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摘要：钢结构是由钢制材料组成的结构，其具有自重轻、施工方便、使用性能好、施工速度快及环保节能等优点，目前在超高层建筑、大型场馆及厂房等领域的应用非常广泛。在本案，笔者结合钢结构技术的相关知识，首先分析建筑工程施工中钢结构技术的应用要点，然后再列举索穹顶钢结构，探究大跨空间钢结构的创新应用，以期为我国建筑行业的健康发展提供技术支持。
关键词：建筑工程；钢结构；索穹顶钢结构
前言
在建筑工程施工中，钢结构技术的应用非常普遍，且应用表明其具有下列应用优势：得益于钢材良好的抗压性，钢结构的抗压性非常好，从而提高了建筑整体结构的稳定性与牢固性；钢结构的安全性高，可有效解决沉降、裂痕等系列问题；钢结构的经济性好；钢结构的施工速度快，即直接从厂家购入钢结构运至施工现场即可，且可与混凝土楼板交叉施工；钢结构的环保节能效果好，即其工作量相对较小，减少了环境污染与噪声污染，且可拆卸回收。正因为钢结构体良好的使用性能，使其拥有广阔的应用前景。但钢结构的施工是一项复杂的工事，因此明确钢结构技术的应用要点是保证其施工质量的关键。
一、钢结构技术的发展现状
在建筑工程施工中，用于承重的骨架称作结构体系，而若该结构体系选用钢材作为主要材料时，便可称其为钢结构。据此定义，钢结构建筑的造型表现如下：钢材是一种由单一元素组成的高纯度材料，从而赋予了钢结构可靠、安全、轻质、高强、性能优及节能环保等应用优势，而在钢结构的造型设计中，主要包括造型艺术、力学逻辑两个元素；钢结构建筑的连接形态如下：钢结构建筑的主要构件都保持在细长的状态下，其从建筑形态上具体表现为线性，但其易在外界压力下失稳破坏，因此要求增设稳定性构件及对构件进行格构件化处理，以规避失稳破坏现象的发生。
随着建筑行业的深入发展，钢结构技术也呈现出了新的发展态势，即：一是钢结构技术日渐向国产化转变，从而减轻了对国外技术的依赖；二是轻钢结构得以快速发展，其对节约钢材用量、减轻建筑体承重及提高建筑的安全稳定性具有重要意义。但与国外发达国家相比，我国钢结构技术的研究仍待深入。据此，在未来的发展中，我国建筑钢结构技术的研究应集中在下列方面：一是深入研究高性能的钢材，即高性能钢材的强度更高、塑性及韧性更强及能更好地适应极端气候条件，因此钢结构技术应确立研究高性能钢材的核心地位；二是深入研究轻型钢结构，即性能好、质量轻的钢材可从整体上减轻建筑体的重量，因此激起了全世界集中全力研发轻型钢结构建筑；三是深入发展多层或高层钢结构住宅，即与国外相比，我国钢结构技术主要在大跨度公共建筑中得以应用，但在住宅中却非常鲜见，因此我国钢结构技术的发展也进一步拓宽应用的范围。
二、钢结构技术的应用要点
在建筑工程施工中，钢结构技术的应用要点主要包括钢结构选材、连接、油漆工艺及钢构件的堆放等，具体表现如下：
钢结构选材与连接
目前，钢材主要分为管材、型材、板材及金属制品，其中在建筑工程施工中，最为常用的钢材是普通碳素钢，究其原因如下：普通碳素钢的塑性低，因此使其具有优质的强度、刚度特性。钢结构柱子的常见截面形式包括“十”字型、“工”字型及箱型，其中梁通常用“H”型钢梁。复合截面的应用也非常常见，其要求在正式安装前，针对关键焊接接头开展焊接试验，以提高相关技术参数的合理性。在梁柱、梁梁连接中，常采用高强螺栓连接或焊接的方式，而若采用高强螺栓连接，要求校验高强螺栓，以保证其连接孔位的精度足够高。
1.钢构件的堆放
在钢结构安装中，结构的占地面积仅在实际用地面积的一部分。据此，要求规范钢结构的安装操作流程，并在施工现场，矫正构件因运输因素而产生的变形，使其有关参数与工程施工要求相符。在钢结构安装时，常会用到塔式起重机，因此既要求严控其臂杆的长度，又应保证其起重能力足以满足实际需要，以满足不同构件的起吊要求。同时，对于钢丝绳的强度与长度，应按要求加以控制，并严控起吊速度，以防因起吊速度过快而发生意外。在多机协同作用条件下，对臂杆高度的控制是减少或避免碰撞的重要手段，从而提高了施工的安全性。
2.钢结构油漆工艺
在钢结构施工中，油漆工艺的流程是先清理金属表面，再进行除锈，然后再涂刷防锈漆，最后再涂刷涂面漆。倘若手工清理金属表面及除锈，则先用钢丝反复刷打金属表面，再用精砂布反复打磨至金属表面平滑、干净，然后用棉纱清除干净施工中产生的锈粉等杂物。在涂漆作业前，要求及时擦尽金属表面的积水，使其干燥度足够高，而在涂漆作业时，要求刷细、刷满及涂刷到位，并保护好铆孔，以防铆孔被涂料污染。在防锈漆完全干燥后，用规格适宜的腻子刮平钢构件表面的缺陷部位，其中可按比例在腻子中掺入红丹粉等，以使腻子的干硬性更高。在腻子干燥后，先进行打磨至其平整度满足实际需要，再彻底清理干净。在涂刷涂面漆时，要求多理、多刷及保证油的外观形态良好，即不流、不坠、饱和、均匀及色泽光亮，并在涂刷结束后认真检查，以免存在漏刷现象。
三、实例分析
下面，笔者针对索穹顶结构，探究大跨空间钢结构的创新应用。在这一应用过程中，需要明确下列实施要点：
图1 结构成型
1.塔架提升索杆安装
索穹顶是一种由外压环、内拉环、压杆、脊索、斜索及环索组成的张力结构。针对索穹顶塔架提升索杆的安装，其安装流程分为低空组装、空中牵引提升和高空张拉三个阶段，具体表现如下：一是选定场地的中心处，用于搭建提升塔架，注意塔架应比索穹顶中心点的设计高度略高，其中脊索网、中心受拉环应在地面组装完成；二是将一部多点提升装置安装在塔架顶，用于上下提升中心受拉环，同时将一部牵引装置安装在受压外环梁处，用于斜向牵引脊索网；三是在提升或牵引中心受拉环和脊索网进行时，应将各环的压杆、环索安装在近地面的位置，并扩展安装斜索，注意优化前后操作的顺序；四是提升至设计部位后，对最外环斜索进行张拉，以使结构成型，见图1；五是分段拆除提升塔架。
应用表明，索穹顶塔架提升索杆的上述安装方法具有下列应用优势：利用提升塔架与牵引设备，可以有效提升中心拉力环等及控制其高度调整的精准度，从而减小了脊索牵引力及牵引的距离。据此，可使脊索施工难度下降，可在近地面组成完成斜索、环索及压杆等，可简化安装工序及控制高空作业量，同时通过主动张拉最外环斜索结构，便可使结构成型及使张拉效率更高。
2.索杆系施工
研究发现，索杆系施工过程具有动态特征，但选定某一时间段进行研究，可将索杆系看作处在静力平衡状态下。为此，可先将整个施工过程划分为若干个静力平衡态，再进行找形分析。NDFEM是就索杆系静力平衡态而采取的非线性动力有限元法，其根据非线性动力有限元，通过引入虚拟惯性力和黏滞阻尼力，建立相应的运动方程，用以使高难度的静力求解问题转换为低难度的动力问题，同时通过迭代更新索杆系的位形，从而使索杆系的动力平衡状态转化为静力平衡状态。其中，运用NDFEM法进行找形分析时，需明确下列关键点：非线性动力平衡迭代；位形更新迭代，即其设计程序如下：首先，完成初始有限元模型的设计与制作；其次，运用非线性动力有限元分析法进行分析，并在总动能达到上限后，先更新模型，再进行动力分析，并最终获得位形迭代收敛效果；第三，对有限元模型进行分线性静力分析，并根据静力平衡状态加以检验；第四，提取并分析最终结果。
应用表明，通过找形分析，可将高难度的静力平衡有限元分析转化为低难度的平衡动力学分析，同时迭代更新位形，可使索杆系保持在静力平衡状态中，从而解决了超大位移中的索杆找形问题；可先按成型状态的位形设计结构，再将其视作初始位形，因此无需假定索杆的运动轨迹及无限接近平衡点的初始位移，同时也提高了结构的高效性和稳定性。
3.实际应用
对于上述讨论，其已成功应用到了某建筑项目的索穹顶工程中。该索穹顶结构主要由中心受拉钢环、外受压钢环和三环Geiger型索杆系组成，并用玻璃和铝板构成了刚性足够好的屋面，而其提升牵引高度设计为21.55m。在实际施工中，由于索穹顶工程的跨度在规定范围内，因此未搭建安装中心提升塔架与其配套，而是利用斜向提升索来取代。其中，该斜向牵引索设在外环脊索与压梁的中间，并实现牵引索与提升索的配合作业，即：运用累积安装方法，在低空设置撑杆和斜索，并按“ω”形分步提升和牵引整个脊索，使其就位，然后再对最外环斜索进行同步张拉，以使整个结构成型。
结束语
综合前文，钢结构技术具有自重轻、施工方便、使用性能好、施工速度快及环保节能等应用优势，因此在土木工程施工中的应用非常广泛。但在实际应用中，要求从不同建筑的客观需要出发，制定科学、合理的钢结构施工方案，并明确其实施要点，比如优选钢结构的材料、优化钢结构的连接形式、妥善堆放钢构件、合理选择机械安装点、优化钢结构油漆工艺等。总而言之，钢结构施工是一项复杂的工事，除了从技术角度加强施工控制以外，提高作业人员的专业技能与综合素养也是非常必要的，从而实现钢结构技术应用的综合效益最大化。
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论文作者:陆志波
论文发表刊物:《基层建设》2017年第13期
论文发表时间:2017/9/11
标签：钢结构论文; 技术论文; 结构论文; 穹顶论文; 静力论文; 脊索论文; 建筑论文; 《基层建设》2017年第13期论文;