摘要:介绍了大跨度钢结构施工的特点，根据大跨度钢结构内部构件的受力原理，对其进行了力学分析，并提出了大跨度钢结构施工的技术要求，总结了结构吊装施工中的注意事项，为大跨度钢结构施工积累了经验。
关键词:大跨度钢结构，预应力，吊装施工，受力原理
引言
随着我国经济的飞速发展，已有的钢结构建筑已经远不能满足当代厂房、库房、体育馆等的功能需求。因此大跨度钢结构应运而生，大跨度钢结构的产生，不仅解决了普通钢结构不能满足的空间需求，而且解决了钢结构的美观性［1-6］。大跨度钢结构根据其刚性的区别及组合形式的不同，可分为刚性结构、柔性结构和刚柔混合型结构。由于刚柔混合型结构应用范围和应用率较低，因此本文仅对刚性结构和柔性结构的施工进行分析。刚性大跨度结构主要由大量钢杆组合而成，如常见的网架结构和桁架结构等。刚性大跨度结构根据单元形式的不同，可分为空间网格结构和空间结构。柔性大跨度结构根据其受力的不同，可分为竖直平面结构、平面结构和空间结构。柔性结构由于具有较好的力学性能，受力均匀，荷载主要集中于竖直、水平和空间构件上，因此在正常使用时较少出现应力集中的现象，如常见的膜结构和悬索结构等。
1大跨度钢结构施工的特点
1．1大跨度钢结构的特点大跨度钢结构的跨度大、所用钢材强度等级高、所用钢板厚度较厚。目前在我国的大跨度钢结构中，短跨方向的跨度为100m的建筑已经不再罕见，但根据我国超限专家委员会编制的相关规范等，对不同跨度等级的钢结构所采用的钢材等级也不同，如Q390C，Q420C，Q460E等型号钢材，确保钢结构在正常使用过程中的安全可靠性。1．2大跨度钢结构节点形式及其复杂性目前，我国的大跨度钢结构节点形式较多，其节点形式也随着社会发展的需求而逐渐增多，并且大跨度钢结构的结构形式也主要向着组合结构的形式发展，如北京奥运会羽毛球馆顶是采用世界上跨度最大的弦支穹顶钢结构作为屋面，广州国际会展中心则以张弦桁架结构作为屋面，水立方游泳馆则以泡沫理论的多面体钢结构作为屋面，鸟巢则以复杂桁架结构作为屋面。近些年，仿生态建筑成为当下建筑的发展方向，采用钢结构制作的仿生态建筑所采用的节点形式包括铸钢节点、锻钢节点和球铰节点等多种节点形式，由于这些节点的存在使得建筑形式更加丰富多彩。1．3大跨度钢结构设计难度大大跨度钢结构在设计时，由于钢结构跨度较大，因此其内部所使用的构件数量较多，大多数构件数已经超过十几万个，并且其内部相同构件数较少，因此所包含的构件种类较多，在实际施工时提高了施工难度，因此在施工安装前，施工单位应对钢结构的主要受力构件进行试验并提供检测报告。
2大跨度钢结构施工过程中的受力原理
大跨度钢结构施工过程中，其受力状态随着施工进度的不同而存在连续性变化。当某一阶段施工完成后则会对另一阶段的受力和位移产生一定影响，因此当施工完一阶段后则应对该阶段的受力及位移挠度等变化进行监测和计算，得到其累计内力和位移效应。在进行计算时，应考虑到外部温度、外界约束条件、后续增加构件数和预增加应力等影响，确保计算的准确性。2．1拉格朗日计算方法在对大跨度钢结构施工中跟踪监测计算时，宜采用拉格朗日计算方法对不断变化的施工过程中的结构进行计算。拉格朗日计算方法一般针对大型构件变形稳定后出现的位移作为构件的运动已知点，因此计算时拉格朗日坐标可作为构件的物质性代表坐标。2．2ANSYS有限元模拟分析在进行施工前，使用ANSYS有限元模拟分析，可基本达到真实有效的构件受力及位移变化。在具体施工时，大型构件的边界条件对构件的应力和位移等变化影响较大，采用拉格朗日计算方法仅能对其运动位移进行计算，而ANSYS有限元模拟分析可对整个构件及其整个结构的内力和位移变化进行分析。ANSYS有限元分析软件根据计算机强大的计算功能，将大型构件划分为无数个微小单元，从而可得到具有针对性的钢结构力学分析方式。
3大跨度钢结构构件施工过程中的力学分析
在对大跨度钢结构构件进行力学分析时，采用构件简化的方式进行计算，简化后的受力分析如图1所示，图1中实线代表构件设计位置，虚线代表构件安装后的变形情况，点划线为后增加构件。图1a)为新增构件与原构件无连接节点，因此在设计时应以新增构件的节点设计坐标为新节点坐标，新节点O点的坐标可通过原有构件KL和新增构件|KL|的长度进行计算得到;图1b)中|KL|为新增构件，但无新增节点，其构件长度可根据构件变形后J，K的节点变化的距离进行计算得到;图1c)中|IP|为新增多节点构件，其构件长度计算较为复杂，在后续研究中将对其进行分析，本文不再赘述。采用有限元模拟分析对大跨度钢结构进行分析时，若出现图1a)中所示情况时，可采用设计坐标单元激活的方式直接进行计算，如出现图1b)中所示情况时，可采用新增构件的节点与原构件节点重合的方式进行计算，当新增构件向内合龙时，新增节点坐标的设计位置可采用有限元模拟单元激活的方式计算。以上分析为新增构件时的计算方法，若进行边界条件变动或构件删减时也可采用ANSYS进行分析，可得到相应的计算方法。对大跨度钢结构施工时采用此方法进行计算后再进行施工，则可降低施工的难度和复杂性，可一定程度的提高其计算效率。
4大跨度钢结构施工技术的新要求
4．1精度高、难度大1)一般所建的大跨度钢结构均为国家重点工程项目，因此要求安全等级和施工质量等级均较高，并且所使用的构件数量较多，构件长度较长，因此在施工时为确保施工安装精度，施工时的注意事项较多，并且钢结构构件采用电焊连接时其焊缝等级大多为一级焊缝，对施工人员的施焊水平要求也较高。2)在对大跨度钢结构构件进行安装施工时，部分构件可在出厂前进行预安装，以降低现场安装施工误差，并且安装施工时宜吸取西方发达国家的先进技术和理念进行施工，在确保施工质量的前提下，保证工程施工的经济效益。4．2预应力技术在钢结构中使用预应力的方法可将钢结构构件的应力进行重新分布，通过使用预应力对结构构件施加预荷载，在一定程度上提高构件整体强度。但对构件施加预应力后，构件的受力状态发生改变，并且其内部应力峰值也较原构件降低。施加预应力后，构件的内部荷载达到了相互平衡，并且减小了构件的截面尺寸，而直接减少用钢量，在满足受力要求和安全性的前提下，降低其施工成本。对钢结构构件进行预应力施加后，钢结构构件的抗拉、抗压强度均能得到充分发挥应用，有利于钢结构构件满足弹性承载力。如在悬索结构中，对其刚性拱和柔性索均进行预应力操作，可充分利用刚性拱的抗弯压性能和悬索的抗拉性能，而直接提高了结构的安全可靠性。
5大跨度钢结构吊装施工注意事项
在大跨度钢结构吊装施工前和施工过程中应注意以下事项:1)在对钢构件进行吊装前，应对施工操作人员进行安全技术交底;2)所有吊装的起吊设备均应具备国家年检质量合格证，设备手续齐全，吊装司机应持证上岗;3)吊装过程中，信号员传递信号时应统一、明确、吐字清晰、传递及时;4)吊装机起吊时严禁超载、斜吊和拉吊，起吊过程中严禁吊装机下部有人行走或停留;5)多台吊装机协同起吊时，吊装机的臂杆应保持一定距离，避免吊装过程中互相碰头或重心重合而造成吊装机一方向偏重。起吊时起吊速度一定要慢，由于大跨度构件长度较长、荷载较大，因此为确保吊装机和周边工作人员的安全应减小构件运动的惯性。
6结语
通过上述对大跨度钢结构的特点及施工特点、施工中的受力原理、力学分析及施工技术的新要求和施工注意事项进行分析，得到大跨度钢结构施工时的难点和施工要点。由于大跨度钢结构施工的方法与普通钢结构施工方法基本相同，因此本文不再对常规的施工方法进行赘述，而直接对大跨度钢结构的施工要点进行分析，为以后大跨度钢结构施工提供一定参考。
参考文献:
［1］王飞朋，苗杰．大跨度钢结构建筑施工技术研究［J］．江西建材，2015(24):101-102．
［2］陈国庆，于江，刘雨婷，等．有限元法在大跨度钢结构卸载模拟分析中的应用［J］．建筑技术开发，2015(12):23-26．
［3］王权．大跨度空间钢结构在房屋施工中的应用［J］．江西建材，2015(2):57-58．
作者：朱强 单位：山西省体育文化发展中心
