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1、钢结构工程重点施工技术罗兴隆主要内容 本次报告是从我个人角度对上海宝冶所承担的一些重要工程关键施工技术的总结，来说明这些施工技术值得研究的地方。我本人是从事施工辅助措施设计以及力学分析的，因此难免容易将问题从这些方面来考虑，但是从我所经历过的这些工程来看，力学分析在关键施工技术上的确起着非常重要的作用。希望本次报告能起到抛砖引玉的作用。主要内容如下：n当前钢结构工程施工技术的新特点n大型安装单元的吊装与提升n大跨度高度超静定钢结构的合拢n大跨度钢结构的卸载技术n钢屋盖钢结构累积滑移技术n钢结构安装的初始应力探讨当前钢结构工程施工技术的新特点当前钢结构工程施工技术的新特点 目前各国钢产量均在提高
2、，重大钢结构建筑项目越来越多。我国钢结构也出现了空前发展的局面，各种体育、展览、娱乐等活动所需要的大跨度结构、城市日益扩大所需要的人文及市政建筑、生产扩大化所需要的大型工业厂房等项目争先上马，钢结构有了更加广阔的用武之地，但也相应地增加了设计与施工的难度。钢结构施工技术出现了新的特点。q设计与施工关系更加密切。设计要充分考虑施工方案，并为施工提供便利条件，特别要考虑到关键施工阶段；施工要充分考虑设计意图，给业主提供相对完善的钢结构建筑，不存在质量隐患，降低加工与安装形成的初始应力。q施工方案系统工程化。施工顺序错综复杂，组织管理体系需要完善，措施设计需要更先进的力学计算手段，涉及多学科交叉，如
3、吊装或提升时要考虑风的静力甚至动力特性，要考虑多种监测手段。q配套专业也越来越重要。安装虽然是主线，但焊接工程、螺栓工程、涂装工程的难度也越来越大。大型安装单元的吊装与提升大型安装单元的吊装与提升 大型安装单元采用吊装或者提升方法进行就位时，首先要确定机械设备或者液压设备的选用，充分考虑设备的性能，以及吊装或者提升过程中荷载的变化，这些变化主要来自于：q安装单元自身空中姿态的变化，导致吊绳或钢铰线荷载的不同分配。如吊装过程中脱胎、翻身、立直、就位等阶段各吊绳的荷载均不同；q各种因素造成荷载分配的不均匀，这些因素包括风荷载、安装单元自身质量分布可能的不均匀，例如迎风面较大的桥吊或龙门吊；q安装单
4、元在整体过程中自身质量的变化，如龙门吊在提升过程中需要安装刚性腿和柔性腿。 这些变化也对安装单元自身的内力分布和变形值有一定的影响，因此需要对整体过程进行计算仿真分析。涉及到的问题是：q施工过程中风荷载的取值，正常设计取值按建筑物的使用年限来确定风荷载的重现期，但这里仅考虑施工期间的影响，原则上取值应该比设计低，因为施工期间出现与设计同样大风的概率要低得多。如果与设计取同样的可靠性，那么施工时风荷载取值应该要低。大型安装单元的吊装与提升大型安装单元的吊装与提升q要确定安装单元的重心，这个工作本身比较简单，CAD的实体模型就可以得到重心，如果采用杆系，也有很多办法，如通过计算反力来反算重心、在A
5、NSYS中还可以直接写APDL来得到。但重心对于吊点或者提升点的选择却非常重要。如果重心准确，尽量让主绳所在平面通过重心，这样辅绳的荷载小，调节起来就不会费劲。q安装单元在吊装或者提升时，属于一个约束不足的体系。我看过很多计算书，在计算时随意加约束，甚至有的直接在吊点处加铰接约束，导致结果非常不可信。有种方法还比较可取，就是直接将吊绳也参与计算，对少量的点取水平约束。但更符合实际的做法应该是根据重心与吊钩位置共垂线或者垂面以及变形协调关系进行理论推导，确定潜在的约束因素。q实际安装单元的重心与计算重心存在较小的偏差，也就是重心存在位置上的扰动，对于重型安装单元，应该分析该因素对于吊荷载荷载分配
6、的影响。q安装单元就位时的稳定措施设计及稳定性分析，需要进行屈曲分析。大型安装单元的吊装与提升大型安装单元的吊装与提升 下面是国家体育场桁架柱的吊装图片及分析。桁架柱采用两段吊装，最重的吊装分段为350t左右，脱胎、翻身采用800t和600t的履带吊进行双机抬吊，立直后由800t吊装至高空就位。大型安装单元的吊装与提升大型安装单元的吊装与提升 下面是国家体育场屋面主桁架的吊装图片及分析。屋面主桁架柱分为平面主桁架与立体主桁架两种。第一个吊装单元就是立体主桁架N5(左图与右图)，N5是轴线高度相差12m，平面投影为狭长的三角形，就位后孤立于高空，因此稳定措施非常重要。大型安装单元的吊装与提升大型
7、安装单元的吊装与提升 上面从整体上来讨论了大型安装单元的吊装与提升，现在从具体措施上来考虑这个问题。有很多方法来实现机具与安装单元的连接，最简单的方法是直接用绳兜住，在构件尖角处采用圆管或其它东西包边，减少绳子的磨损。在构件上增加吊耳也是常用的方法，当然也可以增加托梁，但托梁上也要加吊耳或者用锚盘。q当吊耳连接处的构件板厚非常小时，设计上首先要考虑是将耳板伸入构件的内部，这要征得设计单位的同意，但最好在设计时就采取了措施。国家体育场C9与C21桁架柱上柱，重量约在350t，有一个主吊耳处的构件连接板厚仅为20mm，内在一块16mm厚的开洞加劲板，由于耳板不能伸入构件内部，因此吊耳设计难度很大。
8、右图是最终设计的吊耳及其计算模型。大型安装单元的吊装与提升大型安装单元的吊装与提升 下图是江南长兴造船基地300t门吊提升的现场图片以及局部的吊耳设计。提升点荷载标准值为300t，而大梁上翼缘仅为14mm，设计提升点采用了厚度为25mm的双耳板，并且直接伸入到大梁内部与侧向劲板相连接。提升过程非常顺利。大型安装单元的吊装与提升大型安装单元的吊装与提升q局部计算是钢结构中的一个普遍问题，不止是吊耳的局部计算，对于复杂的支座节点、铸钢件、相贯节点等，由于受力过程复杂，几何形状极不连续，因此内部应力分布非常不均匀，需要计算来确定。局部的应力集中会导致极小部分区域应力超出弹性范围，因此要考虑材料本身的
9、非线性。这涉及到许多相关问题：q局部计算的模型：应该取主要受力部位尺寸的3.5倍以上作为计算模型的范围，以避免约束条件的近似对计算结果的影响。考虑到实体分析模型的单元数过大，因此尽可能采用壳体单元。q约束条 件：尽量利用对称性约束条件来减少强制约束的不真实性，同时也可以减少计算模型的规模；尽量利用整体计算得到的位移值来实现位移约束。q减少非线性的因素：某些接触部位可以近似用粘接来实现，因为接触是高度非线性的，计算时间长，而粘接是线性的，相对容易控制。q计算结果：由于约束条件很难实现与真实情况一致，因此一般情况下局部计算结果的应力值(远离约束处)比位移值更可靠，但对应力集中处的局部塑性区要进行有
10、效的分析。有限元将无限自由度的连续体变大型安装单元的吊装与提升大型安装单元的吊装与提升 成了有限自由度的离散体，无疑是对结构增加了人为的约束，会导致应力水平偏高；现在的主要问题是多大的塑性区、多大的应力峰值可以被认为是安全的，第一点可以参考钢结构规范中关于梁的塑性发展系数的规定来确定，第二点可以参考钢材的强屈比的规定。但在荷载大、几何不连续的地方，应该是允许在施工辅助措施上出现较小的塑性区的。q为了保证设计上的安全，除了采用有限元分析的手段之外，一定要按规范的相关规定进行校核。 下面的图片是国家体育场所采用的几种吊耳的局部分析结果。大跨度高度超静定钢结构的合拢 这里提到高度超静定结构，我没有一
11、个明确的定义，但是指那种因为超静定次数特别多，而造成对安装过程、焊接顺序或者焊接收缩、温度变化所产生的应力特别敏感的结果。给“大跨度”的限定，主要是从水平方向来考虑的，因此结构在竖向上最终只能是自由的，不会对这些应力敏感。为了在设计的基准温度条件下达到应力最小，必须对这些结构进行合拢，以释放部分应力。q设计基准温度：结构使用时的温度总是变化的，对于大跨度高度超静定结构而言，会产生较大的温度应力。结构使用时的最高温度与最低温度与安装完成时的温度差是最大的也是最不利的，一般可以取这两个温度的平均温度作为设计基础温度，也就是安装完成时的温度，即合拢要求的温度。但由于结构的荷载条件非常复杂，在互相组合
12、后，可能是升温或者降温更为不利，因此合拢温度不一定是平均温度。q结构应该在设计基准温度下合拢，这样符合设计意图。q如何保证在合拢温度条件下进行合拢所得到的初始应力最小？这个问题应该要仔细考虑。主要有三个方面： (1)合拢分段应该基本保证各分段是水平静定的；(2)合拢口应该是在自由条件下对口焊接的；(3)合拢顺序。大跨度高度超静定钢结构的合拢 这三个问题做起来都比较复杂。q合拢分段太多，各分段的稳定性难已保证，措施量大大增加，合拢时的对口焊接工作量大，合拢时间拖长也难以达到合拢来减少应力的目的，应该在这几个方面进行权衡，抓主要矛盾。如先考虑主结构，特别是结构柱，因为主结构的刚度最大；其次是通过计
13、算，考虑安装、焊接、温度的主要因素来优化合拢分段。国家体育场顶面主结构采用了四个合拢段。q在合拢前应该释放对口两端的主要约束，在自由状态下调整对口后进行合拢。大部分工程采用卡板来连接合拢口的两边构件，其中卡板与一边构件焊接，另一边自由。这对于轴力为主的构件是可行的，而对于弯曲为主的构件则是考虑不周的，可以在主弯曲方向的一边不加卡板，国家体育场采用了这一方法。还有一种方法是采用后装段，后装段根据基准温度下的测量结果进行下料调整，来达到自由状态下合拢的目的。南京奥林匹克体育中心采用了后装段的方法。q大跨度高度超静定结构合拢口数量多，一次性合拢完成几乎是不可能的，因此要分次合拢。采用分次合拢与合拢分
14、段的问题一样，也需要计算才能够选择最优的方案。大跨度高度超静定钢结构的合拢南奥：(1)主拱从两端往中间安装 (2)主拱合拢 大跨度钢结构的卸载技术 大跨度钢结构在实际安装时，必须设置临时支撑体系，当结构合拢完成后要拆除临时支撑体系。但由于临时支撑体系还承受着结构的一部分荷载，必须将这部荷载转换到结构自身的支撑体系后才能够拆除临时支撑体系，这就是钢结构临时支撑体系的卸载。所以卸载过程也是荷载转换的过程，一般支撑塔架的荷载应该是减少的，但是由于(1)卸载往往是分阶段分区进行的，临时支撑体系之间在卸载过程中也存在荷载转换，因此卸载过程中会出现临时支撑体系荷载增大的情况；(2)采用液压设备卸载时，往往
15、要先顶升再下降，因此也会导致临时支撑体系荷载增大的情况。因此支撑体系的设计应该是在卸载分析之前完成的。从总体上来说，临时支撑体系最好采用整体等比卸载，这样荷载不至于增大。n卸载分析的第一步就是确定各卸载点的位移量，可以通过卸载前后的分析得到。卸载之前是临时支撑体系支撑的状态，卸载之后则没有了临时支撑体系。由于卸载之前还存在临时支撑体系，其本身的位移量应该考虑；其次是为了达到就位的目的，施工单位可能会对结构的局部标高进行调整，这部分的调整值应该也计入在内。大跨度钢结构的卸载技术n第二步是对卸载过程分阶段。在整体卸载过程下，临时支撑体系的荷载在逐渐下降，而结构本身的应力在增加，因为施工期间的荷载对
16、结构自身而言，仅仅是部分荷载，因此主要还是考虑临时支撑体系及卸载设备的荷载变化。那么开始时将位移下降值时分小一些，当荷载减少到一定程度后可以将位移值设大。国家体育场采用七大步，前三步为位移值的10%，后三步为位移值的17.5%，最后一步卸载到位，因此每一大步都是等比的。n第三步是卸载分区。前面讲过，在设备允许的情况下，最好不要分区。但设备不足时，必须进行分区。分区可以先从概念上进行划分，然后通过计算来确定分区方案，以总体荷载水平偏低的方案作为最佳方案。国家体育场的每一大步分为五小步，外圈中圈内圈中圈内圈，但最终实施时也进行了优化。n卸载过程分析：卸载过程分析是非常复杂的，尤其是对临时支撑体系与
17、结构之间的液压千斤顶的模拟，因为液压千斤顶还存在顶升的情况。比较简单的分析方法是采用强制位移的方法。但是存在部分点可能失效，其位移值达不到卸载所要求的位移，其反力会出现负值，这种情况下需要调整约束值。由于采用分区的卸载过程是一个非线性的过程，因此采用这种方法大跨度钢结构的卸载技术 进行调整难度较大。另一种方法就是采用非线性约束，即约束只受压而不能受拉，但一般软件并不支持非线性约束。那么可以采用非线性单元来代替非线性约束，非线性单元的刚度应该与支撑体系的刚度一致。当支撑体系复杂时，这种方法也存在一定的问题。总之，采用约束或者非线性单元来代替支撑体系与液压设备是存在许多问题的，所以最为重要的是开发
18、卸载单元，作为临时支撑体系与结构本身的连接单元，结果最为可靠。我们在这方面做了一些工作。n在实际实施过程中，可以通过抽垫块的方法来控制位移值。不能够通过液压千斤顶来控制行程，因为油缸的位移误差在25mm，达不到控制的精度要求。另外，由于结构本身的特点，在卸载过程中还可能存在水平荷载，当水平荷载超出液压千斤顶承载力的5%时，可能会导致千斤顶活塞的局部损坏，因此还应该计算卸载过程中的水平推力。当水平推力过大时，还应该在千斤顶上增加水平滑移装置以释放水平荷载。n液压千斤顶的顶升过程比下降过程更复杂，由于液压千斤顶主要是按吨位来控制的，何时将结构与支撑塔架顶空难以预计，因此控制上比较麻烦。一般可以设定
19、一个油压的最低值，保证液压千斤顶与结构贴紧。然后再加大跨度钢结构的卸载技术 将结构顶空，即结构与支撑塔架分离。顶空过程采用双重控制，一是设定吨位最大值，二是靠液压千斤顶旁站的人员观察，达到顶空的效果时手工关闭油阀，停止顶升。从这个过程来看，也从实施的效果来看，顶空过程耗费的时间比油缸下降的时间要多得多，特别是前几步，荷载较大时，更不容易顶空。因此减少油缸顶升的次数可以加快卸载的速度。n基于以上的分析，所以尽量扩大卸载分区，不但可以使每一小步更加接近等比，减少油缸的荷载，而且还可以减少卸载顶升的次数。因此国家体育场在实际卸载时，将中圈与内圈的卸载小步合并，在理论与实践上均可行，可以达到了较好的效
20、果。 五棵松钢结构屋面工程的同步卸载工作是采用分区域分步骤的同步卸载施工，卸载步骤是中滑道先卸载50mm，然后边滑道卸载50mm，最后中滑道完全卸载。卸载全过程均采用位移控制，每次动作均控制在10mm内，使用垫板进行控制。卸载使用100t手动液压千斤顶，共使用44个。大跨度钢结构的卸载技术 采用液压千斤顶的卸载过程大跨度钢结构的卸载技术 国家体育场各圈卸载的典型反力曲线大跨度钢结构的卸载技术 南奥支撑塔架卸载鸟巢支撑塔架卸载钢屋盖的累积滑移技术 钢结构屋盖除了采用国家体育场的分块吊装外，也经常采用累积滑移的方法。这两种方法比较起来，前者较为灵活，作业面可以展开，但需要的设备、措施及人工相对较多
21、；而累积滑移技术，是在屋盖的一个边搭设操作平台，进行屋盖桁架的拼装，然后滑移一段距离，进行下几榀屋盖的拼装，并与已滑移部分连接，再滑移直到整体屋盖拼装滑移完成。n滑移方法首先要考虑滑移轨道的个数。一般尽可能利用已有的边柱，当不能够满足变形要求时，就需要增加滑移轨道。n轨道一般是与地面平行的，当屋盖下表面不平时，需要增加支撑来调整。五棵松篮球馆就属于这种情况，而郑州会展中心则采用圆弧形的轨道，两边的轨道高低不同。n需要考虑滑移过程中，特别是前几次滑移时，滑移面的静摩擦力与动摩擦力不相等的情况，会导致滑移过程中产生一定的加速度，对结构与滑移设备均不利，要做好计算分析。n滑移牵引主要有两种：一种是采
22、用液压爬行器推动，另一种是采用液压设备带钢铰线牵引，前者相对平稳，因为钢铰线的变形较大。钢屋盖的累积滑移技术 五棵松蓝球馆钢屋盖的累积滑移技术 五棵松蓝球馆支撑与液压爬行器增加的中滑道拼装胎架钢结构安装的初始应力讨论 钢结构在安装过程中不可避免地会产生一些初始应力。产生的主要原因是：n安装过程中的温度差。国家体育场的钢结构是高度超静定的，主要钢结构安装从2005年10月到第二年的10月，温度差别非常大，而合拢分段有限，因此会产生温度应力。n焊接产生的应力。焊接过程经历了局部急剧升温与降温的过程，焊接完成后构件产生收缩。如果焊接顺序不当、焊接工艺不完善就会造成结构使用前的初始应力。n强行就位所产生的初始应力，一般是由于施工不当造成的。 应该对安装过程中产生的初始应力进行分析，确定初应力的水平以及对结构使用的影响。在施工过程中应该通过控制施工顺序和焊接顺序，避免不适当的施工方法，来减少初应力。
