文：张玉磊　张兆平　徐书华　陈　江　王一峰

（中建钢构有限公司）

摘要：本文针对单层拱形结构的受力特点进行了分析研究，同时结合项目实例，阐述了实际施工过程中如何通过采用水平钢索、竖向支撑以及侧向约束等多种施工工艺措施来保证拱结构安装过程中的结构安全稳定，同时严格控制结构变形，使得安装精度满足要求。

关键词：大跨度建筑；单层拱形结构；水平钢索；竖向支撑；侧向约束

１  引  言

钢结构因其轻质、高强、耐久等特点，被广泛应用于各种超高层和大跨度结构中。现代建筑在满足结构安全的同时，也越来越追求建筑的美感和低碳、经济，本文所列项目大量采用了单层拱形结构，充分发挥了拱形结构的承载优势，大大降低了结构用钢量，建筑线条灵动，造型优美，但同时也给结构安装、施工带来了较大难度，提出了更高的要求。

2  拱形结构的特点

拱与其同跨度同荷载的简支梁相比其弯矩要小得多（如图1所示），所以拱结构适用于大跨度的建筑物，被广泛应用于房屋和桥梁当中。但是由于它是一种推力结构，对拱脚约束要求较高，因此拱的支座必须足够的牢固，这是采用拱的结构形式时必须注意的。

图1  拱的受力情况

3  次拱结构的拼装

某项目次拱跨度为36m，为方便运输，将其分成3段（见图2），在现场进行地面拼装，两个次拱及其中间连梁+天窗拱梁共同组成一个次拱单元。

由于屋面为波浪形状有起伏，因此两个次拱高度不一致，为了方便拼装以及精度控制，将拼装胎架设计成三个单元组拼的形式（如图3所示），上部铺设木跳板作为拼装就位校正作业平台，同时作为焊接施工作业平台。经过现场实际施工验证（见图4），该种拼装方式可以很好地控制精度，同时拼装完成后构件即为高空就位姿态，可以直接绑钩、起钩，不需要调整角度，同时胎架设计成组装式，周转方便（可重复利用），施工作业效率极高。

图2  拼装胎架三维效果图

图3  拼装立面图

图4  现场拼装照片

4  次拱单元受力变形分析

1） 中间无支撑工况

通过计算结果可以得出以下结论：一是水平侧向推力较大，单个次拱拱脚推力在5t以上（见图5）；二是如拱脚不约束，其在自重作用下水平变形较大（近200mm，如图6所示）。

图5  无支撑两侧约束典型单元支座反力验算

（单位：kN）

图6  无支撑一侧约束一侧自由工况位移验算

（单位：mm）

2）中间添加竖向支撑

如在次拱跨中位置设置竖向支撑，支撑假定为HEA200型钢，经验算，其受力及变形分析如图7、图8所示。

图7  有支撑两侧约束典型单元支座反力验算（单位：t）

图8  有支撑一侧约束一侧自由工况位移验算（mm）

通过计算结果可以得出结论：一是水平侧向推力较大，单个次拱拱脚推力在4.8t以上；二是如拱脚不约束，其在自重作用下水平变形较小（约10.9mm），对结构安装精度影响在可控范围之内。

5  方案比选

经过对次拱结构的验算分析，可以从两个方面着手控制安装精度：一是抵消水平推力，可以采用足够强度的拱脚约束或者采用水平钢索抵消水平推力的方式控制变形；二是抵抗水平变形，通过增加支撑约束结构变形的方式使结构变形趋势大大减小，虽然水平推力没有降低，但是不影响结构的安装。以下介绍三个不同的备选方案以供比较。

1）跨中设置轻型胎架+水平横梁（见图9）

图9  跨中设置轻型胎架+水平横梁

优点：可以有效抵抗次拱水平变形，胎架可按较大间距设置，不影响楼板上机械设备的作业施工，同时胎架可旋转。

缺点：一是胎架制作及安装成本较高；二是胎架最大高度接近18m，出于自身稳定性要求，需要刚性支撑或者缆风绳固定；三是后期胎架拆除作业工作量较大。

2）跨中搭设支撑脚手架（见图10）

图10  跨中搭设支撑脚手架

优点：可以有效抵抗次拱水平变形，脚手架搭设较为灵活，同时上部可设施工作业平台，作为安全防护措施。

缺点：一是脚手架搭设需要投入大量材料，同时耗费大量人工，耗时时间长且影响工期进度；二是搭设脚手架的区域机械设备无法占位，工人无法行走，影响场地规划和其他专业施工；三是后期胎架拆除作业工作量较大，周转成本高。

3）设置水平钢索及侧向缆风绳（见图11）

图11  设置水平钢索及侧向揽风绳

优点：一是可以有效抵抗次拱水平变形；二是钢索设置简单、方便快捷，钢索张紧后即可松钩，施工安装效率高；三是钢索设置在高空位置，下方施工区域完全不受影响，方便场地规划和地面施工作业；四是周转方便。

缺点：一是钢索拉设位置虽然设置柔性垫块，但仍然会破坏油漆，导致后期高空油漆涂装作业量增加；二是钢索内部应力较大，需要可靠固定，同时后续构件吊装施工时，需要注意避开钢索，如不慎发生刮碰，存在一定的安全风险。

综合以上所述三种方案并进行比对得出结论：前两种方案成本较高，周转难度大，不适合大面积使用，第三种方案简便快捷，风险可控，是最优的施工方案。

6  吊装就位及钢丝绳张拉

吊装时，拉索挂设在次拱上，随次拱一起吊装就位，就位时先不松钩（如图12所示），在吊装就位工况安装高强度螺栓，高强度螺栓安装完成后，拉设钢索并张紧，考虑钢索受力后会拉伸伸长，因此张紧时在设计开档尺寸的基础上增加10mm，张拉完成后进行测量复核，满足要求后吊机松钩（如图13所示）。

图12  钢索处于不受力状态

图13  钢索张紧后松钩

7  结论及经济效益分析

1）选用MIDAS计算软件模拟构件受力特点及进行变形分析，采用水平钢索抵消单层拱形结构水平推力的方案是安全、合理、可行的，用该方案指导现场施工，施工简洁、安装拆除方便，对现场施工场地规划布置影响最小。

2）相比支撑胎架和满堂脚手架的方案，该方案在成本上节省了约150万元。

3）主拱及胎架支撑体系的检测数据表明，水平变形满足安装精度要求和设计要求，并且相邻跨安装完成后，其推力对前一跨的变形有平衡作用，会减小原来的侧向变形。

4）最终，全部钢丝绳拆除、胎架卸载后，经测量观测，整个结构最终变形与理论变形值差别不大，说明虽然卸载顺序对过程有影响，但是对最终结果的影响很小。总之，施工过程中需要根据后续的安装施工顺序考虑卸载对相邻跨的影响，尽量隔跨卸载。

参考文献