建筑技术丨大跨度屋面劲性混凝土结构施工技术研究与应用

1 大跨度屋面常见施工方法

1.1 高空散装法

高空散装法还可以称之为原位拼装法，主要是将建设工程中所遇到的零散附件通过焊接手段直接在相应的位置进行拼接。可以将它看作是一种空间式的结构建设方式，这一施工方法具有较明确的优缺点，其优点在于施工过程较为简单易操作，并且工程质量可操控，安全性较高，成本较低。其缺点在于工程实施的过程中占地面积较大，一旦发生错位，很难进行再次整改，并且易受场地等多种因素的制约影响。

1.2 滑移施工法

滑移施工法主要是通过重型的吊装设备将各个单元板块进行吊装，然后将单元板块牵引到目标位置进行固定的施工方法。在进行大跨度屋面施工的过程中，主要是通过滑移施工方法将地面的结构在高空中进行拼接，再用吊装机械将准备好的钢梁通过轨道进行就位操作，最后在高空平台上进行焊接拼装工作。

相邻的钢梁通过螺栓在板块中心处连接，边缘部位通过电焊进行连接，这一施工方法的优点在于安装方式较为简单，且安全可靠，无需具备一定的操作技能。缺点在于施工时间较长，并且占用场地较大，在进行高空作业的过程中精准度要求较高，并且平台搭建需要一定成本。

1.3 整体提升法

这种方法主要是在进行结构安装过程中，在地面上进行结构拼装，再通过系统的提升将地面成型的结构提升到空中，再进行固定的施工方式。

这种方法主要用于超大型的钢结构施工，并且在提升的过程中需要利用其他硬件设置为整个板块提供升力，对于精准度较高、同步性较强的项目来说可以使用计算机系统，控制这一过程中的精准度。在提升过程中也会提供一定的反力结构。

如果在施工的过程中缺少这些结构，那么则会设置临时的支撑结构，这一方式的优点在于在地面上拼装，具有较高的质量安全保障，并且安装工期短，具有较强的经济性。其缺点在于进行结构提升的过程中，需要采取加固措施，并且要在空中进行安装。

2 大跨度屋面劲性混凝土结构施工技术分析

2.1 多阶段施工力学分析理论

2.1.1 时变力学理论基础

在进行大跨度屋面劲性混凝土结构施工过程中，主要是从局部到整体的过程，在这一过程中变化的不仅是结构的形状，更是各个部位的受力特征。

施工力学分析随着时间的变化及结构施工的具体承载力情况，明确在时间变化的过程中该力学变化的改变趋势。

实变施工力学可以根据结构体系的变化趋势对整个力学结构进行分析。

2.1.2 多阶段施工中的时变性

大跨度屋面劲性混凝土结构施工是一个长期且连续的过程，随着结构体系的不断成型，结构体系中的承载力也逐渐变化，主要包括约束条件、几何外形以及施工材料等多种性能因素。在大跨度屋面结构施工过程中，屋面结构的钢梁在滑移和浇筑过程中存在时变性。主要体现在以下几个方面。

（1）承载力情况。结构的承载力会随着环境和温度的变化发生一定的影响。

（2）边界约束条件。结构以及边界约束力在变化的过程中，也会使整个结构的力学分布不断转变，进而处于一种新的平衡状态。

（3）结构刚度。在结构体系不断完善的过程中，刚度不断增加，结构不断稳定。

（4）几何外形在缓慢变化的过程中逐步显现。

（5）结构和材料性能会随着施工强度的变化而发生改变，实现材料之间的相互作用。

2.1.3 多阶段施工过程中的力学效应

对于大跨度屋面结构施工来说，力学结构会随着该结构的不断施工而逐渐产生一定的差异性。主要体现在路效和时效两个方面。

路效主要是结构在不断完善过程中材料性能以及边界约束条件所产生的实际效果，时效主要包含时间因素，会随着施工的不断完善使材料间的力学效应不断改变。

2.1.4 施工时变力学应用

在大跨度屋面结构施工过程中，施工的力学变化属于力学应力范畴。主要是施工过程中的承载力情况、边界约束条件以及几何形态等多种因素发生改变。

随着屋面结构施工进度的不断加快，单元结构主体也发生着一定的改变，并且使各个阶段的内力不断叠加，改变了施工最初阶段的内力分布状况。

在明确各施工阶段所包括材料承载力结构体系后，对不同阶段下的组合状况和受力情况进行计算。根据施工方法的基本步骤建立力学分析模型，以此明确施工过程中的结构分布样式。

根据施工力学理论明确该建筑的稳定性，以确保施工的规范性。

2.2 大跨度屋面劲性混凝土结构施工分析法

现阶段大多数施工过程的计算方法主要是通过分阶段施工分析法进行，通过非线性分析对各个阶段的施工数据进行有效评估，运用不同施工阶段下的受力变化和受力情况进行矩阵构建。

在进行大跨度屋面劲性混凝土结构施工分析方法设计的过程中，主要运用Midas软件进行施工阶段分析。可以通过不同施工阶段的力学承载情况和边界条件等因素，计算出施工各阶段结构受力情况以及位移情况，计算思路主要通过累加的方法进行，明确施工过程中的内力分布和变形情况。

在下一阶段进行模型有效调整，以此保障结构施工的顺利进行。

3 大跨度屋面劲性混凝土结构施工技术应用

3.1 工程总体概况

天汉大剧院项目总建筑面积69 994 m²，其中地上建筑面积46 691 m²，地下建筑面积23 303 m²；建筑层数：北楼地上4层，南楼地上5层，地下1 层，本工程±0.000相对于绝对高程508m，建筑高度23.95m（室外地坪至5层屋面面层），33.75 m（室外地坪至立面构件最高点），设计使用年限为50年，耐久年限100年，抗震设防烈度为8度。

3.2 劲性混凝土结构工程概况

观众厅高大空间劲性混凝土结构位于大剧院平面中心位置，结构所处的北楼采用现浇钢筋混凝土框架–剪力墙结构。

起重机械在建筑外围难以进行吊装作业，大跨度劲性混凝土结构空间高、跨度大、劲性钢骨梁截面大。井字形劲性混凝土结构的劲性钢结构东西向跨度为32 m，南北向跨度30.05 m。劲钢梁为1 800 mm×300 mm×20 mm×40 mm、1 800 mm×200 mm×20 mm×40 mm的H型钢。

由于起重机吊装重量限制，需要在地面组拼杆件实施吊装，拼装的劲性钢梁充分考虑吊点位置和滑靴安装位置，以及钢梁起拱要求、监测设备安装部位合理等因素，吊装到屋面南侧滑轨位置临时就位。

高空组拼成片相邻钢梁利用高强螺栓连接腹板，焊接翼缘板，实施累积滑移，最后绑扎钢筋，浇筑混凝土，完成屋面施工。施工部位如图1所示。

图1 施工部位示意

3.3 设计思路

为了方便对大跨度屋面进行屋顶吊装和安装过程中的精度保障，需要根据实际情况进行各部件的分开制作和拼装，在现场进行组装。

在大跨度屋面上进行组装平台的搭设，在屋面南北两侧进行液压升降平台的搭建，并且在上面进行轨道和滑移平台的设置。将钢梁零部件运到组装平台上，并且在平台上组装完成后通过滑移轨道将钢梁进行就位。

将各部分的主梁进行安装后，通过调整对其他钢梁进行安装，随后进行吊杆和槽钢设置，在平台上进行吊挂。将梁筋绑扎进行模板支撑，在上面进行混凝土的浇筑。

3.4 施工流程

部件加工→现场组装，进行滑移轨道与平台构建→钢梁运输→组拼主钢梁→安装次钢梁→安装吊顶→绑扎梁筋→安装支撑模板→浇筑混凝土。

3.5 组装、滑移平台及轨道搭设

3.5.1 搭设滑移平台

主要通过液压提升平台进行高空作业平台的构建，根据施工实际情况和平台承载力进行升降平台的设置，每隔6~7 m设置1个平台，并将各平台下方与连接桥进行固定，以提高平台稳定性。

为了保证平台在实施过程中的可操作性，要在调试完毕后进行高空负重试验，以此保证滑移平台在建设过程中的正常使用。

3.5.2 进行滑移轨道设置

在平台组装的过程中需要铺设滑移轨道，主要用普通的钢轨制作滑移轨道，将滑移轨道与厚的钢板进行连接，并将钢板放置在各平台上。

3.6 钢梁安装

3.6.1 吊装与主钢梁拼接

主钢梁运到施工现场后，放置在塔式起重机附近，并通过塔式起重机进行钢梁提升，在平台上实现钢梁组装。主钢梁上下方边缘处采用焊接，中间部位可以通过螺栓连接，施工的主要步骤为先用螺栓连接，再用电焊焊接，在这个过程中也要考虑对于螺栓使用过程中的摩擦损失。

焊接过程中可以首先通过手工电焊，如果室外是阴雨天气，则需要进行遮风挡雨。还可以通过火焰将材料预热，并进行螺栓强扭，从部件板的中间向四周辐射，最后将螺栓拧紧。

3.6.2 主钢梁滑移就位

主要在主钢梁的滑移轨道上进行滑移小车的设置，将拼装完成后的主钢梁放置在小车上，通过卷扬机对该小车进行牵引。将主钢梁带到轨道的合适位置后，通过千斤顶将钢梁顶起，并在这一过程中逐渐将小车退出，然后将千斤顶放下，使主钢梁在这一位置就位。

为了确保钢梁位置的精准性，可以在钢柱的两侧进行定位板的构建，如果钢梁的位置过于向下，定位板在这一过程中进行卡位。在钢梁加工过程中，要实现孔径的扩大，以便于精准对接。每根钢梁都重复上述步骤，直到安装完毕。

为了防止小车在运送钢梁的过程中倾倒，可以采用以下措施的设置。首先可以在车上进行稳定架的安装。其次可以通过钢丝绳实现和小车之间的连接，减少小车倾倒的可能。

最后可在卷扬机应用的过程中缓慢前进，以保证小车在运动的过程中两侧同步滑行。

3.6.3 安装次钢梁与其他附件

将主钢梁安装完毕后，则可将次钢梁和其他附件进行安装。通过塔式起重机实现次钢梁的就位，同时将所要安装的附件提升到平台上，安装过程中利用移动的连接桥作为操作平台的使用。

3.7 梁板钢筋绑扎

3.7.1 钢筋构造明确

（1）钢梁的使用主要在屋面里侧，如果这一过程中想要钢梁弯曲，则通过冷弯的方式进行弯折，如果想让钢梁恢复原状，则通过热弯的方式进行钢筋恢复。

（2）当钢梁进行垂直使用时，在与下翼缘板进行贴合的过程中，将底部切除，在下翼打孔，通过自上而下的方向进行墙体穿孔，实现固定。

（3）主钢梁下部由3层钢筋组成，次钢梁与主钢梁之间通过翼缘板阻挡，因此可对翼缘板进行打孔，穿过翼缘板，进行钢梁固定，以满足对钢梁的保护需求，还可以将外侧进行焊接。

（4）主钢梁与次钢梁之间交接部位，可在主钢梁中心开孔，次钢梁上部贯通，以此实现二者固定。

3.7.2 绑扎工艺

由于钢梁内含有H型钢，容易导致钢梁在进行固定后受到H型钢的束缚，因此可采取以下措施。

（1）如果钢梁中间的H型钢与钢梁的上下距离较小，为了使钢筋具有一定的绑扎操作空间，可以将钢筋进行定位后，留下空余时间进行绑扎。具体方式是先进行钢筋位置定位，再进行主筋和其他部位绑扎，以此确保钢筋绑扎后的精准定位。

（2）如果钢梁下有3层钢筋，可操作的空间较小，可通过反向绑扎法，由上至下进行逐层连接。梁板钢筋绑扎如图2所示。

图2 梁板钢筋绑扎示意

3.8 梁板模板支设

3.8.1 模板支撑平台布置

（1）与槽钢垂直，进行安全网铺设。

（2）在垂直立杆的部位进行槽钢铺设，在底端位置将矩形钢板进行逐个排列，使底部钢板有板底支撑。

（3）在矩形钢板铺满后形成较严密的空间。

3.8.2 梁板模板及支撑布置

（1）由于钢梁底部有吊杆，因此在设置的过程中可以根据吊杆之间的距离进行位置摸查，以吊杆的位置为主要依据对面板的圆孔位置进行设置。并且将面板位置稍微倾斜后放置，对准吊杆位置后放平，通过海绵条进行堵塞。

（2）明确槽钢底面与钢梁底面的距离，将矩形钢管和木垫等相关因素的长度减去，将钢管作为底部支撑，进行设置调配。但由于钢梁内存在H型钢，所以无法进行钢梁中心位置开孔，无法实现螺栓的使用，但可以通过钢管的顶托压力减少底部的胀模，还可以在下方设置螺栓拉杆。

3.9 梁板混凝土浇筑

（1）为了保证钢梁的对称性，采用分层浇筑的方式，要由屋顶中心向四周浇筑。

（2）钢梁底部受到钢筋密集的影响，混凝土浇筑过程中通过振捣器向一侧驱赶，直到另一侧出现后再次进行浇筑，从中间向两端推进。

4 结论

大跨度劲性混凝土结构存在空间高、跨度大、劲性钢骨梁截面大、施工难度高、施工危险性较大等特点。

通过对本项目的吊装、滑移施工等关键施工环节进行系统监测，通过理论分析和数值模拟相结合，为结构的施工与管理决策提供依据和指导，大幅提高了结构在安装、质量、安全等方面的保障，可为后续类似工程的建设提供了技术储备，解决复杂钢结构的安装、劲性混凝土施工等关键问题。