文：张玉蕾、张兆平、徐淑华、陈江、王一峰
（中建钢结构有限公司）
摘要：本文对单层拱结构的受力特性进行了分析和研究。 同时结合工程实例，讲解了在实际施工过程中如何采用水平钢索、竖向支撑、侧向约束等各种施工技术措施。 确保拱结构安装过程中结构安全稳定，同时严格控制结构变形，使安装精度满足要求。
关键词：大跨度建筑； 单层拱形结构； 水平钢缆； 垂直支撑； 横向约束
1 简介
钢结构以其轻质、高强、耐用的特点，广泛应用于各种超高层、大跨度结构。 现代建筑在满足结构安全的同时，也越来越追求建筑美观、低碳、经济。 本文所列工程大量采用单层拱结构，充分发挥了拱结构的承重优势，大大降低了结构造价。 钢材的使用量使得建筑线条灵活美观，但也给结构安装施工带来了较大的难度，提出了更高的要求。
2 拱结构的特点
拱的弯矩比相同跨度和荷载的简支梁小得多（如图1所示），因此拱结构适合大跨度建筑，在房屋、桥梁中得到广泛应用。 但由于它是推力结构，对拱足约束要求较高，因此拱形支撑必须足够坚固，这是采用拱形结构形式时必须注意的。
图1 拱形应力
3个拱形结构的组装
某工程次拱跨度为36m。 为了便于运输，分为三段（见图2），在现场地面组装。 两个副拱及其中间连接梁+天窗拱梁共同构成一个副拱单元。
由于屋顶呈波浪形，有起伏，所以两个次拱的高度不一致。 为了便于组装和精确控制，组装好的胎架设计为三单元形式（如图3所示），上部铺设木跳板进行组装。 工作平台已就位校准，也可作为焊接施工工作平台。 经过现场实际施工验证（见图4），这种装配方法可以很好地控制精度。 同时，组装完成后，部件处于高空位置，无需调整角度，可直接将吊钩绑起吊装。 同时，轮胎架设计为可组装式，易于周转（可重复使用），施工作业效率极高。
图2 组装好的轮胎框架三维效果图
图3 组装立面图
图4 现场组装照片
4 拱单元受力及变形分析
1）中间无支撑的工作状态
从计算结果可以得出以下结论：一是水平侧向推力大，单个亚拱拱脚推力超过5t（见图5）； 其次，如果拱脚不受到约束，其在自重作用下的水平变形会很大（接近200mm，如图6所示）。
图5 检查两侧无支撑约束的典型单元的轴承反力
（单位：千牛）
图6 一侧自由工况位移计算 一侧无支撑和约束
（单位：毫米）
2）中间添加垂直支撑
如果在次拱跨中设置竖向支撑，则假定支撑采用 HEA200 钢。 根据经验计算，其应力和变形分析如图7和图8所示。
图7 典型两侧支撑单元支撑反力计算（单位：t）
图8 一侧自由工况且一侧有支撑和约束的位移计算（mm）
从计算结果可以得出：一是水平侧向推力大，单个亚拱拱脚推力达4.8t以上； 其次，如果拱脚不受约束，其在自重作用下的水平变形较小（约10.9mm），对结构安装精度的影响在可控范围内。
5 方案比选
经过对次拱结构的验证和分析，可以从两个方面控制安装精度：一是抵消水平推力。 可以使用足够强度的拱脚约束或使用水平钢索抵消水平推力来控制变形； 第二，抵抗水平推力。 变形，通过增加支撑来抑制结构变形，使结构变形趋势大大减小。 虽然水平推力没有减少，但并不影响结构的安装。 下面介绍了三种不同的替代方案以供比较。
1）跨中设置轻胎架+横梁（见图9）
图9 轻胎架+跨中安装水平梁
优点：能有效抵抗次拱的水平变形。 轮胎架可以设置较大的距离，而不影响地面机械设备的操作和施工。 同时，轮胎架可以旋转。
缺点：一是胎架的制作和安装成本较高； 其次，胎架最大高度接近18m，且由于其自身的稳定性要求，需要刚性支撑或缆风绳固定； 第三钢结构缆风绳，后期拆胎架的工作量比较大。
2）跨中设置支撑脚手架（见图10）
图10 跨中搭设支撑脚手架
优点：能有效抵抗次拱水平变形，脚手架更灵活。 同时，上部可配备工作平台作为安全保护措施。
缺点：一是脚手架搭设需要材料投入大，需要大量人工，费时费力，影响工期进度； 二是脚手架搭设的区域不能占用机械设备，工人不能行走，影响场地规划和其他专业施工； 第三，但后期胎架拆卸作业工作量大，周转成本高。
3）设置水平钢索和横向风绳（见图11）
图11 设置水平钢索和横向风绳
优点：一是能有效抵抗次拱水平变形； 二是钢索架设简单、方便、快捷，钢索拉紧后即可松开挂钩，施工安装效率高。 第三，钢缆设置在高空，下面的施工区域完全不受影响，便于场地规划和地面施工作业； 四是周转方便。
缺点：一是在钢索拉出的位置虽然设置了柔性垫，但仍然会损坏油漆，导致后期高空涂装工作量增加； 其次，钢丝绳内应力较大，需要可靠固定，同时在后续构件吊装施工时，需要注意避让钢丝绳。 如果不小心划伤钢结构缆风绳，就会存在一定的安全隐患。
根据以上三种方案和比较，我们得出的结论是：前两种方案成本较高，周转困难，不适合大规模使用。 第三种方案简单、快捷、风险可控，是最优的施工方案。 。
6 吊装就位及钢丝绳张紧
吊装时，将缆索挂在副拱上，与副拱一起吊装就位。 就位后请勿松开挂钩（如图 12 所示）。 吊装就位时安装高强度螺栓。 安装高强度螺栓。 完成后，架设钢缆并拉紧。 考虑到钢索受力后会拉伸、伸长，因此紧固时，在设计开口尺寸的基础上增加10mm。 张拉完毕后，进行测量和复查。 如果满足要求，则吊机松钩（如图13）。
图12 钢索无应力状态
图13 钢索拉紧后松开挂钩
7 结论及经济效益分析
1）采用MIDAS计算软件模拟构件的受力特性并进行变形分析。 采用水平钢索抵消单层拱结构水平推力的方案是安全、合理、可行的。 该方案可用于指导现场施工，且施工简单，易于安装和拆卸。 方便，对现场施工场地规划布局影响极小。
2）与支撑轮胎架和全厅脚手架的方案相比，该方案节省成本约150万元。
3）主拱及轮胎架支撑系统试验数据表明，水平变形满足安装精度要求和设计要求，且相邻跨安装后，其推力对前跨变形有平衡作用，这将减少原始的横向变形。 变形。
4）最后，将钢丝绳全部拆除，轮胎架卸载后，经过测量观察，整个结构的最终变形与理论变形值相差不大，说明卸载顺序虽然有影响就过程而言，对最终结果影响不大。 总之，在施工过程中，要根据后续安装施工顺序，考虑卸荷对相邻跨的影响，尽量按跨间隔卸荷。
参考
[1]罗世伟，戴国新，李方静，等。万州体育场钢结构屋面安装与卸载技术[C]//第十二届全国现代结构工程学术研讨会暨第二届全国索结构技术交流会论文集。 天津：天津大学出版社，2012。
[2] 韩金涛，王霞，明熙凤，等。 大跨度拱形钢结构施工分析[J]. 建筑，2012（19）：72~73。
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[4] 张强，于斌，朱莹，等。 深圳大运中心主体育场钢结构支撑轮胎架同步卸载技术[J]. 建筑技术，2011, 40(18): 33~36．
