大跨度空间结构设计探讨

大跨度空间结构设计探讨

勾文锦

5102319861023287X中铧正鑫路桥有限公司

摘要：现如今，随着现代建筑技术的飞速发展，大跨度空间结构因其独特的优势在建筑领域得到了广泛应用。从体育场馆到会展中心，再到大型工厂车间，大跨度空间结构以其卓越的承载能力和优美的外观形态赢得了设计师和业主的青睐。本文将对大跨度空间结构的设计进行探讨，以期为相关领域的研究和实践提供参考。

关键词：大跨度；空间结构；设计

引言

与大跨空间钢结构的理论技术同步，目前发展出了众多的大跨空间钢结构的施工技术，比如空中散装法、滑移法、整体提升法等，技术水平达到了世界领先水平。在这些施工方法中，整体提升法主要涉及构件的安装、提升和卸载，最终形成整体结构，空间钢结构经历了多次应力重分布，结构的边界条件也发生较大变化，在施工阶段的受力状态最为复杂，因此，大跨度空间钢结构施工技术的研究成为目前建筑工程领域的重点研究方向之一。基于此，本文以浙江省杭州市某大跨度钢结构体育场馆为研究对象，在分析大跨度空间钢结构施工工艺的基础上，运用数值模拟和施工监测的综合方法，分析了大跨度空间结构的最大应力比和挠度、临时提升架的受力和变形，并与实际监测结果对比，研究成果可应用于大跨度公共建筑空间钢结构的整体提升施工。

1大跨度空间结构的定义与分类

大跨度空间结构是指横向跨越60米以上空间的各类建筑结构形式，是衡量一个国家或地区建筑技术水平的重要标志。其结构形式主要包括网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构、薄壳结构等五大类及各类组合空间结构。这些结构形式各有特点，适用于不同的建筑需求和环境条件。

2大跨度空间结构设计

2.1钢构件安装

在大跨度空间钢结构体系中，分布诸多类型的钢构件，各类钢构件的形状、规格尺寸略有不同，要求施工人员必须熟练掌握各类钢构件的正确起吊安装方法，以钢桁架、钢柱、超大倾斜格构柱安装方法为例进行分析如下。第一，钢桁架安装。采取集中场地拼装的方式，在现场地面把上弦杆、水平横杆、斜腹杆等配件拼装形成钢桁架结构，检测焊缝质量，桁架表面涂刷防腐防火保护漆层，考虑到拼装期间会出现一定程度的变形问题，可以采取倒拼方式来拼装主桁架散件。随后，按顺序依次安装主桁架与次桁架，把桁架分段安装，主桁架通过次桁架连接主体结构，次桁架每榀分两段安装，主桁架以从两侧至中间为安装顺序，次桁架以从外到内作为安装顺序。第二，钢柱安装。推荐选择分段吊装法，按照工程情况来控制节段钢柱两端标高与长度，单节钢柱质量在起重机可承受范围内，清理表面灰尘锈迹并修补破损部位，涂刷保护漆层。完成前期准备工作后，钢柱两侧对称设置多处吊点，开展地面试吊试验，起吊高度和悬停时间分别控制在0.5 m与10 min，安装面上设置护笼爬梯，缓慢把钢柱吊运到安装面上方，校正钢柱位置，直到钢柱中心点和安装点相互重合后，即可下放钢柱，重复上述操作，在上下节段钢柱接触面采取焊接固定，要求所有节段钢柱中心点完全重合。第三，超大倾斜格构柱安装。正常工况下，利用所搭建临时支撑胎架来辅助安装倾斜钢柱，沿钢柱倾斜方向反向拉紧缆风绳，施工人员操纵缆风绳来调整倾斜精度。如果对安装精度提出严格要求，或是倾斜钢柱构件尺寸过大，则采取步进式稳定安装方法，现场搭建临时支撑塔架，塔架多处方向设置缆风绳，采取三大吊点方式起吊格构柱，设置临时耳板来连接固定预埋件和柱脚，格构柱下端处在柱脚位置，上端处在塔架牛腿位置，使得塔架和格构柱形成稳定的框架单元。随后，重复上述操作，继续安装第二节支撑塔架和第二节格构柱，精准调节格构柱倾角，根据顶升距离，在支撑短柱位置设置调节块，塔架结构上焊接固定定位挡板、支撑短柱和调节块，共同组成倾角调节固定装置，并使得格构柱、塔架形成整体稳定框架单元，完成格构柱安装作业。

2.2胎架卸载

在胎架卸载环节，考虑到综合体建筑的建设周期较长，为加快施工进度，节省一部分工期时间，推荐采取阶段整体卸载法，阶段整体卸载法有着施工组织难度小、合理配置施工资源、后续工序提前插入施工、同时卸载点位少的显著优势。分阶段整体卸载以两条施工线路并行开展钢结构安装、钢结构卸载活动为卸载思路，确定钢结构安装程度达到标准值后，对已安装部分钢结构进行卸载处理，卸载区域采取整体卸载方式，卸载区域和微卸载区域联系杆件则采取滞后施工方式，以此来控制钢结构变形程度。此外，缓慢下降千斤顶来释放荷载，千斤顶下降时，出现桁架形变现象，进而形成一定的内部应力，以卸载过程作为施工监测内容，出现异常状况时立即暂停卸载作业，卸载结束后确定钢结构重力作用下的各点位挠度值，测量远端挠度、近端挠度差值，要求挠度差值不超过允许偏差范围。

2.3钢结构合拢

在钢结构合拢环节，结构体系同时存在多处合拢施工段，如后装带位置钢构件，合拢效果直接关乎钢结构整体安装质量，要求施工人员重点关注残余应力、合拢安全等问题。对于残余应力问题，焊接会形成一定的残余应力，残余应力过大时会影响到合拢口焊接成型质量，需要提前在间隙位置预留足够变形余量，并在焊接期间额外采取热处理技术，保持焊件温度匀速冷却状态，用于抵消温度变形和钢构件收缩变形。对于合拢安全问题，合拢段安装就位后，合拢口无需开展焊接连接作业，其余所有接口部位必须进行焊接连接，通过增加焊接点位来保证钢结构整体稳定性。

2.4厚板焊接

在厚板焊接环节，推荐采取CO2气体保护焊工艺，此项工艺可以在短时间内稳定输入大量热量，有利于快速提升焊接温度与稳定工字焊接过程，要求CO2含量≥99.5%，水蒸气与乙醇总含量控制在0.005%左右。焊接期间，重点掌握焊前清理、焊前预热、焊后保温三道步骤的技术要点。第一，焊前清理。清理焊缝表面灰尘锈迹与积水，保持焊缝接头洁净、表面干燥、无锈无水状态。随后，打磨焊件坡口表面，以两侧50 mm作为打磨范围，处理凹坑、凸起等质量缺陷。第二，焊前预热。为确保施焊过程不会形成过大的焊接收缩应力，使用氧气——乙炔火焰加热法，把预热温度控制在120~150 ℃，焊接坡口两侧120 mm为预热范围。第三，焊后保温。结束焊接作业后，立即进行消氢处理，处理期间把加热温度保持在200~250 ℃，焊缝两侧紧密包裹岩棉等保温材料，焊缝缓慢冷却，避免因温度降速过快而形成焊接裂纹。

结语

大跨度空间结构设计是现代建筑技术的重要组成部分，对于提高建筑质量、满足人们需求和促进社会发展具有重要意义。未来，随着新材料、新技术和新工艺的不断涌现，大跨度空间结构设计将面临更多的机遇和挑战。因此，我们需要不断学习和探索新的设计理念和方法，以适应不断变化的市场需求和技术发展趋势。同时，我们还应关注环境保护和可持续发展的要求，积极推动绿色建筑和大跨度空间结构的融合发展。

参考文献

[1]谢甫哲,陈丙辉,袁小军,等.复杂空间钢结构多点同步提升施工与监测技术研究[J].建筑结构,2023,53(14):126-131.

[2]夏志远,邓星河,唐柏鉴,等.大跨屋盖空间桁架施工方案及应力监控分析[J].空间结构,2023,29(03):68-75.

[3]贺海建,左志亮,杨春,等.某高铁站台大跨度空间钢结构健康监测及其预警系统研究[J].建筑钢结构进展,2020,22(02):81-89.