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摘 要：经济的发展促进了现代建筑的崛起，越来越多的新型建筑出现在我们的视野里。自2008年以来，北京奥运会给我国的建筑行业带来了更多的发展机遇，我国的大跨度钢结构在原来基础相对薄弱的基础上得到迅猛发展，出现了许多形式各异、结构多样化的建筑。在新型建筑快速发展的同时，建筑施工单位有了更多的机会和挑战，促进了大跨度钢结构技术的发展。本文分析大跨度钢结构发展的现状，重点研究大跨度钢结构的特点与施工中应注意的问题，为大跨度空间钢结构技术的发展提供一点帮助。
关键词：大跨度钢结构；施工；结构分析；方法研究
中图分类号：TU74文献标识码： A
引言
近年来，建筑行业呈快速上升的态势，大跨度空间钢结构符合了建筑施工的更高要求，得到迅猛发展。大跨度钢结构则与之不同，大跨度的钢结构在施工的过程中由于受力较大，构件会在施工的过程中发生部分变形，虽然这些变形在施工之前就是可以预见的，但是如果不对施工过程加以控制，那么在施工完成后的钢结构可能与设计并不是完全的相符，这也是引起结构不稳定因素之一。因此对大跨度钢结构施工过程的结构分析方法的研究时相当有必要的。
一、大跨度钢结构的发展现状及施工特点
1、现状
钢材作为建筑材料的一种，具有匀质、高强的特点，而且有良好的塑性、韧性和可焊性等优点，在建筑行业里扮演着重要的角色。大跨度空间钢结构的运用符合建筑坚固美观的要求，在未来的建筑行业中仍然有很大的发展空间。但是我国的大跨度钢结构技术基础还比较薄弱，近年来发展较快，主要是在体育馆的建造这一块。随着奥运会和全运会等运动会的开展，国家加大了对体育馆的建设投入，尤其是在北京奥运会之后，鸟巢、国家水立方等体育设施场所的建设都运用了大跨度钢结构技术。随着经济的发展和建筑施工技术的成熟，大跨度空间钢结构的运用会越来越广泛。
2、特点
2.1大量运用钢材，钢材等级要求高
技术的进步和建筑的发展使得建筑施工对钢材的要求越来越高，钢结构的跨度越来越大。大跨度钢结构建筑在施工中会增加对钢材的厚度要求，从而增强钢材的强度。现在，新型的钢材越来越多，其强度的增大可以提高建筑的质量。
2.2结构形式多样化
大跨度钢结构建筑形式多种多样，涌现了很多奇形怪状的建筑。大多数符合自然的生态绿色的理念，如“鸟巢”的设计就是根据自然中鸟巢的形状采用复杂的钢结构技术建造的。
2.3现代预应力技术的运用
在大跨度钢结构建筑施工中，运用现代预应力，可以提高钢材的强度，增加建筑的安全性。现代预应力是一种新型的应用技术，在建筑中运用可以增强建筑的坚固性，延长建筑的使用年限。
2.4施工技术难度大
大跨度钢结构建筑需要很多的节点支撑，为了满足建筑的结构形式和坚固性，各种各样的节点需要焊接，是一个大工程。大型的建筑工程，往往有上万个构建，而且构建的大小、尺寸各不相同，加大了施工难度。而国家的重点工程建设对工程的质量有严格的要求，施工的精準度要求高。
二、大跨度钢结构施工结构原理
大跨度的结构由于跨径较大，不可能进行整体性的施工，所以大跨度的施工既是一个阶段性的过程也是一个连续性的过程，“阶段性”是指大跨度结构的施工要进行分段施工，而“连续性”是指大跨度结构的每个阶段要连续进行施工。大跨度结构在每个阶段的施工中各个部分的受力都是不一样的，所以每个阶段的施工都会对上个阶段和下个阶段的受力造成一定的影响，同时变形也会发生一定的变化。因此，在施工的各个阶段都要对结构进行跟踪调查、计算和记录。其一，拉格朗日列式。大跨度钢结构就是通过钢结构的连接来承担跨径较大的任务，与此同时，由于跨度较大，钢结构在连接前后肯定会发生微弱的变形，而这些变形不仅会影响到钢结构的连接，而且会影响到整体结构的受力情况。因此，对大跨度钢结构这个变形过程进行力学分析是相当重要的，而拉格朗日列式在这个力学分析中有着自己独特的优势，那就是拉格郎日列式往往被用作物体运动状态的描述，而这种描述就是物体运动过程中质点位置的描述，大跨度钢结构构件变形前后的质点也就是拉格朗日列式描述的物质点，由此也可以确定出物质运动过程中的坐标。其二，ANSYS。该种方法也有着自身独特的优势，那就是对于大型构件的预应力动态施加的处理较为容易，这弥补了其他施工研究方法的不足。
三、大跨度钢结构施工过程的结构分析方法研究
1、力学分析方法
图1是一个简单的新增单元和节点示意图，在该图中我们可以清晰的发现整个施工过程中构件的位形变化，图中实线表示设计中构件安装前的位置，虚线表示安装过程中变形后位置。虚线表示已有构件，点划线表示新增构件。在计算的过程中，不同的安装方式可以采用不同方法来确定相应节点的位移和长度，主要遵循的原则如下。如图(a)中，黑色虚线为构件I－K在安装后留下的位置，同时又在K节点的后边安装一个O节点，而O节点的构件长度与构件I－K的变形程度和构件K－L的长度有关，所以可以通过这三者的关系进行确定。而图(b)并没有发现新增构件，其构件长度至于已经安装构件的长度有关，也就是可以通过变形后J与K节点长度来确定构件长度。因此，新增构件与已经安装的构件之间存在着长度和位置间的关系，运用该方法同时结合计算机有限元的计算软件，可以有效的计算出新增构件的长度和位形，这对于大跨度钢结构的施工力学的研究有着极其重要的作用，使其结构分析方法简化有效。
图（1）新增单元和节点示意图
2、算法
对于大跨度钢结构施工过程的结构分析方法的研究，本文在这里以两端固定梁为例进行分析。两端固定梁的跨度为24m，该梁采用的是H型钢，其尺寸为600×180×8×8，由于梁有较大的自重，其受力也受到自重的影响，均布荷载按照40kN/m进行计算。为了便于梁的计算，将梁平均分配为9个阶段，由于两端固定，从最外端两个固定阶段开始向内无支撑安装计算，因此将9个阶段分为5个步骤进行施工，两边对称相对施工，最后在跨中段进行合拢。本文对该钢结构的施工进行模拟计算，具体的施工过程中各节点在受力作用下的变化如下图所示：
图（2）该施工方法各施工步位形
由图中的位形变化可知，随着两端安装构件不断地向中间推移，纵坐标的数值不断的变大，由此可见施工过程中跨中段的位形相对较大。另一方面，由图中可以看出位形曲线不断的下移，同一个阶段的位形逐步的增大，说明正在施工的阶段对已经施工的阶段具有一定的影响。当构件考虑施工变形而采取预起拱时，本文计算的反拱高度也将较小;按照该方法进行施工，在设计安装阶段都是按照水平直线进行的，以便于结构更容易安装和制造。虽然钢结构的刚度较大，在安装阶段由于受到自身重力的影响而发生微弱的变形，甚至荷载的P－Δ效应可以忽略不计，但是与整体性一次施工相比，其内部受力还是有着较大的差别的，因此施工阶段还需要考虑施工的路径非线性效应。
四、大跨度钢结构施工中应注意的几点
1、设计与制造技术的应用
随着科学技术在各个领域的应用，建筑工程设计通常也采用计算机制图工具，提高设计的科学性和精准度。如CAD技术，CAM技术及TEKLA技术在钢结构施工建设中起辅助作用，它的运用为建筑提供三维空间和立体感，实现了图文之间的转换，减少设计的误差，提高工作效率。
2、安装施工仿真技术
在建筑施工中，通常忽视施工中的安全隐患，而只关注建筑的使用性安全。但是，有些工程在建筑过程中就能体现它的最大承载负荷，尤其是大型的工程建筑，大跨度空间钢结构建筑就是其中一种。因此，应该足够重视施工过程中的安全问题，关注施工的质量，重视施工工人的安全。仿真模拟技术的运用是大跨度空间钢结构建筑工程的一项重要的措施，在施工过程中，关注施工设备的运行情况，检查跨度和节点的准确度，对于结构安装和卸载等过程进行仿真模拟，确保对整个施工过程的控制。
3、选用合理的安装方法
大跨度钢结构技术复杂，选用合适的施工技术和方法有利于建筑施工的安全。钢结构的施工建筑需要进行技术革新，选择满足经济、安全的要求。在钢结构建筑发展迅速的时代，工程师不断地创造了各种高技术含量的施工技术，如整体滑移技术、高空分榀组装等技术。根据施工的具体需要，选择符合要求的工程技术，从而使工程安装得到最大优化。
目前国内常用的大跨度钢结构安装施工技术有高空散装、整体吊装及整体提升等，选择一种合适的钢桁架安装施工方案无疑会对今后的施工带来巨大的影响。散装法需要在2座塔楼之间由地面到74ｍ高空搭设满堂钢管脚手架，脚手架使用量大，搭设和拆除所用工期长，高空作业多，而且如此的高落差极易造成脚手架在施工过程中侧移以及失稳，对工程进度及成本控制都会带来不利影响；整体吊装法需要使用多台履带式起重机或塔式起重机来完成吊装，多机抬吊的同步控制问题也非常关键，如果提升速度不一致就会引起升差，从而导致起重设备及结构自身受力不均匀，而且现场起重量有限，塔吊不能满足大跨度主梁的吊装要求。整体提升法大量的工作都可以在地面完成，可形成多点、多面流水作业，加快拼装进度，加强工程安装精度控制，减少工装脚手架用量，计算机控制同步提升，自动化程度高，可缩短施工周期，降低施工费用。
结束语：
大跨度环形空间索结构作为新兴的结构，其独特的结构形式也决定了它施工所具有的较大难度。因此在结构实际施工前，必须对结构的成形过程进行仿真模拟，充分了解结构施工中会遇到的困难及成形过程中结构的特点，才能确保结构及时且高质量地完成。
参考文献：
[1]潘炜.大跨度钢结构施工力学分析及应用研究[D].华南理工大学,2011(16):126-130.．
[2]江鹤.复杂刚性钢结构施工过程力学模拟及计算方法研究[D].西安建筑科技大学,2011(15):127-129.
[3]王飞驰.大跨度钢结构施工过程的结构分析方法研究[J].中国建筑金属结构,2013(15):242-248.
关键词：大跨度钢结构；施工；结构分析；方法研究
中图分类号：TU74文献标识码： A
引言
近年来，建筑行业呈快速上升的态势，大跨度空间钢结构符合了建筑施工的更高要求，得到迅猛发展。大跨度钢结构则与之不同，大跨度的钢结构在施工的过程中由于受力较大，构件会在施工的过程中发生部分变形，虽然这些变形在施工之前就是可以预见的，但是如果不对施工过程加以控制，那么在施工完成后的钢结构可能与设计并不是完全的相符，这也是引起结构不稳定因素之一。因此对大跨度钢结构施工过程的结构分析方法的研究时相当有必要的。
一、大跨度钢结构的发展现状及施工特点
1、现状
钢材作为建筑材料的一种，具有匀质、高强的特点，而且有良好的塑性、韧性和可焊性等优点，在建筑行业里扮演着重要的角色。大跨度空间钢结构的运用符合建筑坚固美观的要求，在未来的建筑行业中仍然有很大的发展空间。但是我国的大跨度钢结构技术基础还比较薄弱，近年来发展较快，主要是在体育馆的建造这一块。随着奥运会和全运会等运动会的开展，国家加大了对体育馆的建设投入，尤其是在北京奥运会之后，鸟巢、国家水立方等体育设施场所的建设都运用了大跨度钢结构技术。随着经济的发展和建筑施工技术的成熟，大跨度空间钢结构的运用会越来越广泛。
2、特点
2.1大量运用钢材，钢材等级要求高
技术的进步和建筑的发展使得建筑施工对钢材的要求越来越高，钢结构的跨度越来越大。大跨度钢结构建筑在施工中会增加对钢材的厚度要求，从而增强钢材的强度。现在，新型的钢材越来越多，其强度的增大可以提高建筑的质量。
2.2结构形式多样化
大跨度钢结构建筑形式多种多样，涌现了很多奇形怪状的建筑。大多数符合自然的生态绿色的理念，如“鸟巢”的设计就是根据自然中鸟巢的形状采用复杂的钢结构技术建造的。
2.3现代预应力技术的运用
在大跨度钢结构建筑施工中，运用现代预应力，可以提高钢材的强度，增加建筑的安全性。现代预应力是一种新型的应用技术，在建筑中运用可以增强建筑的坚固性，延长建筑的使用年限。
2.4施工技术难度大
大跨度钢结构建筑需要很多的节点支撑，为了满足建筑的结构形式和坚固性，各种各样的节点需要焊接，是一个大工程。大型的建筑工程，往往有上万个构建，而且构建的大小、尺寸各不相同，加大了施工难度。而国家的重点工程建设对工程的质量有严格的要求，施工的精準度要求高。
二、大跨度钢结构施工结构原理
大跨度的结构由于跨径较大，不可能进行整体性的施工，所以大跨度的施工既是一个阶段性的过程也是一个连续性的过程，“阶段性”是指大跨度结构的施工要进行分段施工，而“连续性”是指大跨度结构的每个阶段要连续进行施工。大跨度结构在每个阶段的施工中各个部分的受力都是不一样的，所以每个阶段的施工都会对上个阶段和下个阶段的受力造成一定的影响，同时变形也会发生一定的变化。因此，在施工的各个阶段都要对结构进行跟踪调查、计算和记录。其一，拉格朗日列式。大跨度钢结构就是通过钢结构的连接来承担跨径较大的任务，与此同时，由于跨度较大，钢结构在连接前后肯定会发生微弱的变形，而这些变形不仅会影响到钢结构的连接，而且会影响到整体结构的受力情况。因此，对大跨度钢结构这个变形过程进行力学分析是相当重要的，而拉格朗日列式在这个力学分析中有着自己独特的优势，那就是拉格郎日列式往往被用作物体运动状态的描述，而这种描述就是物体运动过程中质点位置的描述，大跨度钢结构构件变形前后的质点也就是拉格朗日列式描述的物质点，由此也可以确定出物质运动过程中的坐标。其二，ANSYS。该种方法也有着自身独特的优势，那就是对于大型构件的预应力动态施加的处理较为容易，这弥补了其他施工研究方法的不足。
三、大跨度钢结构施工过程的结构分析方法研究
1、力学分析方法
图1是一个简单的新增单元和节点示意图，在该图中我们可以清晰的发现整个施工过程中构件的位形变化，图中实线表示设计中构件安装前的位置，虚线表示安装过程中变形后位置。虚线表示已有构件，点划线表示新增构件。在计算的过程中，不同的安装方式可以采用不同方法来确定相应节点的位移和长度，主要遵循的原则如下。如图(a)中，黑色虚线为构件I－K在安装后留下的位置，同时又在K节点的后边安装一个O节点，而O节点的构件长度与构件I－K的变形程度和构件K－L的长度有关，所以可以通过这三者的关系进行确定。而图(b)并没有发现新增构件，其构件长度至于已经安装构件的长度有关，也就是可以通过变形后J与K节点长度来确定构件长度。因此，新增构件与已经安装的构件之间存在着长度和位置间的关系，运用该方法同时结合计算机有限元的计算软件，可以有效的计算出新增构件的长度和位形，这对于大跨度钢结构的施工力学的研究有着极其重要的作用，使其结构分析方法简化有效。
图（1）新增单元和节点示意图
2、算法
对于大跨度钢结构施工过程的结构分析方法的研究，本文在这里以两端固定梁为例进行分析。两端固定梁的跨度为24m，该梁采用的是H型钢，其尺寸为600×180×8×8，由于梁有较大的自重，其受力也受到自重的影响，均布荷载按照40kN/m进行计算。为了便于梁的计算，将梁平均分配为9个阶段，由于两端固定，从最外端两个固定阶段开始向内无支撑安装计算，因此将9个阶段分为5个步骤进行施工，两边对称相对施工，最后在跨中段进行合拢。本文对该钢结构的施工进行模拟计算，具体的施工过程中各节点在受力作用下的变化如下图所示：
图（2）该施工方法各施工步位形
由图中的位形变化可知，随着两端安装构件不断地向中间推移，纵坐标的数值不断的变大，由此可见施工过程中跨中段的位形相对较大。另一方面，由图中可以看出位形曲线不断的下移，同一个阶段的位形逐步的增大，说明正在施工的阶段对已经施工的阶段具有一定的影响。当构件考虑施工变形而采取预起拱时，本文计算的反拱高度也将较小;按照该方法进行施工，在设计安装阶段都是按照水平直线进行的，以便于结构更容易安装和制造。虽然钢结构的刚度较大，在安装阶段由于受到自身重力的影响而发生微弱的变形，甚至荷载的P－Δ效应可以忽略不计，但是与整体性一次施工相比，其内部受力还是有着较大的差别的，因此施工阶段还需要考虑施工的路径非线性效应。
四、大跨度钢结构施工中应注意的几点
1、设计与制造技术的应用
随着科学技术在各个领域的应用，建筑工程设计通常也采用计算机制图工具，提高设计的科学性和精准度。如CAD技术，CAM技术及TEKLA技术在钢结构施工建设中起辅助作用，它的运用为建筑提供三维空间和立体感，实现了图文之间的转换，减少设计的误差，提高工作效率。
2、安装施工仿真技术
在建筑施工中，通常忽视施工中的安全隐患，而只关注建筑的使用性安全。但是，有些工程在建筑过程中就能体现它的最大承载负荷，尤其是大型的工程建筑，大跨度空间钢结构建筑就是其中一种。因此，应该足够重视施工过程中的安全问题，关注施工的质量，重视施工工人的安全。仿真模拟技术的运用是大跨度空间钢结构建筑工程的一项重要的措施，在施工过程中，关注施工设备的运行情况，检查跨度和节点的准确度，对于结构安装和卸载等过程进行仿真模拟，确保对整个施工过程的控制。
3、选用合理的安装方法
大跨度钢结构技术复杂，选用合适的施工技术和方法有利于建筑施工的安全。钢结构的施工建筑需要进行技术革新，选择满足经济、安全的要求。在钢结构建筑发展迅速的时代，工程师不断地创造了各种高技术含量的施工技术，如整体滑移技术、高空分榀组装等技术。根据施工的具体需要，选择符合要求的工程技术，从而使工程安装得到最大优化。
目前国内常用的大跨度钢结构安装施工技术有高空散装、整体吊装及整体提升等，选择一种合适的钢桁架安装施工方案无疑会对今后的施工带来巨大的影响。散装法需要在2座塔楼之间由地面到74ｍ高空搭设满堂钢管脚手架，脚手架使用量大，搭设和拆除所用工期长，高空作业多，而且如此的高落差极易造成脚手架在施工过程中侧移以及失稳，对工程进度及成本控制都会带来不利影响；整体吊装法需要使用多台履带式起重机或塔式起重机来完成吊装，多机抬吊的同步控制问题也非常关键，如果提升速度不一致就会引起升差，从而导致起重设备及结构自身受力不均匀，而且现场起重量有限，塔吊不能满足大跨度主梁的吊装要求。整体提升法大量的工作都可以在地面完成，可形成多点、多面流水作业，加快拼装进度，加强工程安装精度控制，减少工装脚手架用量，计算机控制同步提升，自动化程度高，可缩短施工周期，降低施工费用。
结束语：
大跨度环形空间索结构作为新兴的结构，其独特的结构形式也决定了它施工所具有的较大难度。因此在结构实际施工前，必须对结构的成形过程进行仿真模拟，充分了解结构施工中会遇到的困难及成形过程中结构的特点，才能确保结构及时且高质量地完成。
参考文献：
[1]潘炜.大跨度钢结构施工力学分析及应用研究[D].华南理工大学,2011(16):126-130.．
[2]江鹤.复杂刚性钢结构施工过程力学模拟及计算方法研究[D].西安建筑科技大学,2011(15):127-129.
[3]王飞驰.大跨度钢结构施工过程的结构分析方法研究[J].中国建筑金属结构,2013(15):242-248.