陈桥生大跨度空间钢结构的发展与施工技术文档格式.docx
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2大跨度空间钢结构的发展特点
大跨度空间钢结构主要是指网架、网壳结构及其组合结构（两种或两种以上不同建筑材料组成）和杂交结构（两种或两种以上不同结构形式构成）。
这是一类结构受力合理、刚度大、重量轻、杆件单一、制作安装方便的空间结构体系，在近一二十年来获得了蓬勃发展，其主要发展特点如下：
2.1结构形式灵活多变
结构形式的多样化应该是空间结构最突出的优点之一，空间结构能以其丰富的外形来满足使用功能与建筑造型的要求，从上世纪60年代网架在我国开始获得应用以来，到80～90年代大、中、小跨度的网架几乎已经遍及各地，空间结构形式灵活多变。
近年来兴建的大型公共建筑大多都采用了钢管杆件直接汇交的管桁架结构，它的外形丰富、结构轻巧，传力简捷、制作安装方便、经济效果好，是当前应用较多的一种结构体系。
对于空间结构形式的变化，一方面是建筑上的需要，另一方面在技术上也能做到，因此世界各国正以较大的热情进行互相学习与应用，预计今后还会有更大的发展，使空间结构的造型更趋丰富多彩。
2.2杂交结构兴起
“杂交”结构是由不同类型结构组合而成的一种新的结构体系，它有别于采用不同材料而组成的“组合”结构。
它最大的优点是充分利用某种类型结构的长处来避免或抵消另一种与之组合的结构的短处，从而改进了整个结构体系的受力性能。
前几年在中国研究并开发的横向加劲单曲悬索结构就是一种桁架与单向索组合而成的杂交结构体系，美国工程师盖格尔所开发的“素穹顶”（CableDome）则是典型的索与膜的杂交结构。
在“素穹顶”的基础上，美国工程师李维开发的“双曲抛物面--张拉整体穹顶”（Hypar-TensegrityDome）则是杂交结构先进理念的体现。
2.3现代预应力技术的引入
预应力大跨度空间钢结构是把现代预应力技术引用到例如网架、网壳等网格结构、索、杆组成的张力结构、立体桁架结构等一类大跨度结构，从而形成一类新型的、杂交的预应力大跨度空间结构体系。
如预应力网格结构、斜拉网格结构、索穹顶结构、双曲抛物面---张拉整体穹顶在内的索穹顶结构、张弦梁结构、弓式预应力钢结构等。
这一类结构受力合理、刚度大、重量轻,制作安装也比较方便,在近十多年来得到开发与发展,并在大跨度、大柱网的公共与工业建筑中得到应用,且受到国内外科技界和工程界的关注和重视。
通过适当配置拉索，或可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”结构体系将改善原结构的受力状态，降低内力峰值，增强结构刚度、技术经济效果明显提高。
2.4高强轻质材料的应用
在普通碳素钢获得大量应用的同时，膜材也在许多大跨度建筑中获得了应用。
膜结构是当前我国正在兴起的一种空间结构，其中应用较多的是张力膜结构，这是一种以玻璃纤维织物或聚酯纤维织物为基层，以聚四氟乙烯或PVC为涂层的膜材与不同类型的支承体系间的组合，而其支承体系可为索—支柱或索—杆结构，它们常在膜材获得预应力后协同工作。
支承体系也可采用杆系结构，如空间桁架，网壳等，即刚性骨架支承张力膜结构。
在膜结构兴起的同时也必然为空间钢结构的应用与发展提供了更广阔的空间。
2.5计算技术越来越进步
随着计算机的发展和广泛应用，非线性有限元分析方法兴起，并逐渐成为结构稳定性分析中的有力工具。
近年来，计算技术已经有了长足的进步,许多单位研制开发了商品化专用设计程序,它们都是建立在理论研究与大量工程实践的基础上而推向市场的.它们一般都具有完善的前后处理功能,可在微机上进行复杂的空间网格结构设计.有的软件除用于空间网格结构外,也可用于索、杆、梁体系的设计分析.这些程序的推出为大跨空间钢结构设计提供了有效手段,也为大跨空间钢结构的推广应用创造了有利条件。
2.6试验研究愈来愈广泛
随着大跨度空间钢结构结构形式的日益复杂及新型材料的广泛应用，理论计算和研究彰显重要。
但是，理论计算也存在一定的局限性，为确保结构体系既安全可靠、技术先进，又经济合理，确保理论分析的正确性和可靠度，必须采取一定的试验手段，如模型试验、节点试验及实体结构测试，通过试验，为工程设计提供一些有价值的参考数据和依据，以解决一些目前尚无足够可信度的理论分析模式能解决的一些难题，解决无标准、规范和首次采用的新型节点的设计和制作工艺。
2.7空间结构应用范围扩展
近十年来，空间结构是建筑结构中最为重要、也是最活跃的发展领域之一。
从结构形式来说，从网架、网壳到膜结构。
从材料来说，从天然材料到人工合成材料；
从计算分析来说，从静力到动力、从线性到非线性。
在原有的体系上，不论是设计或施工都走向成熟，与此同时也孕育着新的应用范围。
大跨度空间钢结构的发展现状与趋势
3.1大跨度空间钢结构的发展现状
近几十年来，世界上建造了成千上万的大型体育馆、飞机库、展厅，采用了各类空间结构，各种类型的大跨空间结构在美、日、欧等发达国家发展很快，建筑物的跨度和规模越来越大。
目前，尺度达150m以上的超大规模建筑已非个别，结构形式丰富多彩，采用了许多新材料和新技术，发展了许多新的空间结构形式，如空间网格结构（网壳结构、平板网架）、张力结构（悬索结构、双曲抛物面索网结构、膜结构或索-膜结构、整体张拉式索一膜结构、可开合结构），许多宏伟而富有特色的大跨度建筑已成为当地的象征性标志和著名的人文景观。
可以这样说，大跨空间结构是最近三十多年来发展最快的结构形式。
从今天来看，大跨度和超大跨度建筑物及作为其核心的空间结构技术的发展状况已成为代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。
目前空间结构向着轻量、大跨方向发展，这种发展趋势要求必须千方百计降低结构自重。
降低结构自重的途径一方面是研制运用轻质高强的新型建筑材料，另一方面是研究开发合理的结构形式。
张拉整体结构和膜结构是降低结构自重的较理想的结构体系，可跨越很大的跨度，目前跨度已做到200m左右。
另外适应全天候气候条件的开合结构、施工便捷的折叠结构等也都有属于现代空间结构新发展的课题，国外已有很多的工程应用。
3.2大跨度空间钢结构的发展趋势
由于张拉整体结构、膜结构既可以最大限度地利用材料和截面的特性，用尽量少的钢材建造超大跨度建筑，又可以塑造优美灵活造型，所以它们仍然是大跨度空间钢结构发展的主流。
而随着当代人类物质文化生活水平的提高、计算理论与计算机技术的飞速发展及人们对体育场馆功能要求的日益完美，复杂、新颖的预应力空间钢结构、开合结构、折叠结构及杂交结构将会获得更为广阔的应用和发展。
南京奥林匹克体育中心主体育场钢屋盖从某种程度来讲，就是一种杂交结构，它是由钢桁架拱、吊杆、马鞍型屋面网格结构及支撑柱组成的杂交结构，与纯拱结构、壳体结构具有不同的受力特点和失稳模式。
分析表明，屈曲（失稳）现象发生时，部分结构构件的应力已先期达到或超过屈曲状态，说明结构强度极限状态的到达将先于稳定极限状态。
在结构体系形成后，在给定的荷载工况下，本结构的安全性由强度设计与单杆稳定设计控制。
4大跨度空间钢结构施工技术
近年来，各国在研究大跨度空间结构的结构形式的同时，也在不断地研究和提高大跨度空间结构的施工技术。
目前，国内外已有很多先进的空间结构施工技术，如高空散装技术、地面分段组装与分段吊装技术、地面分段组装与提升及整体倾斜技术、地面整体组装与液压提升技术、地面分片组装与滑移技术、地面组装与定点吊装及整体滑移技术等。
但是，各种施工技术都有其优缺点和一定的针对性，不同的结构形式、场地条件及工程实际情况，所采用的施工技术也会有所不同。
对于南京奥林匹克体育中心主体育场钢屋盖此类大跨空间结构，主拱和屋面箱型梁互相依托，形成稳定的空间结构体系，国内外却无先例，更无成熟的类似施工技术。
可以断定，此类结构的施工技术必将成为我国乃至世界建筑技术领域研究的课题。
下面结合南京奥体主体育场钢屋盖工程实例，重点阐述一种新型施工技术。
4.1工程概况
南京奥体中心主体育场屋顶结构体系是由与水平面成45°
倾斜的、跨度为361.582m的三角形变断面的钢桁架拱和由数十条钢箱型梁形成的中空马鞍形空间结构组成，罩棚的径向长度为68.14m～27m，覆盖面积4万多平方米。
主拱南北方向对称布置，最高点为拱顶，标高达64.719m，钢结构总量约12153吨。
整个屋盖结构体系在各种不同荷载组合情况下，分别由主拱和钢箱梁外端的“V”型支撑将荷载传至下部结构。
45°
倾斜主拱宛如飘带，线条简明，结构体系造型新颖美观。
图1建造中的南京奥体主体育场效果图
4.2难点分析及施工方案的选择
4.2.1难点分析
由于南京奥体主体育场屋盖结构体系的特殊性，倾斜主拱通过前吊杆、辅助杆及后撑杆（因三种杆件形成M形，故统称M杆）与屋面箱型梁相连，主拱通过前吊杆为箱型梁悬臂端提供竖向约束，而箱型梁通过后撑杆则为主拱提供平面外的侧向稳定，两者互相依托，其传力体系异常复杂。
在整个结构体系未形成之前，屋面系统与主拱皆非独立的结构静定体系。
为保证安装过程中结构的稳定性，屋面和主拱安装时必须设立临时支撑系统，安装完成后屋面临时支撑需进行卸载和拆除，卸载过程中结构体系逐步转换，稳步成型。
但是，杆件内力和临时支撑的受力在卸载过程中发生变化，工况分析相当困难，变形控制难度大。
施工过程中，不但要考虑吊装方案、吊装顺序、支撑系统布置方案、铸钢件焊接方案、温度和焊接变形控制方案、主拱组装和翻身方案、主拱合拢方案，而且还要考虑吊装完成后的整体卸载方法和顺序，施工技术难度相当大。
该组合结构国内尚无先例，国际上也实属罕见。
为保证结构的可靠性，设计方案经过三番五次修改与论证，结构验算也分别由同济大学和东南大学采用四套不同的计算软件进行。
为了验证理论分析的正确性和可靠度，设计上还通过1:
20模型试验取得的数据来分析比较。
所以，无论是设计还是施工，本工程都具有相当大的难度。
其施工难点主要体现在以下四点：
（1）支撑胎架的设置：
本工程中的支撑胎架既是结构安装过程中的稳定支撑，又是安装操作平台，同时，屋面和主拱安装完成后屋面临时支撑需进行卸载，卸载过程中临时支撑的受力会产生相应的变化，所以支撑胎架的布置合理与否将直接影响到施工安全及结构体系的形成。
而支撑胎架的高度高、体量大更加大了支撑胎架的设置难度。
（2）大跨重型结构的吊装：
由于该工程结构体系复杂，屋面箱型梁长度长（最长71.332m），断面大（最大500mm*2100mm），单根箱型梁重量大（最重59.409t）；
而主拱更是跨度大，高度高，节点复杂，高空拼装难度大，不适合高空散装，而应分段吊装。
主拱分段吊装时，吊装高度高，工作半径大，施工困难。
在主拱和屋面构件全部安装完成并形成结构体系前，主拱和屋面构件均为不稳定体系，主拱吊装时采取大量的临时稳定措施，以确保安全。
同时，主拱吊装时间长，会受温度变化而产生收缩变形及温度应力，温度变形及温度应力控制难度大。
（3）现场焊接：
本工程中既含有φ1000*60进口厚壁压制钢管、最大断面为2100*500及钢板厚度达85mm的变断面箱型梁，又有铸钢球及各种铸钢节点，结构类型多样，造型奇特。
整个屋盖系统除局部位置采用销接外，其余部位均采用焊接连接，现场焊接工作量相当大。
而高空焊接、厚壁钢管焊接及铸钢件的焊接（铸钢件用量达1643.5t）更加大了焊接难度。
（4）钢屋盖系统整体卸载：
卸载过程既是拆除支撑胎架的过程，又是结构体系逐步转换过程，卸载过程中，结构本身的杆件内力和临时支撑的受力均会产生变化。
由于本工程安装后的屋面梁和主拱互相依托，结构传力途径不明确，受力情况复杂，卸载时结构体系的变形相对较大（箱型梁悬臂端最大达302mm）且不均匀，卸载的先后顺序、卸载方法及工艺都会对结构本身和支撑胎架产生一定的影响，卸载难度大。
4.2.2施工方案的选择
对于一个工程来说，安全是前提，经济是最终目的，技术是保障，施工方案的选择必须综合考虑各方面的因素。
南京奥体中心主体育场钢屋盖系统的结构形式复杂、构件类型多样、工期紧张、现场周边环境复杂，根据这一实际情况，通过经济对比分析、工况分析，同时考虑到设计要求、施工安全，最终选用“一套支撑胎架，两组吊机”的作业方案，“分区安装、齐头并进”的施工原则。
主拱根据吊机工作能力分成21段现场分段连续组装，待屋面系统吊装完成后再分段吊装。
整个钢屋盖系统的吊装工序顺序为：
支撑胎架——V形支撑前支撑柱——屋面钢箱梁——V形支撑后支撑柱——环梁、连系梁——屋面支撑——M杆——主拱——檩条、天沟、马道等，逐区间推进，待屋面系统及主拱吊装完成后，屋面系统分级、分区逐步卸载，最后拆除支撑胎架。
4.3施工技术
4.3.1支撑体系设置
本工程中45°
倾斜主拱和屋面箱型梁互相依托，45°
倾斜主拱向外斜躺在屋面上，而马鞍型屋面通过吊杆悬挂在斜拱上。
在整个结构体系未形成之前，屋面系统与主拱皆非独立的结构静定体系，安装过程中的结构稳定全部靠支撑体系来承担，支撑体系的作用极为重要，支撑体系的选择和布置十分关键。
（1）支撑体系布置原则
a.安全、可靠，方便施工（包括胎架本身的施工和钢屋盖的施工）。
b.尽量符合设计意图，即施工时的结构受力状况与最终结构本身的受力状况大致一致。
c.尽量减少安装时的屋面变形，便于安装精度的控制。
d.尽量简化结构的受力和支撑胎架的受力情况。
e.尽量减少对下部混凝土看台结构的影响。
f.卸载要安全、可行，方便施工。
（2）支撑体系设置
根据以上原则，主拱与屋面系统共同设置一套支撑胎架，主拱施工直接在屋面系统上进行，即屋面系统下设置支撑胎架，并支承在箱型梁下，待屋面系统安装完毕后，再安装主拱。
主拱安装时，出屋面部分主拱单独设置支撑胎架，对于屋面内主拱部分，先将连接主拱和屋面箱型梁的M杆安装就位，主拱安装时直接支承在M杆上。
对于东西区屋面，支撑胎架均布置在箱型梁下对应于主拱前吊杆和后吊杆位置处，以保证主拱的安装精度及安装时的主拱荷载通过箱型梁直接传递到支撑胎架上，避免箱型梁的施工受力状态与最终受力状态出现过大的差异而破坏。
实际施工时，先将M杆安装就位，并在M杆上增设临时支撑杆，四周搭设脚手架操作平台。
此方案不但合理应用了结构本身当作支撑，大大减少了临时支撑胎架的数量，并降低了支撑的高度，确保了主拱安装时的稳定性。
支撑胎架采用1000*1500的格构式钢架，下部通过H型钢转换梁将荷载直接转移到混凝土柱上。
图2屋面临时支撑体系图3主拱临时支撑胎架
4.3.2吊机选择和施工组织
（1）两组吊机，流水作业；
由于本工程构件单体重量大，起吊高度高，所以需选用特大型吊机。
根据现场场地条件（体育场内跑道基层处理已完成，适合走大型吊车，内场已平整并已基层处理完毕，适合大型构件组装）、箱型梁的重量及吊装半径，屋面系统由一台300t履带吊和一台600t履带吊作为主吊机、一台150t履带吊和一台M440行走式塔吊作为辅助吊机负责吊装。
其中，南北方向采用300t履带吊进行吊装。
东西方向采用600t履带吊进行吊装。
主拱采用两台50t履带吊在地面分段组装，组装完成后，由300t履带吊和600t履带吊分段吊装。
300t在场外，600t在场内，300t、600t履带吊在东、西区来回穿插施工，屋面施工和主拱安装形成大流水作业，主拱的地面组装和分段吊装形成小流水作业。
（2）分区施工，齐步并进；
由于屋面及主拱东西南北对称，东西两侧分别安装时自成整体稳定体系，故可分区同时进行施工，根据结构体系的实际情况、现场场地条件、吊机的搭配，整个工程分成东、西两大施工区域，两大施工区域分区施工，穿插进行，流水作业，齐步并进。
安装时，每区均从低往高进行，待屋面全部施工完毕并形成整体后开始安装屋面内主拱，以保证屋面体系和支撑胎架体系的整体稳定性。
4.3.3主拱施工工艺
（1）地面组装
主拱是该工程的关键，其组装精度和质量直接影响到主拱的安装及最终的工程质量，为确保组装精度及便于测量控制，主拱采用卧式连续拼装法，通过三维建模来搭设组装胎架并通过全站仪来进行测量控制。
由于主拱分两大部分：
屋面外主拱和屋面内主拱，所以，两大部分只能分别在场外和场内进行组装，其中1～4、18～21分段在场外进行拼装，5～17分段在场内进行拼装。
为了确保场外、场内拼装的主拱分段高空能够顺利进行对接，避免出现错口现象，屋面外和屋面内交界处的主拱分段在进行拼装时，必须严格控制分段点的尺寸精度。
实际操作时，采用坐标定位法，即根据交界处屋面外主拱分段分段点最终的坐标来确定交界处屋面内主拱分段分段点的坐标。
图4屋面外主拱组装图5屋面内主拱组装
（2）分段吊装
主拱组装完成后，分段吊装就位。
吊装顺序为：
从两端向中间，即从拱脚处开始施工，以充分利用拱脚固定端（拱脚预埋在混凝土大承台内）的刚度来控制主拱安装时的侧向稳定。
由于主拱采用卧式连续拼装法，所以吊装前要进行翻身。
因体形庞大，翻身难度极大，翻身时采用双门滑轮，以减少翻身过程中的冲击。
本结构为空间马鞍型组合结构，构件的空间方位、角度及重心均不相同，为保证吊装及就位准确、平稳，所有主拱分段吊装前均要根据三维模型通过平衡滑轮和倒链来进行角度调节，并根据计算机准确计算得出的重心确定吊点的位置，确保高空对口就位准确无误。
（3）中间合拢
对于大跨度拱，其温度变形和温度应力是较大的，主拱在从两端往中间安装的过程中，势必受温度变化的影响而出现精度偏差，从而造成最后一段主拱无法顺利安装就位。
同时，最后一段主拱的安装、焊接将直接影响到主拱的质量和受力情况，为此，施工时设置合拢段，合拢段的长度根据合拢时的实际测量尺寸来进行下料。
为保证合拢段的质量，在从两端往中间安装主拱的过程中，逐段消除安装误差，合拢前要进行连续观测，确定温差对拱身长度的影响，并根据理论计算的主拱温度应力情况，确定合适的时间及合拢温度，低温（20℃）安装就位，高温（28℃）定位焊接。
为避免焊接过程中因温差出现过大变化产生的温度应力将焊缝撕裂，焊接前要将定位块固定好，每根主弦管沿圆周设6块，通过定位块来抵抗温度应力的作用，焊接时气温需相对稳定，并由两人对称连续施焊。
图6主拱从两端往中间安装图7主拱合拢
4.3.4现场焊接
由于本工程独特的结构形式，主拱和马鞍型屋面互为依托，结构体系极为复杂，工程安装完毕后，还要进行支撑体系的卸载工作。
卸载时，结构体系发生转化，杆件内力重新进行分配，焊缝受力也将出现质的转变，焊接质量尤为重要。
为确保焊接质量，特制订了一系列技术措施：
（1）根据焊接工艺试验制订专门的焊接工艺，特别是铸钢件焊接工艺、厚板及厚壁钢管焊接工艺。
（2）通过焊接培训和焊接考试塞选优秀的焊工，对结构重要部位（主拱、箱型梁及V形支撑柱）及屋盖钢结构在典型荷载工况下容易出现失稳的部位（即结构的薄弱部位，如内环梁、拱与屋盖之间的后吊杆、V形支撑柱及拱的局部位置）选用最优秀的焊工进行焊接，定人定岗。
并且这些部位的焊缝做到过渡平缓，避免出现应力集中现象。
（3）严格控制原材料的质量，保证其符合设计规范要求，特别是厚板的Z向性能和铸钢件的各项性能指标，对影响铸钢件焊接性能的S、P含量的指标均控制在0.015以内。
（4）厚壁钢管及厚板的焊接，焊前进行预热，焊后保温缓冷；
（5）搭设防风屏及雨布，做好防风防雨措施；
（6）进行严格的焊前技术交底和焊后质量检查。
4.3.5卸载
本工程的卸载过程既是拆除支撑胎架的过程，又是结构体系逐步转换过程。
卸载时，既要确保安全、方便施工，又不能改变设计意图，对构件的力学性能产生较大的影响。
为了保证卸载时相邻支撑胎架的受力不会产生过大的变化，同时保证结构体系的杆件内力不超出规定的容许应力，避免支撑胎架内力或结构体系的杆件内力过大而出现破坏现象，保证结构体系可靠、稳步形成，必须采取先进、合理、可行的施工方案。
（1）卸载原则
a.确保结构自身安全和变形协调。
b.确保支撑胎架安全。
c.便于现场施工组织和操作。
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