摘 要
现如今覆有震撼华丽外形的钢结构建筑层出不穷，设计者将其智慧与灵感倾注于此，为使用者带来了空前绝后的视觉冲击。在感叹与称赞设计者巧夺天工的同时，此类复杂结构形式钢结构的施工过程同样不容小觑，特别是其在施工过程中的力学问题繁冗复杂以及安装就位技术难度大，导致施工时会出现很多不利因素，换句话说，如果没有切实可行的安装技术保证，一切雄伟宏大的钢结构设计都是纸上谈兵。因此针对复杂钢结构在施工过程中的力学分析以及钢结构安装技术的研究必不可少。本文结合某秀场项目工程，对复杂结构形式的钢结构安装技术进行针对性的研究，希望为其他复杂钢结构项目的施工提供借鉴和指导。
本文的主要研究内容有：（1）首先针对国内外大跨空间复杂钢结构的常用施工方法进行深入研究，为本项目安装技术方案的确定奠定理论基础；（2）其次结合某秀场项目，在熟悉与掌握工程主要概况及钢结构概况的基础上，对比分析并选择钢结构安装方案，从吊装思路、吊装设备选型及性能参数、吊装工况、安装流程四个角度入手，分别对本工程屋面钢结构安装方案及前厅钢结构安装方案进行深入研究分析，并提出保证安装方案顺利进行的施工措施；（3）然后针对钢结构安装过程中的临时支撑体系——支撑胎架进行数值模拟分析及验算，进而验证施工措施的可行性；（4）最后分别从焊接 H 型钢加工制作方案、箱型构件加工制作方案、焊接方案和工艺以及焊接缺陷及对策入手对钢结构的加工制作方案进行分析。
通过本文的研究，主要得出以下结论：（1）由于桁架的重量及长度较大，应采用整体桁架分段吊装的安装方案对屋面钢结构进行安装；（2）前厅钢结构的结构形式为网片结构，应采取网片分区分块的安装方案对前厅钢结构进行安装；（3）通过对支撑胎架进行模拟分析及验算可知，支撑胎架的结构形式及平面布置方案满足强度及刚度要求；（4）应针对对钢结构的加工制作及焊接工艺采取必要的质量控制措施以保证工程的质量。
关键词： 复杂钢结构；安装技术；模拟分析及验算；钢结构加工制作。
Abstract
Nowadays, there are many steel structures with gorgeous shapes. Designers pour their wisdom and inspiration into them, which brings unprecedented visual impact to users. While lamenting and praising the skillful work of the designers, the construction process of such complex structural forms of steel structures should not be underestimated. Especially, the mechanical problems in the construction process are complicated and the installation technology is difficult, resulting in a lot of adverse factors in the construction, in other words, if not feasible. The installation technology ensures that all the magnificent and grand steel structure designs are all on paper.
Therefore, it is necessary to study the mechanical analysis of complex steel structure in the construction process and the installation technology of steel structure. In thispaper, the installation technology of steel structure with complex structure is studied in combination with the project of a showground, hoping to provide reference andguidance for the construction of other complex steel structure projects.
The main research contents of this paper are as follows: (1) Firstly, the common construction methods of large-span and complex steel structures at home and abroad are studied in depth to lay a theoretical foundation for the determination of the installation technical scheme of this project; (2) Secondly, combined with a show site project, on the basis of familiar with and mastering the general situation of the project and the general situation of the steel structure, on the basis of the project. By comparing and selecting the steel structure installation scheme, starting from the hoisting idea, hoisting equipment selection and performance parameters, hoisting working conditions and installation process, this paper makes a thorough study and Analysis on the roof steel structure installation scheme and the front hall steel structure installation scheme respectively, and puts forward the construction measures to ensure the installation scheme to proceed smoothly. (3) Then, numerical simulation analysis and checking calculation are carried out to verify the feasibility of construction measures for the temporary support system in the process of steel structure installation, i.e. the bracing tire frame. (4) Finally, the manufacturing scheme of welded H-beam, the manufacturing scheme of box-shaped components, welding scheme and technology, as well as the welding defects and the corresponding countermeasures are discussed. The plan of steel structure processing is analyzed.
Through the study of this paper, the main conclusions are as follows: (1) Because of the large weight and length of the truss, the installation scheme of integral trusssection hoisting should be adopted to install the roof steel structure; (2) The structure of the front hall steel structure is mesh structure, and the installation scheme of mesh section should be adopted to install the front hall steel structure. Installation; (3) Through the simulation analysis and checking calculation of the support tire frame, it is known that the structural form and plane layout of the support tire frame meet the strength and stiffness requirements; (4) The necessary quality control measures shouldbe taken to ensure the quality of the project in accordance with the manufacturing and welding process of the steel structure.
Keywords： Complex steel structure,Installation technology,Simulation analysis and checking computations,Fabrication of steel structure。
第 1 章 绪论。
1.1 本文研究的背景、目的及意义。
随着我国建筑业的蓬勃发展，我国的钢结构发展方兴未艾。近几十年来由于现代技术的支持和新材料的产生，网壳结构、网架结构和管桁架结构凭借其受力合理，抗震性能优秀等优点得到了迅速的发展和广泛的运用。现如今，建筑结构也朝着超高、超强及强大的方向发展，幢幢造型奇特、结构独特及外观优美的大跨空间钢结构建筑拔地而起，来满足国民经济日新月异的发展和人民生活水平的需要。要使大跨空间钢结构的施工技术得到创新和发展，这一点值得深入研究[1-2]。
本文研究的目的是在已有的国内外大跨空间复杂钢结构常用施工方法研究的基础上，结合某秀场项目，在熟悉及掌握工程主要概况及钢结构概况的情况下，对比分析并选择钢结构安装方案，分别对本工程屋面钢结构安装方案及前厅钢结构安装方案进行深入研究，并提出保证安装方案顺利进行的施工措施，其次通过对安装过程中的临时支撑体系——支撑胎架进行有限元软件模拟分析及验算，验证胎架体系的合理性，最后提出保证整个工程质量的钢结构加工制作方案以及焊接工艺质量保证措施。
本文研究的意义在于将本文的研究成果直接用于指导本工程复杂钢结构建筑的施工，同时希望能为其他类似结构形式的复杂钢结构施工提供一定的借鉴及指导。
1.2 国内外大跨空间复杂钢结构施工技术发展现状。
1.2.1 国外大跨空间复杂钢结构施工技术发展现状。
由于工业革命的发生和科技水平的提高，特别是水泥与钢铁等一系列新型建筑材料的发展与投入应用，人类为了追求更大、更舒适的生活空间，开始积极使用建筑材料搭建某些结构，如刚架、拱及桁架等[3]。19 世纪末大跨度结构取得重大成就。如巴黎世界博览会机械展览馆在 1867 年建造时采用的是钢三铰拱式结构，跨度达到 115m，堪称跨度上的一次大飞跃[4]。到了 20 世纪，由于金属材料和钢筋混凝土的发展和运用，使许多新的结构形式变为可能，此次以美国欧洲等国家和墨西哥发展尤为快速[5]。
在大跨度空间结构的发展方面，发达国家更是不惜重金。在 20 年以前，美国土木工程协会（ASCE）制定了一个空间结构研究计划，耗时十年时间，使用研究经费 1500 余万美元[6]。与次同时，在欧洲地区，一个名为“大跨度空间结构整体研究计划”被西德斯图加特大学提出，其每年使用的科研费用都超过了100 万马克[7]。综上所述，正是有了这些研究院所对大跨度结构投入的精力和金钱，才使得大跨度结构理论能够快速的发展，进而也推动了经济的发展。随着大跨度钢结构的不断发展，与其相关的各种学术会议交流活动每年也在逐渐增多，这也促进了大跨度钢结构理论的进步。
1.2.2 国内大跨空间复杂钢结构施工技术发展现状。
以前我国在大跨空间钢结构相比于美国、日本等发达国家实力薄弱，起步较晚，且发展较为滞后，但是随着国家综合实力的不断提升，国民经济实力的迅猛发展，我国在大跨空间钢结构方面的技术水平得到了有目共睹的提高，也正在赶超世界国际水准[8-9]。社会发展对于大跨度空间钢结构的需求逐年增加，大跨度空间钢结构的工程实践也越来越多，特别在北京申办 2008 年奥运会成功和上海申办 2010 世界博览会成功之后，我国在此十年内建设了一批高规格、高技术、高标准的机场航站楼、体育场馆和展览馆[10]。这些都为我国大跨空间钢结构的设计技术和施工技术积累了宝贵的经验，也推动了进一步的发展。
国家体育场即“鸟巢”，采用的是空间钢结构体系，其构件为非常不规则的形状，如图 1.1 所示；建筑总面积 80000m2的国家游泳中心则是规则的方箱，采用了国内首创的多面体空间刚架体系，如图 1.2 所示；南京奥林匹克中心钢结构屋盖东西跨度达到 372m，由跨越整个看台的钢桁架和支撑组合成的空间钢结构体系，如图 1.3 所示。
在国内和国外的复杂钢结构案例中，大型复杂钢结构的发展方向和趋势可以清晰的被我们看到:
（1）钢结构的跨度不断的加大。
空间结构的主要特点便是具有超强的跨越能力。建筑师 Fuller 在 1959 年想在曼哈顿岛建立一个大跨度的圆顶来对其进行遮盖，其直径达到了三千多米，但是由于技术条件不足，并不能被实现。此后，在日本的巴组铁工所，其对大跨度钢结构着重的进行研究，取得了很多重要的成果，也使大跨度钢结构的跨长不断的增加，其最大跨度可以达到几千米[14-15]。
（2）结构的功能正在向多样化进行发展。
其结构的功能正在向多样化进行发展，以获得更高的经济效益，这也意味着对建筑结构的变化提出了更高了要求[16-17]。通常要求一所体育场其功能不仅仅是一所体育场，还有可能兼展览馆、音乐厅等。譬如，日本崎玉体育场，就追求晴天可以打开屋顶接受采光，天气不好就封闭屋顶提高场馆内的舒适性[18-19]。
（3）大型建筑日趋国际化。
伴随着经济全球化的进程加快，大型空间钢架构的施工图和施工最后也是由数个国家的数个单位共同合作完成。但是因为地域文化的差异，不同国家的设计理念可能会不同甚至有所冲突，这其中的还引起了学术界的强烈探讨[20]。
（4）施工过程的多样性。
随着大跨空间钢结构的快速发展，传统的施工方法已经不能满足，随之而来的挑战便是施工方式的改进和创新[21-22]。由于大型钢结构都有其各自的特点，所以在进行施工时需要根据各自的结构特点进行最优的施工方案选择[23]。
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1.3 国内外大跨空间复杂钢结构施工技术研究现状
1.3.1 国外大跨空间复杂钢结构施工技术研究现状
1.3.2 国内大跨空间复杂钢结构施工技术研究现状
1.4 本文研究的内容、方法及技术路线
1.4.1 本文研究的内容
1.4.2 本文研究的方法
1.4.3 本文研究的技术路线
第 2 章 大跨空间复杂钢结构施工方法及力学分析概述
2.1 大跨空间复杂钢结构常用施工方法
2.1.1 分块安装法
2.1.2 高空散装法
2.1.3 整体吊装法
2.1.4 高空滑移法
2.1.5 整体提升法
2.1.6 整体顶升法
2.2 施工过程中的力学分析
2.3 MIDAS/Gen 在模拟施工过程中的应用
2.4 本章小结
第 3 章 某秀场钢结构安装方案分析
3.1 工程概况
3.1.1 工程总体概况
3.1.2 钢结构概况
3.2 秀场钢结构施工方案对比分析
3.2.1 现场施工条件分析
3.2.2 施工方案对比分析与选择
3.3 屋面钢结构安装方案
3.3.1 安装思路
3.3.2 吊装设备选型及性能参数
3.3.3 吊装工况分析
3.3.4 安装流程
3.4 前厅钢结构安装方案
3.4.1 安装思路
3.4.2 吊装设备选型及性能参数
3.4.3 吊装工况分析
3.4.4 安装流程
3.5 施工措施
3.5.1 屋面钢桁架吊具设置
3.5.2 屋面钢桁架支撑胎架设置
3.6 本章小结
第 4 章 钢结构施工模拟分析及验算
4.1 钢结构临时支撑体系介绍
4.2 胎架验算单元的选取
4.3 胎架验算单元的结构形式
4.4 胎架数值模型的建立
4.4.1 数值模型建立的原则及注意事项
4.4.2 几何模型的建立
4.4.3 荷载及边界条件
4.5 有限元计算结果分析
4.5.1 胎架变形结果分析
4.5.2 胎架强度结果分析
4.5.3 胎架反力分析
4.6 本章小结
第 5 章 钢结构加工制作方案
5.1 焊接 H 型钢加工制作方案
5.1.1 焊接 H 型钢构件加工制作方法
5.1.2 焊接 H 型钢构件加工制作工艺
5.2 焊接施工工艺
5.2.1 焊接方法的确定
5.2.2 埋弧焊焊接工艺
5.3 焊接质量控制
5.3.1 焊接质量控制程序
5.3.2 焊接质量控制措施
5.4 某秀场项目安装方案最终实施效果
5.5 本章小结
第 6 章 结论
一个覆有震撼华丽外形的钢结构建筑不仅包含了设计师的顶级艺术灵感，更重要的是在其背后蕴含着建造者将所有分散钢构件安装成雄伟宏大钢结构建筑的匠心精神。本文结合某秀场项目对复杂结构形式的钢结构安装技术进行针对性的研究，得出以下结论：
（1）针对跨内吊装施工方案、局部滑移与分段吊装相结合施工方案、局部提升与分段吊装相结合施工方案以及跨外吊装施工方案进行阐述与对比分析，结合现场施工条件和工期要求，考虑各方案在实现经济、质量及安全等方面的难易程度，最终选择跨外吊装作为屋面钢结构的施工方案；（2）由于屋面钢桁架的重量和长度均较大，因此针对屋面钢结构安装采用整体分段的吊装方式，通过对跨内及跨外桁架进行最不利吊装工况分析，得出所选的吊装设备满足安装方案的要求；（3）前厅钢结构为网片结构，因此针对前厅钢结构的安装采用网片分区分块的吊装方式，通过对分区网片进行最不利吊装工况分析，得出所选的吊装设备满足安装方案的要求；（4）通过 MIDAS Gen 分析软件对钢结构安装过程中的临时支撑体系——支撑胎架进行模拟分析验算，得出支撑胎架的强度和刚度满足钢结构安装方案的要求；（5）应当从焊接 H 型钢加工制作方案、箱型构件加工制作方案、焊接方案和工艺以及焊接缺陷及对策等方面入手保证钢结构的加工制作及焊接工艺质量，进而保证整个钢结构工程的质量。
通过本项目的研究，提出了切实可行的复杂钢结构安装方案，希望为其他类似结构形式的复杂钢结构项目的安装提供一定的借鉴及指导。
参考文献
