高后，安装后安装构件，从而几何可变体系即被锁住成为一几何不变体系。而折叠展开式提升技术其安装思路类似于顶升安装，主要区别是利用临时提升架替代了顶升技术。预应力张拉技术——预应力钢结构中的刚性结构与索组合一体，整体刚度好，有效地改善结构性能，减轻结构自重，是现代空间结构最具有发展前景的一种结构形式。索力控制——是预应力钢结构设计及施工中最重要的组成部分，索力状态决定着整个结构的安全。要保证结构物的安全，就必须采取措施保障拉索处于受控状态。可是在预应力钢结构预应力施工中，索的张拉(特别是分批张拉)会使拉索相互影响，每次张拉几乎都会使先前张拉的索力发生变化，使结构索力偏离设计值，造成索力的失控。因此预应力施工中，采取分批次、分部、分级超张拉。预应力钢结构施工中索力的精确控制是保障工程安全的关键性技术。安装方法的合理选用——选用合理的安装方法，就是在安全、经济、适用三方面找到一个最佳平衡点。现代空间结构跨度大、体型复杂，无固定的安装模式，并且使用大量新材料和新技术，在安装时不断创新力求选用最合理的安装方法。现代空间结构的安装方法往往是几种方法的合理组合或再创造。施工中“力”与“形”的控制技术施工过程中重点控制的项目是结构的“力”与“形”。对刚性结构，人们习惯于控制形，由于力的不可见性，忽略了力，而复杂空间结构施工中隐藏在构件内的“附加内力”不可忽视。为了实时跟踪结构施工过程中的关键部位的位移、应力变化，以及振动、温度等影响，通过实时收集到的信息，判断原有的预期和实际发生的是否一致，以便及时调整，使结构施工的准确性和安全性得到保证。“形”的控制主要通过轴线和标高检测。轴线监测是观测已施工结构轴线位置相对于预定轴线位置的偏差，一般使用全站仪进行测量。标高监测是观测结构高度是否达到设计标高，一般使用精密水准仪进行测量。随着科技进步，出现了多种先进的监测设备，如GPS全球定位测量系统、测量机器人、全能摄影经纬仪等高精度设备。“力”的控制主要通过应力监测，其目的是掌握施工过程关键构件应力变化过程。通过分析实测应变数据，与理论数据进行比较，及时发现问题，采取措施，使关键构件应变不超过规定的数值，保证结构安全。应力监测部位一般设置在最大应力点、应力变化较大的点、施工关键节点和体现环境特征的点。应力监测的主要仪器是应变计和数据采集仪，有时还需要使用光纤传感器。在我们的大量工程实践中，体会到空间结构近几年来在我国发展非常迅速，空间结构的施工方法也受到越来越多的关注，在传统施工方法的基础上，通过大量的工程实践，涌现出了许多具有创造性的施工方法，推动了我国钢结构事业的发展。