鋼結構工程重重點施工技術術主要內容本次報告是從從我個人角度度對上海寶冶冶所承擔的一一些重要工程程關鍵施工技技術的總結，，來說明這些些施工技術值值得研究的地地方。我本人人是從事施工工輔助措施設設計以及力學學分析的，因因此難免容易易將問題從這這些方面來考考慮，但是從從我所經歷過過的這些工程程來看，力學學分析在關鍵鍵施工技術上上的確起著非非常重要的作作用。希望本本次報告能起起到拋磚引玉玉的作用。主主要內容如下下：當前鋼結構工工程施工技術術的新特點大型安裝單元元的吊裝與提提升大跨度高度超超靜定鋼結構構的合攏大跨度鋼結構構的卸載技術術鋼屋蓋鋼結構構累積滑移技技術鋼結構安裝的的初始應力探探討當前鋼結構工工程施工技術術的新特點目前各國鋼產產量均在提高高，重大鋼結結構建筑項目目越來越多。。我國鋼結構構也出現了空空前發展的局局面，各種體體育、展覽、、娛樂等活動動所需要的大大跨度結構、、城市日益擴擴大所需要的的人文及市政政建筑、生產產擴大化所需需要的大型工工業廠房等項項目爭先上馬馬，鋼結構有有了更加廣闊闊的用武之地地，但也相應應地增加了設設計與施工的的難度。鋼結結構施工技術術出現了新的的特點。設計與施工關關系更加密切切。設計要充充分考慮施工工方案，并為為施工提供便便利條件，特特別要考慮到到關鍵施工階階段；施工要要充分考慮設設計意圖，給給業主提供相相對完善的鋼鋼結構建筑，，不存在質量量隱患，降低低加工與安裝裝形成的初始始應力。施工方案系統統工程化。施施工順序錯綜綜復雜，組織織管理體系需需要完善，措措施設計需要要更先進的力力學計算手段段，涉及多學學科交叉，如如吊裝或提升升時要考慮風風的靜力甚至至動力特性，，要考慮多種種監測手段。。配套專業也越越來越重要。。安裝雖然是是主線，但焊焊接工程、螺螺栓工程、涂涂裝工程的難難度也越來越越大。大型安裝單元元的吊裝與提提升大型安裝單元元采用吊裝或或者提升方法法進行就位時時，首先要確確定機械設備備或者液壓設設備的選用，，充分考慮設設備的性能，，以及吊裝或或者提升過程程中荷載的變變化，這些變變化主要來自自于：安裝單元自身身空中姿態的的變化，導致致吊繩或鋼鉸鉸線荷載的不不同分配。如如吊裝過程中中脫胎、翻身身、立直、就就位等階段各各吊繩的荷載載均不同；各種因素造成成荷載分配的的不均勻，這這些因素包括括風荷載、安安裝單元自身身質量分布可可能的不均勻勻，例如迎風風面較大的橋橋吊或龍門吊吊；安裝單元在整整體過程中自自身質量的變變化，如龍門門吊在提升過過程中需要安安裝剛性腿和和柔性腿。這些變化也對對安裝單元自自身的內力分分布和變形值值有一定的影影響，因此需需要對整體過過程進行計算算仿真分析。。涉及到的問問題是：施工過程中風風荷載的取值值，正常設計計取值按建筑筑物的使用年年限來確定風風荷載的重現現期，但這里里僅考慮施工工期間的影響響，原則上取取值應該比設設計低，因為為施工期間出出現與設計同同樣大風的概概率要低得多多。如果與設設計取同樣的的可靠性，那那么施工時風風荷載取值應應該要低。大型安裝單元元的吊裝與提提升要確定安裝單單元的重心，，這個工作本本身比較簡單單，CAD的實體模型就就可以得到重重心，如果采采用桿系，也也有很多辦法法，如通過計計算反力來反反算重心、在在ANSYS中還可以直接接寫APDL來得到。但重重心對于吊點點或者提升點點的選擇卻非非常重要。如如果重心準確確，盡量讓主主繩所在平面面通過重心，，這樣輔繩的的荷載小，調調節起來就不不會費勁。安裝單元在吊吊裝或者提升升時，屬于一一個約束不足足的體系。我我看過很多計計算書，在計計算時隨意加加約束，甚至至有的直接在在吊點處加鉸鉸接約束，導導致結果非常常不可信。有有種方法還比比較可取，就就是直接將吊吊繩也參與計計算，對少量量的點取水平平約束。但更更符合實際的的做法應該是是根據重心與與吊鉤位置共共垂線或者垂垂面以及變形形協調關系進進行理論推導導，確定潛在在的約束因素素。實際安裝單元元的重心與計計算重心存在在較小的偏差差，也就是重重心存在位置置上的擾動，，對于重型安安裝單元，應應該分析該因因素對于吊荷荷載荷載分配配的影響。安裝單元就位位時的穩定措措施設計及穩穩定性分析，，需要進行屈屈曲分析。大型安裝單元元的吊裝與提提升下面是國家體體育場桁架柱柱的吊裝圖片片及分析。桁桁架柱采用兩兩段吊裝，最最重的吊裝分分段為350t左右，脫胎、、翻身采用800t和600t的履帶吊進行行雙機抬吊，，立直后由800t吊裝至高空就就位。大型安裝單元元的吊裝與提提升下面是國家體體育場屋面主主桁架的吊裝裝圖片及分析析。屋面主桁桁架柱分為平平面主桁架與與立體主桁架架兩種。第一一個吊裝單元元就是立體主主桁架N5(左圖與右圖)，N5是軸線高度相相差12m，平面投影為為狹長的三角角形，就位后后孤立于高空空，因此穩定定措施非常重重要。大型安裝單元元的吊裝與提提升上面從整體上上來討論了大大型安裝單元元的吊裝與提提升，現在從從具體措施上上來考慮這個個問題。有很很多方法來實實現機具與安安裝單元的連連接，最簡單單的方法是直直接用繩兜住住，在構件尖尖角處采用圓圓管或其它東東西包邊，減減少繩子的磨磨損。在構件件上增加吊耳耳也是常用的的方法，當然然也可以增加加托梁，但托托梁上也要加加吊耳或者用用錨盤。當吊耳連接處處的構件板厚厚非常小時，，設計上首先先要考慮是將將耳板伸入構構件的內部，，這要征得設設計單位的同同意，但最好好在設計時就就采取了措施施。國家體育育場C9與C21桁架柱上柱，，重量約在350t，有一個主吊吊耳處的構件件連接板厚僅僅為20mm，內在一塊16mm厚的開洞加勁勁板，由于耳耳板不能伸入入構件內部，，因此吊耳設設計難度很大大。右圖是最最終設計的吊吊耳及其計算算模型。大型安裝單元元的吊裝與提提升下圖是江南長長興造船基地地300t門吊提升的現現場圖片以及及局部的吊耳耳設計。提升升點荷載標準準值為300t，而大梁上翼翼緣僅為14mm，設計提升點點采用了厚度度為25mm的雙耳板，并并且直接伸入入到大梁內部部與側向勁板板相連接。提提升過程非常常順利。大型安裝單元元的吊裝與提提升局部計算是鋼鋼結構中的一一個普遍問題題，不止是吊吊耳的局部計計算，對于復復雜的支座節節點、鑄鋼件件、相貫節點點等，由于受受力過程復雜雜，幾何形狀狀極不連續，，因此內部應應力分布非常常不均勻，需需要計算來確確定。局部的的應力集中會會導致極小部部分區域應力力超出彈性范范圍，因此要要考慮材料本本身的非線性性。這涉及到到許多相關問問題：局部計算的模模型：應該取取主要受力部部位尺寸的3.5倍以上作為計計算模型的范范圍，以避免免約束條件的的近似對計算算結果的影響響。考慮到實實體分析模型型的單元數過過大，因此盡盡可能采用殼殼體單元。約束條件：：盡量利用對對稱性約束條條件來減少強強制約束的不不真實性，同同時也可以減減少計算模型型的規模；盡盡量利用整體體計算得到的的位移值來實實現位移約束束。減少非線性的的因素：某些些接觸部位可可以近似用粘粘接來實現，，因為接觸是是高度非線性性的，計算時時間長，而粘粘接是線性的的，相對容易易控制。計算結果：由由于約束條件件很難實現與與真實情況一一致，因此一一般情況下局局部計算結果果的應力值(遠離約束處)比位移值更可可靠，但對應應力集中處的的局部塑性區區要進行有效效的分析。有有限元將無限限自由度的連連續體變大型安裝單元元的吊裝與提提升成了有限自由由度的離散體體，無疑是對對結構增加了了人為的約束束，會導致應應力水平偏高高；現在的主主要問題是多多大的塑性區區、多大的應應力峰值可以以被認為是安安全的，第一一點可以參考考鋼結構規范范中關于梁的的塑性發展系系數的規定來來確定，第二二點可以參考考鋼材的強屈屈比的規定。。但在荷載大大、幾何不連連續的地方，，應該是允許許在施工輔助助措施上出現現較小的塑性性區的。為了保證設計計上的安全，，除了采用有有限元分析的的手段之外，，一定要按規規范的相關規規定進行校核核。下面的圖片是是國家體育場場所采用的幾幾種吊耳的局局部分析結果果。大跨度高度超超靜定鋼結構構的合攏這里提到高度度超靜定結構構，我沒有一一個明確的定定義，但是指指那種因為超超靜定次數特特別多，而造造成對安裝過過程、焊接順順序或者焊接接收縮、溫度度變化所產生生的應力特別別敏感的結果果。給“大跨跨度”的限定，主要要是從水平方方向來考慮的的，因此結構構在豎向上最最終只能是自自由的，不會會對這些應力力敏感。為了了在設計的基基準溫度條件件下達到應力力最小，必須須對這些結構構進行合攏，，以釋放部分分應力。設計基準溫度度：結構使用用時的溫度總總是變化的，，對于大跨度度高度超靜定定結構而言，，會產生較大大的溫度應力力。結構使用用時的最高溫溫度與最低溫溫度與安裝完完成時的溫度度差是最大的的也是最不利利的，一般可可以取這兩個個溫度的平均均溫度作為設設計基礎溫度度，也就是安安裝完成時的的溫度，即合合攏要求的溫溫度。但由于于結構的荷載載條件非常復復雜，在互相相組合后，可可能是升溫或或者降溫更為為不利，因此此合攏溫度不不一定是平均均溫度。結構應該在設設計基準溫度度下合攏，這這樣符合設計計意圖。如何保證在合合攏溫度條件件下進行合攏攏所得到的初初始應力最小小？這個問題題應該要仔細細考慮。主要要有三個方面面：(1)合攏分段應該該基本保證各各分段是水平平靜定的；(2)合攏口應該是是在自由條件件下對口焊接接的；(3)合攏順序。大跨度高度超超靜定鋼結構構的合攏這三個問題做做起來都比較較復雜。合攏分段太多多，各分段的的穩定性難已已保證，措施施量大大增加加，合攏時的的對口焊接工工作量大，合合攏時間拖長長也難以達到到合攏來減少少應力的目的的，應該在這這幾個方面進進行權衡，抓抓主要矛盾。。如先考慮主主結構，特別別是結構柱，，因為主結構構的剛度最大大；其次是通通過計算，考考慮安裝、焊焊接、溫度的的主要因素來來優化合攏分分段。國家體體育場頂面主主結構采用了了四個合攏段段。在合攏前應該該釋放對口兩兩端的主要約約束，在自由由狀態下調整整對口后進行行合攏。大部部分工程采用用卡板來連接接合攏口的兩兩邊構件，其其中卡板與一一邊構件焊接接，另一邊自自由。這對于于軸力為主的的構件是可行行的，而對于于彎曲為主的的構件則是考考慮不周的，，可以在主彎彎曲方向的一一邊不加卡板板，國家體育育場采用了這這一方法。還還有一種方法法是采用后裝裝段，后裝段段根據基準溫溫度下的測量量結果進行下下料調整，來來達到自由狀狀態下合攏的的目的。南京京奧林匹克體體育中心采用用了后裝段的的方法。大跨度高度超超靜定結構合合攏口數量多多，一次性合合攏完成幾乎乎是不可能的的，因此要分分次合攏。采采用分次合攏攏與合攏分段段的問題一樣樣，也需要計計算才能夠選選擇最優的方方案。大跨度高度超超靜定鋼結構構的合攏南奧：(1)主拱從兩端往往中間安裝(2)主拱合攏大跨度鋼結構構的卸載技術術大跨度鋼結構構在實際安裝裝時，必須設設置臨時支撐撐體系，當結結構合攏完成成后要拆除臨臨時支撐體系系。但由于臨臨時支撐體系系還承受著結結構的一部分分荷載，必須須將這部荷載載轉換到結構構自身的支撐撐體系后才能能夠拆除臨時時支撐體系，，這就是鋼結結構臨時支撐撐體系的卸載載。所以卸載載過程也是荷荷載轉換的過過程，一般支支撐塔架的荷荷載應該是減減少的，但是是由于(1)卸載往往是分分階段分區進進行的，臨時時支撐體系之之間在卸載過過程中也存在在荷載轉換，，因此卸載過過程中會出現現臨時支撐體體系荷載增大大的情況；(2)采用液壓設備備卸載時，往往往要先頂升升再下降，因因此也會導致致臨時支撐體體系荷載增大大的情況。因因此支撐體系系的設計應該該是在卸載分分析之前完成成的。從總體體上來說，臨臨時支撐體系系最好采用整整體等比卸載載，這樣荷載載不至于增大大。卸載分析的第第一步就是確確定各卸載點點的位移量，，可以通過卸卸載前后的分分析得到。卸卸載之前是臨臨時支撐體系系支撐的狀態態，卸載之后后則沒有了臨臨時支撐體系系。由于卸載載之前還存在在臨時支撐體體系，其本身身的位移量應應該考慮；其其次是為了達達到就位的目目的，施工單單位可能會對對結構的局部部標高進行調調整，這部分分的調整值應應該也計入在在內。大跨度度鋼結結構的的卸載載技術術第二步步是對對卸載載過程程分階階段。。在整整體卸卸載過過程下下，臨臨時支支撐體體系的的荷載載在逐逐漸下下降，，而結結構本本身的的應力力在增增加，，因為為施工工期間間的荷荷載對對結構構自身身而言言，僅僅僅是是部分分荷載載，因因此主主要還還是考考慮臨臨時支支撐體體系及及卸載載設備備的荷荷載變變化。。那么么開始始時將將位移移下降降值時時分小小一些些，當當荷載載減少少到一一定程程度后后可以以將位位移值值設大大。國國家體體育場場采用用七大大步，，前三三步為為位移移值的的10%，后三三步為為位移移值的的17.5%，最后后一步步卸載載到位位，因因此每每一大大步都都是等等比的的。第三步步是卸卸載分分區。。前面面講過過，在在設備備允許許的情情況下下，最最好不不要分分區。。但設設備不不足時時，必必須進進行分分區。。分區區可以以先從從概念念上進進行劃劃分，，然后后通過過計算算來確確定分分區方方案，，以總總體荷荷載水水平偏偏低的的方案案作為為最佳佳方案案。國國家體體育場場的每每一大大步分分為五五小步步，外外圈→→中圈圈→內內圈→→中圈圈→內內圈，，但最最終實實施時時也進進行了了優化化。卸載過過程分分析：：卸載載過程程分析析是非非常復復雜的的，尤尤其是是對臨臨時支支撐體體系與與結構構之間間的液液壓千千斤頂頂的模模擬，，因為為液壓壓千斤斤頂還還存在在頂升升的情情況。。比較較簡單單的分分析方方法是是采用用強制制位移移的方方法。。但是是存在在部分分點可可能失失效，，其位位移值值達不不到卸卸載所所要求求的位位移，，其反反力會會出現現負值值，這這種情情況下下需要要調整整約束束值。。由于于采用用分區區的卸卸載過過程是是一個個非線線性的的過程程，因因此采采用這這種方方法大跨度度鋼結結構的的卸載載技術術進行調調整難難度較較大。。另一一種方方法就就是采采用非非線性性約束束，即即約束束只受受壓而而不能能受拉拉，但但一般般軟件件并不不支持持非線線性約約束。。那么么可以以采用用非線線性單單元來來代替替非線線性約約束，，非線線性單單元的的剛度度應該該與支支撐體體系的的剛度度一致致。當當支撐撐體系系復雜雜時，，這種種方法法也存存在一一定的的問題題。總總之，，采用用約束束或者者非線線性單單元來來代替替支撐撐體系系與液液壓設設備是是存在在許多多問題題的，，所以以最為為重要要的是是開發發卸載載單元元，作作為臨臨時支支撐體體系與與結構構本身身的連連接單單元，，結果果最為為可靠靠。我我們在在這方方面做做了一一些工工作。。在實際際實施施過程程中，，可以以通過過抽墊墊塊的的方法法來控控制位位移值值。不不能夠夠通過過液壓壓千斤斤頂來來控制制行程程，因因為油油缸的的位移移誤差差在2~5mm，達不不到控控制的的精度度要求求。另另外，，由于于結構構本身身的特特點，，在卸卸載過過程中中還可可能存存在水水平荷荷載，，當水水平荷荷載超超出液液壓千千斤頂頂承載載力的的5%時，可可能會會導致致千斤斤頂活活塞的的局部部損壞壞，因因此還還應該該計算算卸載載過程程中的的水平平推力力。當當水平平推力力過大大時，，還應應該在在千斤斤頂上上增加加水平平滑移移裝置置以釋釋放水水平荷荷載。。液壓千千斤頂頂的頂頂升過過程比比下降降過程程更復復雜，，由于于液壓壓千斤斤頂主主要是是按噸噸位來來控制制的，，何時時將結結構與與支撐撐塔架架頂空空難以以預計計，因因此控控制上上比較較麻煩煩。一一般可可以設設定一一個油油壓的的最低低值，，保證證液壓壓千斤斤頂與與結構構貼緊緊。然然后再再加大跨度度鋼結結構的的卸載載技術術將結構構頂空空，即即結構構與支支撐塔塔架分分離。。頂空空過程程采用用雙重重控制制，一一是設設定噸噸位最最大值值，二二是靠靠液壓壓千斤斤頂旁旁站的的人員員觀察察，達達到頂頂空的的效果果時手手工關關閉油油閥，，停止止頂升升。從從這個個過程程來看看，也也從實實施的的效果果來看看，頂頂空過過程耗耗費的的時間間比油油缸下下降的的時間間要多多得多多，特特別是是前幾幾步，，荷載載較大大時，，更不不容易易頂空空。因因此減減少油油缸頂頂升的的次數數可以以加快快卸載載的速速度。。基于以以上的的分析析，所所以盡盡量擴擴大卸卸載分分區，，不但但可以以使每每一小小步更更加接接近等等比，，減少少油缸缸的荷荷載，，而且且還可可以減減少卸卸載頂頂升的的次數數。因因此國國家體體育場場在實實際卸卸載時時，將將中圈圈與內內圈的的卸載載小步步合并并，在在理論論與實實踐上上均可可行，，可以以達到到了較較好的的效果果。五棵松松鋼結結構屋屋面工工程的的同步步卸載載工作作是采采用分分區域域分步步驟的的同步步卸載載施工工，卸卸載步步驟是是中滑滑道先先卸載載50mm，然后后邊滑滑道卸卸載50mm，最后后中滑滑道完完全卸卸載。。卸載載全過過程均均采用用位移移控制制，每每次動動作均均控制制在10mm內，使使用墊墊板進進行控控制。。卸載載使用用100t手動液液壓千千斤頂頂，共共使用用44個。大跨度度鋼結結構的的卸載載技術術采用液液壓千千斤頂頂的卸卸載過程大跨度度鋼結結構的的卸載載技術術國家體體育場場各圈圈卸載載的典典型反反力曲曲線大跨度度鋼結結構的的卸載載技術術南奧支支撐塔塔架卸卸載鳥巢支支撐塔塔架卸卸載鋼屋蓋蓋的累累積滑滑移技技術鋼結構構屋蓋蓋除了了采用用國家家體育育場的的分塊塊吊裝裝外，，也經經常采采用累累積滑滑移的的方法法。這這兩種種方法法比較較起來來，前前者較較為靈靈活，，作業業面可可以展展開，，但需需要的的設備備、措措施及及人工工相對對較多多；而而累積積滑移移技術術，是是在屋屋蓋的的一個個邊搭搭設操操作平平臺，，進行行屋蓋蓋桁架架的拼拼裝，，然后后滑移移一段段距離離，進進行下下幾榀榀屋蓋蓋的拼拼裝，，并與與已滑滑移部部分連連接，，再滑滑移直直到整整體屋屋蓋拼拼裝滑滑移完完成。。滑移方方法首首先要要考慮慮滑移移軌道道的個個數。。一般般盡可可能利利用已已有的的邊柱柱，當當不能能夠滿滿足變變形要要求時時，就就需要要增加加滑移移軌道道。軌道一一般是是與地地面平平行的的，當當屋蓋蓋下表表面不不平時時，需需要增增加支支撐來來調整整。五五棵松