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【摘 要】 大跨度屋面钢结构箱梁在自身重量和上部结构荷载的作用下，存在着比较大的挠度，在现实中应通过提前设置箱梁的预拱度使屋盖达到结构要求，预拱度在计算和在施工时中必须予以考虑。
【关键词】 预拱度；大跨度；钢箱梁屋盖
1.引言
在桥梁工程领域，为满足使用功能和承载功能的要求，大跨度钢箱梁应用比较广泛，而在大跨度建筑工程领域，钢箱梁的应用较少，更多的是采用网架结构、立体桁架等空间结构。目前，国内对箱型桥梁施工技术研究较多，而对建筑工程“高窄”形钢箱梁整个制作及安装过程的详细施工研究较少，对箱梁屋盖的预拱度研究的更少。工程山东海阳核电综合办公楼报告大厅钢结构屋盖建筑面积约1100平方米，建筑制高点16.8米，椭圆形屋盖长边为38.6米，短边为30.6米，项目钢梁总重大约347吨。钢结构屋盖采用钢结构箱型梁为主梁，设计跨度较大，超长超重钢构件制作，预拱度的设置非常重要，同时也给施工带来了严峻的挑战，现结合具体工程实例，就该项目在施工中箱梁屋盖的预拱度与读者共同探讨；
2.大跨度屋面钢结构箱梁预拱度的计算
2.1预拱特点以及重要性：在大跨度屋盖结构中，梁式体系一般采用简支形式，它的优点是对支座没有横向推力，可支承于不能承受推力的墙上、砖柱上或钢筋混凝土柱上。但对于相同几何、材料参数的结构而言，在相同荷载的作用下，采用简支支承形式时的结构下挠量比采用其他支承形式时大，如图1所示。特别是对于大跨度结构，如果按设计图直接进行制作、安装，则最后成型的结构会因下挠量过大而得不到预想的几何位形，更重要的是，得不到正常使用极限状态的设计原则所要求的结构刚度。因此，须事先通过结构计算，确定出结构的预拱值，即放样状态，然后各构件按放样状态的尺寸进行加工制作，现场也按放样状态的线形进行安装，最后使结构在卸除支撑后能恢复到设计状态，即结构初始态。
2.2预拱值设计过程
大跨度结构预拱设计时，由于结构在荷载作用下的变形与其变形前的结构形状相比不能认为是小量，这个特性直接导致结构的位移与构件应变间属于非线性关系，因此其结构分析的基本方程式应是一个非线性方程，需要采用迭代法进行精确求解。具体有以下两种方法：
1）反向加载法：将力（一般指结构自重以及上部结构衡载）的加载方向反向施加于待算结构上，从而求出结构反拱变形值，是较简单的一种预拱设计方法。但是，如果结构除了存在几何非线性外，还存在状态非线性，即在反向荷载的作用下，结构体系与受力性能与正向加载时的情况不一样时，用此种算法可能不收敛，因此不宜采用。
2）反向累加变形法：将原结构在竖向自重作用下的变形值，反向累加到原结构上，即为结构的初始预拱值（近似解），然后通过迭代计算消除几何非线性的影响，得到精确预拱值，最后通过曲线拟合，保证结构线形的平滑过渡，拟合后的曲线线形便可作为加工制作的依据。
本项目分析采用反向累加变形法，具体迭代过程如图2所示，图中的水平轴为设计要求的初始状态，竖轴为结构在荷载作用下的挠度。状态（1）为结构在自重作用下的最终状态，即设计要求的初始状态。预拱值設计的目的是求得放样状态（7），使之在自重下的结构几何状态（8）与初始状态（1）在误差允许的范围内。
在进行结构预拱设计时，常在结构上定出一些关键点，这些关键点能形象描述结构的变形情况，也是确定预拱结构曲线的依据，因此可称之为“预拱点”。预拱点取得越多，预拱值设计的精度越高，但取点过多势必会增加计算量，也无此必要，因此应根据具体结构特点适当取用，一般选择构件的中心线交点、转弯点、端点、中点、等分点、可能最大值点等作为预拱点，另外，在变形量较大的区域（如结构中部），预拱点应取密集一点，以免数据跳跃过大而扩大计算误差。预拱点以坐标的形式进行表示，有利于后期的数据处理，因此应在计算前明确计算坐标。
本项目首先采用ANSYS有限元计算结构软件分析变形量，同时与迭代法相结合的方法求得各预拱点的预拱坐标，并采用精确度较高的四次多项式进行曲线拟合，通过数据拟合，得出预拱趋势如图3所示。
结论：通过结果对比，节点预拱拟合值与有限元计算值基本一致，在控制范围内，公式精度达到工程应用要求。
3.大跨度屋面钢结构箱梁预拱度的实现
3.1单根箱型梁拱度的实现
箱梁的预拱度计算出来之后，应开始按照预拱度对钢材进行放样并重新组装箱梁，因组成箱形梁的板件较多，组装过程应采用合理的方法，遵循合理的顺序，避免强制性组合。箱梁在厂内组装采用“卧拼法”，具体加工制作采用方法和顺序如下：组装过程应在矫平的拼装平台上进行，先在底板划线定位，下翼缘板就位控制要点是平整度和预拱度，为保证平整度，在垂直于下翼缘下部每间隔2米铺设长度3米的40c工字钢，局部不平整用钢板垫平。同时根据计算得出箱梁预拱度的数据，在铺设的工字钢上部通过加垫角钢、钢板以调整下翼缘板预拱度达到要求。下翼缘板就位后按位置拼装中间隔板，为防止移动和倾斜，应将两端、中间隔板以及面板用型钢条临时点固，然后以各隔板的上平面和两侧面为基准，同时拼装箱形梁左右两侧的腹板，通过工厂行车将腹板吊装到设计位置与下翼缘板临时点焊，腹板之间以及腹板与下翼缘板根部用钢管斜支撑，确保腹板间距满足构件设计尺寸，腹板就位同时焊接加强肋板，腹板间距有偏差时，可以用手摇千斤顶调整直至满足设计要求，腹板尺寸调整完毕后开始坡口焊接，焊接过程中一定要对称焊接，减少钢梁焊接的变形。腹板安装完毕后接着安装腹板刚节点，为保证刚节点定位，在刚节点下部用工字钢制作临时马腿固定刚节点，这样方便焊工操作，施工简易快捷，最后进行上翼缘板安装，上翼缘板安装时候，分段拼接而不整体焊接安装，这样可以减少上翼缘板焊接对整个构件的变形影响，焊接过程中同样注意要对称焊接，尽量减小焊接对钢梁产生的变形。通过铺设钢板垫铁以及控制焊接过程中的变形来控制单根箱梁的预拱度，达到前期预拱度计算的要求。
3.2组合屋面钢结构箱梁屋盖预拱度的实现
单根箱梁加工完成后，开始组合形成钢结构箱梁屋盖，箱梁屋盖采用“工厂内分段加工，现场胎架组装，整体吊装”的组装方案，即箱梁在厂内采用“卧拼法”加工制作运至现场，在施工现场采用地面胎架“立拼拼装法”组装，然后“整体吊装”至框架柱顶，最后进行支点“开口”焊接。用现场胎架组装法进行大跨度箱型梁屋盖施工时，胎架只是临时支撑，结构安装完成后应进行胎架支撑力释放，以拆除胎架。支撑力释放后，结构应力和变形势必增大，因此也要结构分析，探讨胎架支撑状态和无胎架支撑状态的结构应力及变形情况，设计出合适的预拱度钢屋盖，确保胎架撤除后屋盖达到原设计的预拱状态。通过仿真模拟计算胎架状态及安装就位后两种工况下结构应力及变形状况，控制加工及拼装过程中几何非线性影响，在现场严格监测下，保证钢梁安装就位。在此情况下同样利用ANSYS有限元计算结构软件分析变形量，通过胎架来调整在胎架支撑状态下钢梁的变形量，达到预先施加一个预应力给箱梁，当胎架撤除后，正好和胎架带来的支撑力抵消，使屋盖达到要求的预拱度。每根箱梁通过胎架调整好变形量后，开始将胎架上的箱梁组装在一块并焊接或用高强螺栓连接在一块，当屋盖组装完成后将胎架拆除，通过复测屋盖的预拱度与分析的预拱度一致，顺利实现了对屋盖预拱度的控制。
4.总结
通过对空间大跨度钢箱梁屋面预拱度的计算以及施工过程中的预拱度的控制研究，掌握了计算的方法以及施工过程中的重点控制项目，为以后类似施工提供了坚实的实测数据和丰富的施工经验。
参考文献：
[1]建筑施工手册（第四版）.北京：中国建筑工业出版.2003
[2]建筑工程管理与实务（3版）.北京：中国建筑工业出版.2011
作者简介：陈文（1982—），男，江西吉安，中铁十局集团建筑工程有限公司
【关键词】 预拱度；大跨度；钢箱梁屋盖
1.引言
在桥梁工程领域，为满足使用功能和承载功能的要求，大跨度钢箱梁应用比较广泛，而在大跨度建筑工程领域，钢箱梁的应用较少，更多的是采用网架结构、立体桁架等空间结构。目前，国内对箱型桥梁施工技术研究较多，而对建筑工程“高窄”形钢箱梁整个制作及安装过程的详细施工研究较少，对箱梁屋盖的预拱度研究的更少。工程山东海阳核电综合办公楼报告大厅钢结构屋盖建筑面积约1100平方米，建筑制高点16.8米，椭圆形屋盖长边为38.6米，短边为30.6米，项目钢梁总重大约347吨。钢结构屋盖采用钢结构箱型梁为主梁，设计跨度较大，超长超重钢构件制作，预拱度的设置非常重要，同时也给施工带来了严峻的挑战，现结合具体工程实例，就该项目在施工中箱梁屋盖的预拱度与读者共同探讨；
2.大跨度屋面钢结构箱梁预拱度的计算
2.1预拱特点以及重要性：在大跨度屋盖结构中，梁式体系一般采用简支形式，它的优点是对支座没有横向推力，可支承于不能承受推力的墙上、砖柱上或钢筋混凝土柱上。但对于相同几何、材料参数的结构而言，在相同荷载的作用下，采用简支支承形式时的结构下挠量比采用其他支承形式时大，如图1所示。特别是对于大跨度结构，如果按设计图直接进行制作、安装，则最后成型的结构会因下挠量过大而得不到预想的几何位形，更重要的是，得不到正常使用极限状态的设计原则所要求的结构刚度。因此，须事先通过结构计算，确定出结构的预拱值，即放样状态，然后各构件按放样状态的尺寸进行加工制作，现场也按放样状态的线形进行安装，最后使结构在卸除支撑后能恢复到设计状态，即结构初始态。
2.2预拱值设计过程
大跨度结构预拱设计时，由于结构在荷载作用下的变形与其变形前的结构形状相比不能认为是小量，这个特性直接导致结构的位移与构件应变间属于非线性关系，因此其结构分析的基本方程式应是一个非线性方程，需要采用迭代法进行精确求解。具体有以下两种方法：
1）反向加载法：将力（一般指结构自重以及上部结构衡载）的加载方向反向施加于待算结构上，从而求出结构反拱变形值，是较简单的一种预拱设计方法。但是，如果结构除了存在几何非线性外，还存在状态非线性，即在反向荷载的作用下，结构体系与受力性能与正向加载时的情况不一样时，用此种算法可能不收敛，因此不宜采用。
2）反向累加变形法：将原结构在竖向自重作用下的变形值，反向累加到原结构上，即为结构的初始预拱值（近似解），然后通过迭代计算消除几何非线性的影响，得到精确预拱值，最后通过曲线拟合，保证结构线形的平滑过渡，拟合后的曲线线形便可作为加工制作的依据。
本项目分析采用反向累加变形法，具体迭代过程如图2所示，图中的水平轴为设计要求的初始状态，竖轴为结构在荷载作用下的挠度。状态（1）为结构在自重作用下的最终状态，即设计要求的初始状态。预拱值設计的目的是求得放样状态（7），使之在自重下的结构几何状态（8）与初始状态（1）在误差允许的范围内。
在进行结构预拱设计时，常在结构上定出一些关键点，这些关键点能形象描述结构的变形情况，也是确定预拱结构曲线的依据，因此可称之为“预拱点”。预拱点取得越多，预拱值设计的精度越高，但取点过多势必会增加计算量，也无此必要，因此应根据具体结构特点适当取用，一般选择构件的中心线交点、转弯点、端点、中点、等分点、可能最大值点等作为预拱点，另外，在变形量较大的区域（如结构中部），预拱点应取密集一点，以免数据跳跃过大而扩大计算误差。预拱点以坐标的形式进行表示，有利于后期的数据处理，因此应在计算前明确计算坐标。
本项目首先采用ANSYS有限元计算结构软件分析变形量，同时与迭代法相结合的方法求得各预拱点的预拱坐标，并采用精确度较高的四次多项式进行曲线拟合，通过数据拟合，得出预拱趋势如图3所示。
结论：通过结果对比，节点预拱拟合值与有限元计算值基本一致，在控制范围内，公式精度达到工程应用要求。
3.大跨度屋面钢结构箱梁预拱度的实现
3.1单根箱型梁拱度的实现
箱梁的预拱度计算出来之后，应开始按照预拱度对钢材进行放样并重新组装箱梁，因组成箱形梁的板件较多，组装过程应采用合理的方法，遵循合理的顺序，避免强制性组合。箱梁在厂内组装采用“卧拼法”，具体加工制作采用方法和顺序如下：组装过程应在矫平的拼装平台上进行，先在底板划线定位，下翼缘板就位控制要点是平整度和预拱度，为保证平整度，在垂直于下翼缘下部每间隔2米铺设长度3米的40c工字钢，局部不平整用钢板垫平。同时根据计算得出箱梁预拱度的数据，在铺设的工字钢上部通过加垫角钢、钢板以调整下翼缘板预拱度达到要求。下翼缘板就位后按位置拼装中间隔板，为防止移动和倾斜，应将两端、中间隔板以及面板用型钢条临时点固，然后以各隔板的上平面和两侧面为基准，同时拼装箱形梁左右两侧的腹板，通过工厂行车将腹板吊装到设计位置与下翼缘板临时点焊，腹板之间以及腹板与下翼缘板根部用钢管斜支撑，确保腹板间距满足构件设计尺寸，腹板就位同时焊接加强肋板，腹板间距有偏差时，可以用手摇千斤顶调整直至满足设计要求，腹板尺寸调整完毕后开始坡口焊接，焊接过程中一定要对称焊接，减少钢梁焊接的变形。腹板安装完毕后接着安装腹板刚节点，为保证刚节点定位，在刚节点下部用工字钢制作临时马腿固定刚节点，这样方便焊工操作，施工简易快捷，最后进行上翼缘板安装，上翼缘板安装时候，分段拼接而不整体焊接安装，这样可以减少上翼缘板焊接对整个构件的变形影响，焊接过程中同样注意要对称焊接，尽量减小焊接对钢梁产生的变形。通过铺设钢板垫铁以及控制焊接过程中的变形来控制单根箱梁的预拱度，达到前期预拱度计算的要求。
3.2组合屋面钢结构箱梁屋盖预拱度的实现
单根箱梁加工完成后，开始组合形成钢结构箱梁屋盖，箱梁屋盖采用“工厂内分段加工，现场胎架组装，整体吊装”的组装方案，即箱梁在厂内采用“卧拼法”加工制作运至现场，在施工现场采用地面胎架“立拼拼装法”组装，然后“整体吊装”至框架柱顶，最后进行支点“开口”焊接。用现场胎架组装法进行大跨度箱型梁屋盖施工时，胎架只是临时支撑，结构安装完成后应进行胎架支撑力释放，以拆除胎架。支撑力释放后，结构应力和变形势必增大，因此也要结构分析，探讨胎架支撑状态和无胎架支撑状态的结构应力及变形情况，设计出合适的预拱度钢屋盖，确保胎架撤除后屋盖达到原设计的预拱状态。通过仿真模拟计算胎架状态及安装就位后两种工况下结构应力及变形状况，控制加工及拼装过程中几何非线性影响，在现场严格监测下，保证钢梁安装就位。在此情况下同样利用ANSYS有限元计算结构软件分析变形量，通过胎架来调整在胎架支撑状态下钢梁的变形量，达到预先施加一个预应力给箱梁，当胎架撤除后，正好和胎架带来的支撑力抵消，使屋盖达到要求的预拱度。每根箱梁通过胎架调整好变形量后，开始将胎架上的箱梁组装在一块并焊接或用高强螺栓连接在一块，当屋盖组装完成后将胎架拆除，通过复测屋盖的预拱度与分析的预拱度一致，顺利实现了对屋盖预拱度的控制。
4.总结
通过对空间大跨度钢箱梁屋面预拱度的计算以及施工过程中的预拱度的控制研究，掌握了计算的方法以及施工过程中的重点控制项目，为以后类似施工提供了坚实的实测数据和丰富的施工经验。
参考文献：
[1]建筑施工手册（第四版）.北京：中国建筑工业出版.2003
[2]建筑工程管理与实务（3版）.北京：中国建筑工业出版.2011
作者简介：陈文（1982—），男，江西吉安，中铁十局集团建筑工程有限公司