摘要：本文結合鄂爾多斯機場擴建工程大跨度空間結構的工程實踐，詳細闡述了大跨度鋼結構高空散裝法、分段吊裝法、整體安裝法、高空滑移法、整體成形法的施工工藝和關健施工技術；提出多階段施工分析方法，并對施工全過程進行有限元模擬分析。通過計算分析，調整鋼結構施工順序并設置鋼結構施工過程中的預變形，取得了較好的實施效果。
關鍵詞：大跨度空間結構 高空散裝法 分段吊裝法 整體安裝法 高空滑移法 整體成形法 多階段施工分析方法 有限元模擬分析
大跨空間結構的施工是一個從局部到整體的動態(tài)過程，中間有結構形態(tài)的變化，不同施工階段有不同的結構形態(tài)和受力狀態(tài)，每個施工階段結構的約束條件、荷載等都不同。施工方法與順序不僅使施工階段的結構受力、變形發(fā)生變化，而且影響結構成型后的受力與變形情況，為此必須考慮施工過程等對結構最終成型的影響，對結構進行施工全過程模擬分析。
1 大跨度空間鋼結構施工方法概述
1.1高空散裝法
高空散裝法是指小拼單元或散件直接在設計位置進行總拼的一種安裝方法，又可稱為原位拼裝法，適用于網架、網殼等空間結構的安裝，見圖1。高空散裝法有全支架法（滿堂腳手架）和懸挑法兩種。全支架法多用于散件拼裝，而懸挑法則多用于小拼單元在高空總拼情況。
1.2分塊（段）吊裝法
分塊或分段吊裝法，是將結構按其組成特點及起重設備的能力在地面拼裝成塊狀或條狀單元，分別由起重設備吊至設計位置就位，然后拼裝成整體的安裝方法。分塊或分段吊裝法的大部分焊接和拼裝工作在工廠或現(xiàn)場地面進行，有利于提高工程質量，減少高空作業(yè)量，加快施工進度，并且所需臨時支撐相對較少。通過吊裝單元的合理劃分，可以降低起重設備的等級，降低成本。
呼和浩特白塔機場新建航站樓工程屋面結構由兩榀205.44m跨度鋼結構主拱箱梁懸掛，并與縱向的中心拱和其他構件共同形成了穩(wěn)定空間結構體系。由于場地和起重設備的限制，205.44m跨度的主拱箱梁分為21段進行吊裝（見圖2）。
1.3整體安裝施工法
整體安裝施工法是將結構在地面或胎架上拼裝完成后，再運送并安裝到設計位置的施工方法。常用整體安裝法有整體吊裝法、提升安裝法、頂升安裝法等。與傳統(tǒng)的散裝法相比整體安裝法具有以下優(yōu)點：
（1）結構在地面整體拼裝，高空作業(yè)少，有利于保證工程質量保；
（2）可與下部工程同時進行，工期短；
（3）臨時支撐少。
在整體安裝法施工過程中，影響結構體系及施工系統(tǒng)受力性能的關鍵因素有：
（1）提升吊點（或頂升支點）的確定，包括數量和布置；
（2）提升或頂升過程的同步性，提升過程中可能產生的突然動力作用；
（3）結構體系邊界條件的變化。
1.3.1整體吊裝法
整體吊裝法是指大跨度空間結構在地面拼裝成整體后，采用單根或多根撥桿、一臺或多臺起重機進行吊裝就位的施工方法。
1.3.2整體提升法
整體提升法是將待安裝的結構在地面或適宜的樓層上組裝成型，然后利用提升設備將結構提升至設計標高的安裝方法。提升安裝可采用卷揚機提升，鋼絲繩承重。對于同步性要求較高的結構，宜采用計算機控制的液壓千斤頂提供提升力，鋼絞線承重，千斤頂是固定不動的，結構隨著鋼絞線的上升而被提升。提升法安裝需要提供反力的結構，工程中可利用永久結構作為支撐架，無永久結構可利用時，可采用臨時支撐架輔助。提升法安裝的控制重點是：
（1）提升移位的同步控制，即各提升點的高差控制；
（2）應對支撐結構及待安裝的結構進行提升階段結構驗算。
1.3.3頂升安裝法
頂升法是將待安裝的結構在地面或適宜的樓層上組裝成型，然后利用頂升系統(tǒng)將結構頂升至設計標高的安裝方法。頂升安裝可采用螺旋千斤頂或液壓活塞式千斤頂提供動力。頂升法安裝同樣的需要提供反力的結構，工程中可利用永久結構作為支撐架，無永久結構可利用時，可采用臨時支撐架輔助。
頂升法安裝的控制重點是：
（1）頂升移位的同步控制，即各頂升點的高差控制；
（2）頂升安裝時尚需控制其垂直度；
（3）同樣應對支撐結構及待安裝的結構進行頂升階段結構驗算。
1.4高空滑移法
高空滑移法是指結構整體或分條的結構單元先在具備拼裝條件的位置組裝成型，再在預先設置的滑軌上滑移到設計位置拼接成整體的安裝方法，見圖3。
高空滑移法按滑移方式可分為單條滑移法和逐條累積滑移法。
按滑移過程中摩擦方式可分為滾動式及滑動式滑移；按滑移過程中移動對象可分為胎架滑移和結構主體滑移；按滑移牽引力作用方式可分為牽引法滑移和頂推法法滑移；按滑移軌道布置方式可分為直線滑移和曲線滑移。
由于高空滑移法在土建完成框架、圈梁以后進行，而且是架空作業(yè)，因此對建筑物內部施工沒有影響，滑移安裝與下部土建施工可以平行立體作業(yè)，大大加快了工期。此外高空滑移法對起重設備、牽引設備要求不高，降低了起重機或卷揚機等級，而且只搭設局部的拼裝支架，大大減少了搭設滿堂腳手架的施工成本。
滑移法施工過程中，影響結構體系及施工系統(tǒng)受力性能的關鍵環(huán)節(jié)是：
（1）頂推點的確定，包括數量和布置；
（2）滑移軌道及導向輪的設置，包括數量和位置；
（3）拼裝支架的設計與搭設；
（4）牽引力及牽引速度的設計與同步控制的精度；滑移過程中可能存在的卡軌力作用；
（5）結構體系邊界條件的變化。
1.5整體成形法
最近20年來，隨著施工技術的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，出現(xiàn)了一些具有思想新穎、技術先進的適合于結構整體成形的施工方法，取得了良好的經濟效益和社會效益。目前使用的整體成形施工方法包括攀達穹頂施工法、折疊展開式施工法以及拱桁架施工法等。
1.5.1攀達穹頂體系的施工方法
在網殼結構中設置一些機構構造，使其成為一種可折疊的網殼結構，稱之為折疊式網殼結構，又可稱為“折疊展開式”網殼結構，日本空間結構專家川口衛(wèi)先生開發(fā)了這種取名為“Pantadome”，中文譯名為“攀達穹頂”的施工方法，并已成功地應用于世界各地的七個工程中。
攀達穹頂體系適合于雙曲率的網殼結構和環(huán)向閉合的穹頂結構，其基本思想是將球面網殼通過設置三道鉸線并臨時去掉一些環(huán)向桿件，在施工階段使一個穩(wěn)定結構變成一個幾何可變體系，即一個機構，這樣就可以將網殼結構在地面折疊起來，最大限度的降低安裝高度，從而可以在地面上完成大部分施工工作，之后頂升或提升到設計高度就位，最后補缺未安裝的構件，機構又變成穩(wěn)定的結構。
攀達穹頂體系可以將網殼靠近地面折疊起來，大大降低了安裝高度，節(jié)約大量腳手架，避免高空作業(yè)，加快結構安裝速度。特別適合矢高大的曲面網殼結構。圖4為攀達穹頂施工過程。
攀達穹頂體系的最大特點是它在成形過程中是一個只有一個自由度的機構，其他方向的運動是受約束的，因而它本身就可以抵抗風、地震等水平荷載的作用，從而施工中不必再增加穩(wěn)定索或支撐桿件等保證穩(wěn)定的措施。
結構在竣工后，三道鉸線上的鉸常保留在結構中，其中兩道鉸線中的鉸做結構鉸使用，使得結構在溫度變化作用時可以自由變形以釋放溫度應力。
1.5.2折疊展開式施工法
折疊展開式施工法與攀達穹頂施工法相似，這種方法更適用于單曲率的三心圓柱面網殼、雙坡單向拆線形網殼。其基本思想是將網殼去掉部分桿件，使一個靜定結構變成一個可以運動的機構，這樣就可以將網殼結構在地面折疊起來，最大限度的降低安裝高度，然后將折疊的網殼提升到設計高度，最后補缺未安裝的構件，機構又變成靜定的結構。整個施過程是結構一機構一結構的變化過程。
1.5.3張拉弦鋼拱架施工法
張拉弦鋼拱架結構是一種新型的預應力鋼結構體系，張拉弦鋼拱架結構由若干榀鋼桁架、下弦鋼索、檁條及屋面板等組成。各構件的尺寸、形狀都經過精確計算，以適用于預應力鋼索的張拉和結構最后的成形。
張拉弦鋼拱架結構是理想的倉庫結構形式：內部空間無內柱阻礙，適合貨物的堆積；結構本身很堅固，允許屋頂吊掛專業(yè)設備，而且吊運貨物的機械設備及運送設施可在結構預應力鋼索張拉前在地面上安裝完成。
2 大跨度空間鋼結構的多階段施工分析方法
2.1基于非線性有限元的多階段施工分析理論
施工力學分析體現(xiàn)時變性，即指結構的剛度矩陣、質量矩陣、邊界約束、節(jié)點荷載等在整個過程中都是隨時間變化而不斷改變的。多階段施工分析理論認為結構施工分析的全過程也是結構受力成型的全過程，充分考慮施工過程中施工階段的可分性，以不同施工階段進行的時間順序為變量，在不同施工階段下，將與各施工階段相符合的結構、荷載、約束條件等，分別進行分析計算，將前一個施工階段的內力與變形等計算結果作為后一個施工階段的初始條件，并對結構不斷進行協(xié)同分析，考慮后面施工階段對前面已成型結構的影響，這樣不斷進行各個施工步驟的分析計算直至結構成型。
多階段施工全過程分析理論充分考慮施工過程這個動態(tài)變化的過程，整個結構設計分析過程其實也是結構施工全過程跟蹤模擬的過程。結構各部分桿件的在各施工階段的施工內力不僅是一個過程力，而且對結構最終成型后的內力是有影響的，結構成型后的內力其實是整個施工過程中各個階段的施工內力不斷累積而成的，采用不同施工方法或施工順序會導致結構成型后的內力不同就是這個原因。
結構施工全過程產生的內力變化就是由于結構在不同施工階段過程中剛度、荷載、約束等的變化引起的，在施工全過程中由于先完成安裝的結構在施工荷載的影響產生位移，產生變形的前一部分結構與尚未成型的后一部分結構組成目前施工階段的受力體系，在本施工階段的約束與支撐條件下承受目前階段的荷載。為此對于整個施工過程要進行跟蹤模擬和全過程分析，必須區(qū)分各施工階段的結構與約束荷載等情況，從施工開始的第一個階段起，對每一個當前施工階段得到的新結構講行全面分析，作為下一個施工階段分析計算的基礎，后面施工階段的計算分析以前一階段形成的結構和荷載約束情況為基礎，如此不斷對施工全過程的每一個階段進行跟蹤計算，最后形成結構成型后的狀態(tài)。
2.2多階段施工分析理論的計算方法
根據施工步驟，施工全過程共分為1，2，3，…，n個施工階段，整個結構根據施工階段的不同分為n個單元，從P1開始每一個施工階段增加1個安裝單元至Pn，則結構在施工過程中每個施工階段的有限元基本方程為[]。
2.3累積滑移多階段施工分析的計算步驟
單元滑移法施工過程根據施工階段的工藝不同可以分為兩類計算模型：分塊計算模型與累積計算模型。如果后一榀滑移單元在支架上拼裝完滑移出支架后，因約束條件的變化己經產生豎向位移，再同前一榀進行連接，則后拼裝單元對前一榀拼裝單元位移不產生影響，則前后兩個施工階段的差別僅是由于后一榀對整體結構剛度的貢獻，計算方法僅是通過分階段靜力計算，此為分塊計算模型。如果后一榀結構單元先與前面的已滑移結構進行拼裝，則由于兩者變形的不協(xié)調使后一榀的滑移單元對前面已經滑移出的單元受力與變形產生影響，計算必須考慮前一階段滑移單元對后滑移單元的影響，此為累積計算模型。
在此以累積滑移施工為例，說明多階段施工成型分析計算的步驟。
根據施工步驟，施工全過程共分為1，2，3，…，n個施工階段，整個結構根據施工階段的不同分為n個單元，從P1開始每一個施工階段增加1個安裝單元至Pn
3.1工程概況
鄂爾多斯機場新建航站樓整體造型為一只展翅的雄鷹，建筑物地上三層，地下一層，總建筑面積約為100277m2，，屋頂為大跨度鋼結構屋蓋，分為7個獨立的溫度區(qū)間。建筑中心位置，為直徑108米的大型穹頂。建筑兩翼翼展為490米，建筑總高度，最高為31.13米（穹頂檐口至路側場地高度）。鋼結構鋼屋蓋為空間大跨度管桁架和網架結構，見圖6。
（A區(qū)圖7）穹頂結構主要由穹頂中心球殼、內環(huán)桁架、24榀主桁架以及主桁架之間扇形區(qū)域網殼、外環(huán)桁架組成。穹頂結構通過Y型鋼支撐與混凝土柱相連接，穹頂與Y型鋼支撐直接通過球節(jié)點進行連接。穹頂結構最高點達45.7米。桿件截面有Φ325X20,Φ299X14,Φ245X12,Φ140X4等。BCD區(qū)鋼結構為螺栓球網架結構。
3.2 施工安裝總體思路
A區(qū)穹頂采用對稱旋轉累積滑移的施工方案，徑向主桁架采用地面拼裝，分兩段吊裝，主桁架間單層網殼、環(huán)桁架和內環(huán)采用高空散裝，拼裝和吊裝機械采用兩臺70米臂長的TC7052塔吊。其余六區(qū)螺栓球網架結構采用搭設腳手架高空散裝的施工方案。
3.3 A區(qū)穹頂滑移施工方案
3.3.1滑移施工流程（圖8）
3.3.2 安裝方案
（1）臨時支撐體系設置
在結構左右兩側搭設兩跨拼裝平臺，在內環(huán)桁架和中心球殼單元下搭設滿堂腳手架支撐。外環(huán)滑移軌道采用鋼梁布置在砼結構柱上，第二道滑軌采用十二個支撐塔架（圖9）。
（2）滑道布置
結構布置內、中、外三環(huán)滑移軌道（圖10），內環(huán)布置在內環(huán)桁架下方（半徑10米），中環(huán)布置在半徑24.479米上，外環(huán)布置在穹頂結構柱上（半徑54米），在結構外環(huán)和中環(huán)布置頂推動力裝置，內環(huán)安裝輪子作為從動軌道。
（3 ）內環(huán)桁架及中心球殼單元散裝安裝，環(huán)桁架下弦桿處安裝八個滑動臺車，球殼單元拼裝狀態(tài)為設計狀態(tài)順時針旋轉165度。
（4）徑向主桁架分兩段在地面拼裝，吊裝到滑移拼裝平臺上組裝完成主桁架，主桁架間單層網殼、環(huán)桁架和內環(huán)采用高空散裝（圖11）。拼裝和吊裝機械采用兩臺70米臂長的TC7052塔吊，布置在結構左右兩側。
（5）采用逆時針方向滑移，第一次滑移同時拼裝兩個區(qū)間（30度）進行滑移，以后每次左右同時累積結構的1/24區(qū)間（15度），共累計滑移10次，直至24榀主桁架及其間網殼全部安裝到設計位置。
（6）結構外環(huán)柱滑移采用比設計標高抬高20mm的形式，滑移到位后，對鋼柱下支座進行塞裝并與鋼柱上部焊接，最后進行鋼柱卸載固定焊接。
3.4 累積滑移施工模擬
3.4.1 分析模型
結構滑移模擬分析選用了有限元程序SAP2000（12.0版）。
A區(qū)穹頂鋼屋蓋安裝方案采用“以穹頂中心為圓心，旋轉累積滑移”的施工方案。整個穹頂下部設置3道環(huán)形滑移軌道，其中第一道滑移軌道設置于Y型鋼支撐底部；第二道滑移軌道設置于徑向主桁架下弦處、以穹頂中心為圓心、半徑24.479m的圓周上；第三道滑移軌道設置于環(huán)向桁架1下弦桿位置。建立計算模型如圖12所示：
3．4．2 施工階段劃分
根據施工步驟將結構單元、荷載式況劃分為7個施工階段進行施工過程模擬分析。
階段1：中心球殼單元及內環(huán)桁架散裝完成，環(huán)桁架下弦桿處安裝八個滑動臺車。
階段2：吊裝C1、C13軸線上徑向桁架；
階段3：吊裝C24和C12軸線上徑向桁架；
階段4：拼裝完成C1—C24和C12—C13間單層網殼；
階段5：拼裝完成C1—C23和C11—C13間環(huán)桁架及單層網殼；
階段6：拼裝C1—C20間和C8—C13間單層網殼；
階段7：主桁架安裝完成，兩側均剩余最后一個區(qū)間網殼；
階段8：最后一個區(qū)間網殼拼裝完成。
3.4.3多階段施工分析
（1）主要施工階段桿件內力和豎向變形分析
1）第一次滑移，結構累積滑移過程中考慮1.2倍的動力系數后，桿件應力變化情況（圖13-1），最大豎向變形為-8.4mm，發(fā)生在主桁架間的單層網殼中部（圖13-2）。
2）鋼屋蓋完成1/2，累積旋轉滑移75°時，桿件應力比值見圖14-1，最大豎向變形為-9.1mm，發(fā)生在主桁架間的單層網殼中部（圖14-2）
3）鋼屋蓋完成拼裝、滑移后，未卸載前桿件應力比值見圖15-1，最大豎向變形為-9.8mm，發(fā)生在主桁架間的單層網殼中部（圖15-2）
（2）鋼結構拼裝及滑移過程中，各側向位移分析（圖16）
經計算分析可知，由于在滑移過程中滑移單元支撐點不在同一高度上，整個結構具有向低處移動的趨勢。故外環(huán)支座側向位移量最大，最大側向位移量為4.09mm。均小于滑靴兩側允許滑動空間20mm。
4 結語
本文結合鄂爾多斯機場擴建工程，詳細闡述了大跨度鋼結構地面單元組裝、分段吊裝、高空對接、曲線累積滑移的施工工藝和施工技術；通過應用多階段施工全過程分析理論，對鄂爾多斯機場新建航站樓工程施工模擬計算，得出了一些有益于指導施工的理論依據，并以此調整鋼結構施工順序并設置鋼結構施工過程中的預變形，取得了較好的實施效果。
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作者簡介：田偉，1970.8河北建設集團有限公司內蒙古分公司經理，高級工程師，主要從事施工管理和技術研究。
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