大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工若干問題的建議

1、大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工若干問 題的建議大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工若干問題的建議大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工一直是一個(gè)值得探討的問題，筆者從大跨鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、推廣應(yīng)用高性 能鋼材、結(jié)構(gòu)安全等級(jí)的掌握、焊縫等級(jí)的選用及施工因素對(duì)設(shè)計(jì)承載能力的影響等方面提出建議。一、體育場(chǎng)屋蓋設(shè)計(jì)方案應(yīng)采用輕型結(jié)構(gòu)、應(yīng)考慮將看臺(tái)結(jié)構(gòu)作為傳力的支承體系近些年來，我國(guó)陸續(xù)建成了幾個(gè)大跨度奧運(yùn)體育場(chǎng)，南京奧體中心主體育場(chǎng)，屋蓋結(jié)構(gòu)是由與水平 面成45度傾斜的、跨度為 361.58米的三角形行架拱和有箱形鋼梁形成的馬鞍形空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，用鋼量 約12153噸。整個(gè)屋蓋結(jié)構(gòu)由主拱和箱形梁外端" V'型支承將荷載傳至下部看

2、臺(tái)（圖一），45度傾斜主拱宛如飄帶，結(jié)構(gòu)體系造型新穎美觀。重慶奧體中心主體育場(chǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)也是由跨度314米的三角形行架拱和空間網(wǎng)殼組成，網(wǎng)殼一端支承在看臺(tái)上，將荷載傳至下部看臺(tái)結(jié)構(gòu)（圖二）。沈陽奧林匹克體育中心體育場(chǎng)為容納六萬人的大型體育場(chǎng)（圖三），罩棚鋼結(jié)構(gòu)屋面為以橄欖葉的王冠為設(shè)計(jì)概念所設(shè)計(jì)成的跨度360米的大型屋頂，屋面罩棚結(jié)構(gòu)采用單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系，南北罩棚內(nèi)側(cè)懸挑處各設(shè)置一空間加勁三角桁架，屋面網(wǎng)殼采用單根大口徑鋼管，一端支撐在地面，另一端直接與懸 挑端的空間加勁桁架相貫連接。本罩棚鋼結(jié)構(gòu)總重量約1.2萬噸，工程建筑面積 1.04萬平方米。這些工程的共同特點(diǎn)是屋蓋鋼結(jié)構(gòu)充分利用下部看臺(tái)作

3、為傳力結(jié)構(gòu)，屋蓋方案采用輕型網(wǎng)殼和鋼管行架落地拱，造型新穎，用鋼量只有“鳥巢”的1/4 o“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)采用了與看臺(tái)完全脫開的方案（圖四、圖五），水平荷載通過行架、由鋼結(jié)構(gòu)柱傳至柱底、而巨大的柱底水平力由與看臺(tái)基礎(chǔ)脫開的巨型柱腳傳遞，結(jié)果造成鋼結(jié)構(gòu)桿件太大、鋼板太厚， 總用鋼量超過4.2萬噸。如果在屋蓋門架柱頂處、看臺(tái)頂部給門架增設(shè)支點(diǎn)，利用下部看臺(tái)作為傳力結(jié) 構(gòu)，將極大減少整體鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、減少鋼材用量。這樣做并不影響“鳥巢”的建筑外形效果，也不影 響室內(nèi)觀眾視線。在靜荷載作用下增設(shè)支點(diǎn)后的柱腳內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，其中FZ（支撐）、FX（支撐）分別表示增設(shè)支點(diǎn)后的24個(gè)柱腳處的豎向力、水平力；FZ

4、、FX分別表示不增設(shè)支點(diǎn)、按照原設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)圖計(jì)算的24個(gè)柱腳處的豎向力、水平力。計(jì)算結(jié)果表明，F(xiàn)Z/FZ（支撐）=1.571.97 , FX/FX（支撐）=2.393.64 ,即增設(shè)支點(diǎn)后柱腳豎向力、水平力僅為原設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)圖的57% 33%通過上述分析，300米已上大跨度體育場(chǎng)采用輕型空間鋼結(jié)構(gòu)、利用下部看臺(tái)作為傳力結(jié)構(gòu)，不但 造型輕盈美觀，而且可以大量節(jié)省鋼材。二、大跨度體育場(chǎng)廣泛應(yīng)用國(guó)產(chǎn)高性能鋼材，鋼材性能已優(yōu)于國(guó)外我國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的迅速發(fā)展，尤其是奧體大跨度體育場(chǎng)館的建設(shè)極大地推動(dòng)了鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù) 水平的提高。隨著高層與大跨度鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的增多，對(duì)結(jié)構(gòu)用材的品種、質(zhì)量及性能的要求也更高，

5、現(xiàn) 工程所需優(yōu)質(zhì)厚鋼材（厚度50100毫米）的供需矛盾仍較為突出，以致國(guó)內(nèi)已建的大跨及高層鋼結(jié)構(gòu)中，絕大多數(shù)采用了進(jìn)口厚鋼材。為改變這一局面，鋼鐵行業(yè)研制開發(fā)了專為高層鋼結(jié)構(gòu)用的優(yōu)質(zhì)中厚板材，并于2000年頒布了高層建筑結(jié)構(gòu)用鋼板YB4104-2000行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并可大批量供應(yīng)工程應(yīng)用。這種牌號(hào)為Q235GJ Q345GJ的優(yōu)質(zhì)厚鋼板有著良好的綜合性能，如低厚度效應(yīng)（板厚50100毫米時(shí)屈服強(qiáng)度僅降低6%而普通Q345鋼要降低20%）,良好的延性與沖擊韌性 （保證-40度沖擊功）及焊接性能（碳當(dāng)量保 證），以及抗撕裂性能（Z向性能保證）等。還可以正火狀態(tài)交貨，以消除內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化晶粒。可以說能滿

6、足按抗震設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)用厚板材料的各種性能要求，其質(zhì)量性能已優(yōu)于日本SN50鋼與美國(guó)A572-50級(jí)鋼。近兩年來，在北京中關(guān)村金融中心、上海文獻(xiàn)中心及北京電視中心、北京銀泰大廈等工程中采用舞 陽鋼鐵有限責(zé)任公司生產(chǎn)的Q345GJZ厚板都取得較好的效果。其突出的優(yōu)點(diǎn)是可比普通Q345鋼提高設(shè)計(jì) 強(qiáng)度18%,可降低相關(guān)用鋼量及造價(jià)10%以上。國(guó)家體育場(chǎng)（鳥巢）、五棵松文化體育中心等奧運(yùn)場(chǎng)館及 CBD區(qū)中央電視臺(tái)新址、國(guó)貿(mào)大廈（三期）等重點(diǎn)工程（要求厚度達(dá)100130毫米用鋼量超過10萬噸）， 都以此高層建筑鋼結(jié)構(gòu)板材為厚板訂貨的首選用材。YB4104-2000是非等效采用JISG3136建筑結(jié) 構(gòu)用

7、鋼標(biāo)準(zhǔn)制定的，其屈服強(qiáng)度級(jí)別最高為345MPa（抗拉強(qiáng)度490MPa）,而國(guó)際上己開發(fā)出抗拉強(qiáng)度 590MPa和780MPa的高強(qiáng)度的建筑用鋼。為適應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)向高層化和大跨度發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)必須使用高 強(qiáng)度鋼材。如鳥巢就在國(guó)內(nèi)首次采用了 Q460E-Z35厚度為100亳米、110亳米高強(qiáng)度鋼約700噸，試驗(yàn) 結(jié)果證明，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國(guó)標(biāo)的要求。新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19879-2005新增加了 490MPa、420MPa、 460MPa三個(gè)強(qiáng)度級(jí)別，此標(biāo)準(zhǔn)是我國(guó)近年來高強(qiáng)鋼板研制開發(fā)的最新成果，按此標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的鋼板其技術(shù) 性能已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。當(dāng)前我國(guó)重大工程采用了 Q345GJ、Q460GJ等鋼

8、板，但鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和高層民用建筑結(jié)構(gòu)技 術(shù)規(guī)范都一直未對(duì)上述鋼材新標(biāo)準(zhǔn)的變化做出積極的反應(yīng)，也未提出任何修改補(bǔ)充應(yīng)用的局部條款， 致使設(shè)計(jì)與鋼材新產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)間的矛盾日益突出，為此建議立即著手修訂有關(guān)規(guī)范以滿足設(shè)計(jì)急需。三、對(duì)結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件的安全等級(jí)應(yīng)區(qū)別對(duì)待，不要過分提高或降低安全等級(jí)。建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定，建筑物中各類構(gòu)件的安全等級(jí)可以進(jìn)行調(diào)整，如果某些 構(gòu)件的破壞后果很嚴(yán)重，引起次生災(zāi)害或整個(gè)結(jié)構(gòu)的倒塌，其安全等級(jí)應(yīng)適當(dāng)提高。反之，結(jié)構(gòu)的某些 次要構(gòu)件破壞后其后果不嚴(yán)重，不影響整體結(jié)構(gòu)的安全，其安全等級(jí)應(yīng)降低。結(jié)構(gòu)不分主次，安全等級(jí)一律提高一級(jí)（其重要性系數(shù)L1）,強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

9、一律降低0.8倍，致使結(jié) 構(gòu)的安全度在原有設(shè)計(jì)安全度（1.55）的基礎(chǔ)上，又增加了 1.1/0.8=1. 378倍，總的安全度達(dá)到 1.55X1.378=2. 136»主要構(gòu)件安全度適當(dāng)提高是可以的，但對(duì)于只起傳力作用的次要構(gòu)件，其破壞并不 影響整體結(jié)構(gòu)的安全，安全度可適當(dāng)降低。從抗震耗能的觀點(diǎn)出發(fā)，大震時(shí)希望次要構(gòu)件出現(xiàn)塑性，這 樣可以吸收地震能量，減少地震力作用，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的抗震是非常有利的。由于結(jié)構(gòu)安全度不適當(dāng)提高，致使當(dāng)前一些大跨度工程用鋼量太大。當(dāng)前要特別注意的是，在結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)中，在保證安全可靠的前提下，不要過分加大結(jié)構(gòu)的安全度，造成鋼材的大量浪費(fèi)。另外，要特別 注意的另外

10、一種傾向是：在某些工程的招標(biāo)過程中，為中標(biāo)壓價(jià)，盡量減少用鋼量，致使構(gòu)件安全度太 低，受壓構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比太大，致使在安裝過程中造成桿件彎曲。由于安裝誤差太大，造成數(shù)百桿件超過 設(shè)計(jì)應(yīng)力，最后不得不采取現(xiàn)場(chǎng)加固處理措施。四、慎重選用全熔透焊縫，焊接殘余應(yīng)力只能減少不能消除，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范第7. 1. 18條對(duì)全熔透焊縫的采用作了明確規(guī)定，只有在下列情況下才能選用全熔透 焊縫。在需要進(jìn)行疲勞計(jì)算的構(gòu)件中，凡對(duì)接連接焊縫均應(yīng)焊透，受拉時(shí)為一級(jí)，受壓時(shí)為二級(jí)。不需要 計(jì)算疲勞的構(gòu)件中，凡要求與母材等強(qiáng)的對(duì)接焊縫，應(yīng)與焊透。受拉時(shí)為一級(jí)，受壓時(shí)為二級(jí)。重級(jí)工 作制和起施量大于50噸的中級(jí)工作制吊車梁的腹板

11、與上翼緣的連接焊縫要求焊透。質(zhì)量等級(jí)不應(yīng)低于二 級(jí)。高層民用建筑技術(shù)規(guī)程第8. 4. 2條規(guī)定，箱型焊接柱其角部的組裝焊縫應(yīng)為部分熔透的V型或U型 焊縫。焊縫厚度不應(yīng)小于板厚的1/3,抗震時(shí)不小于板厚的1/2o當(dāng)梁與柱剛接連接時(shí)，在框架梁的上下 600毫米范圍內(nèi)，應(yīng)采用全熔透焊縫。設(shè)計(jì)者一定要區(qū)分受力情況、重要程度，明確哪些部位采用一級(jí)全熔透焊縫。對(duì)于以靜載為主的結(jié)構(gòu)，構(gòu)件為軸心拉壓桿件，箱型構(gòu)件的四條連接焊縫不受力，也 不傳遞剪力。許多橋梁和大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程都采用了格構(gòu)式構(gòu)件，就是這個(gè)道理。采用部分熔透焊縫，可以省掉預(yù)熱、保溫等特殊的厚板焊接工藝，省掉熔敷金屬約2/3 ,工作量?jī)H為全熔透焊縫

12、工作量的1/3 o如以每噸節(jié)省 1000元計(jì)算，可以節(jié)省大量資金，同時(shí)又縮短工期。但大量采用全熔透焊縫，由于焊道數(shù)量的大量增加，會(huì)造成焊接熱量的大量堆積，熱影響區(qū)加大，致使焊接變 形及焊接應(yīng)力加大。關(guān)于焊接殘余應(yīng)力問題，在某些工程中設(shè)計(jì)規(guī)定施工中要消除焊接殘余應(yīng)力。這項(xiàng)規(guī)定給制造和安 裝造成極大困難，最終未能實(shí)現(xiàn)。殘余應(yīng)力是加工制造過程中必然產(chǎn)生的，焊接時(shí)產(chǎn)生的不均勻溫度場(chǎng)， 必然導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，當(dāng)焊縫及其附近金屬被加熱并發(fā)生膨脹時(shí)，遠(yuǎn)離焊縫的冷金屬對(duì)其該部 分金屬產(chǎn)生約束，當(dāng)恢復(fù)到室溫時(shí)，焊接被加熱的金屬就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，而約束部分則產(chǎn)生相應(yīng)的壓應(yīng) 力來平衡。殘余應(yīng)力的存在，可能會(huì)減低

13、截面抗側(cè)向剛度和構(gòu)件平面內(nèi)整體抗彎剛度，對(duì)構(gòu)件的穩(wěn)定性有一定 影響。現(xiàn)以翼緣為軋制邊的焊接工字形截面為例，它沿構(gòu)件長(zhǎng)度方向殘余應(yīng)力的分布，假定翼緣邊緣最 大殘余應(yīng)力為 brc=0.45fy ,將構(gòu)件截取一段作短柱試驗(yàn)，當(dāng)外力產(chǎn)生應(yīng)力b =N/A=0.55fy 以后，翼緣邊緣開始屈服，并逐漸向內(nèi)發(fā)展，能繼續(xù)抵抗外力的彈性區(qū)逐漸縮小，由于截面塑性的發(fā)展，對(duì)弱軸Y-Y的剛度的影響要比對(duì)強(qiáng)軸X-X的影響更大。4 -人曲23條曲線，L/1000 ,最后將由于各類構(gòu)件截面殘余應(yīng)力分布情況有較大差異，而其影響又隨壓桿屈曲方向而不同，故 線實(shí)際上是一個(gè)分布帶，“ TJ17 -74規(guī)范”采用一條曲線顯然不合理，

14、國(guó)外規(guī)范多采用 “GBJ17-88”共計(jì)算了 200多條柱子曲線，采用了 13種殘余應(yīng)力模式，考慮初始彎曲這200多曲線歸納為 a、b、c三條曲線由于高層和大跨度結(jié)構(gòu)的日益廣泛應(yīng)用，新規(guī)范“ GB50017 -2003”修訂增加了第四類即d類截面的穩(wěn)定系數(shù)。高層及大跨的柱翼緣厚度都超過40毫米，這類厚壁柱的殘余應(yīng)力值很高，且沿壁厚方向變化，板件外表面往往以殘余壓應(yīng)力為主，對(duì)構(gòu)件的穩(wěn)定的影響較大，導(dǎo)致它的承載能力下降。以人=60為例,d類構(gòu)件比a類構(gòu)件4值減低了 30%,比b類降低了 23%比c類降低了 13%,隨人值的加大，d類構(gòu) 件的4值降低的就更多?；谏鲜龇治?，國(guó)家規(guī)范已對(duì)殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件

15、承載能力的影響作了充分考慮。設(shè)計(jì)者在實(shí)際工程中 不必采取消除殘余應(yīng)力的措施，實(shí)際上殘余應(yīng)力是客觀存在、消除不了的，但在施工過程中應(yīng)采取合理 的焊接工藝，盡量減少殘余應(yīng)力的影響。五、設(shè)計(jì)必須充分考慮施工因素對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的影響設(shè)計(jì)所采用的計(jì)算模型，是理想的理論上的計(jì)算模型，計(jì)算假定施工過程中不存在結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)迫就 位，即不考慮施工過程產(chǎn)生的安裝初始內(nèi)力，不考慮具體的施工過程、施工順序，僅對(duì)合龍后的整體結(jié) 構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算；不考慮施工中產(chǎn)生的較大安裝偏差，認(rèn)為節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)都是理想坐標(biāo)。隨著結(jié)構(gòu)跨度越來越大， 結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜，由于施工因素的影響上述計(jì)算的理想假定難以滿足要求。安裝偏差的影響：鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗(yàn)

16、收標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于各種允許偏差的規(guī)定，均是基于一般工業(yè)與民 用建筑鋼結(jié)構(gòu)工程制定的。而大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)件異型，存在大量高空不同方向的對(duì)接, 必然會(huì)出現(xiàn)測(cè)量誤差偏大、制作與安裝誤差超出標(biāo)準(zhǔn)要求的幾率較高。如某一大跨度球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架工程安裝時(shí)產(chǎn)生較大偏差，下弦實(shí)測(cè)最大安裝偏差達(dá)到300毫米，經(jīng)對(duì)16000節(jié)點(diǎn)和60000萬個(gè)桿件實(shí)測(cè)安裝坐標(biāo)，重新建立計(jì)算模型進(jìn)行復(fù)核，雖然結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度沒有太大的變化，但也有個(gè)別構(gòu)件超過原設(shè)計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)，超應(yīng)力桿件達(dá) 200余根，最后不得不進(jìn)行加固處理。再有，某一大跨度工程主桁架地面拼裝時(shí)上 下弦兩端軸線高度允許偏差為5毫米、長(zhǎng)度允許偏差 5毫米10毫米之間，但在高空

17、安裝組拚時(shí)，最大產(chǎn)生了 10毫米的錯(cuò)口和 36毫米的焊縫間隙，如此這么大的偏差必然會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全度。安裝強(qiáng)制就位的影響：由于結(jié)構(gòu)類型復(fù)雜，相交于某一節(jié)點(diǎn)的桿件過多，存在大量高空對(duì)接，產(chǎn)生 對(duì)接接口、錯(cuò)口和間隙過大是難免的。受加工制作誤差、施工過程溫度變化、測(cè)量誤差等影響，產(chǎn)生了 接口錯(cuò)邊和接口間隙過大現(xiàn)象，有個(gè)別錯(cuò)邊達(dá)5毫米、接口間隙達(dá) 29毫米。另外，由于頂面次結(jié)構(gòu)和肩部次結(jié)構(gòu)是主結(jié)構(gòu)卸載后安裝，而次結(jié)構(gòu)是按卸載前的幾何尺寸進(jìn)行加工的，將來可能會(huì)存在大量的構(gòu) 件接口出現(xiàn)超差現(xiàn)象。為滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)于錯(cuò)口的處理采用千斤頂或火攻校正方法，強(qiáng)制構(gòu)件就位的 結(jié)果由于扭轉(zhuǎn)力矩的作用，給外伸牛腿造成較大的內(nèi)應(yīng)力，這些內(nèi)應(yīng)力是設(shè)計(jì)無法考慮的，勢(shì)必會(huì)對(duì)結(jié) 構(gòu)安全造成影響。焊接內(nèi)應(yīng)力的影響：鳥巢為全焊接鋼結(jié)構(gòu)，焊縫總長(zhǎng)為30萬延米，基本上為厚板全熔透焊縫，焊接工作跨越整個(gè)冬季，既有高強(qiáng)鋼(Q460E-Z35)的焊接，又有鑄鋼件的焊接，厚板焊接熔敷量大，加之接口間隙超差，造成對(duì)接接口處大量焊接熔敷金屬的堆積，雖然采取預(yù)熱保溫措施，但焊接內(nèi)應(yīng)力的存在是 必然的，而且也是很大的。屋蓋合龍溫度的影響：溫度應(yīng)力的計(jì)算是大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心，但是施工的具體過程往往難以 滿足設(shè)計(jì)要求，從設(shè)計(jì)者來說，總希望合龍時(shí)選取一個(gè)最佳的溫度，這樣可減少溫度應(yīng)力的影響。但施 工中各種不可