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我国钢结构工程技术发展与展望

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建 筑 技 术 第49卷第6期2018年6月 Vbl_49 NO.6 Jun.201 8 Architecture Technology 我国钢结构工程技术发展与展望 周鹏熙, 戴立先, 陈振明, 王 聪 (中建钢构有限公司,518054,广东深圳) 摘要:我国钢结构工程近年在建筑高度、规模、跨度、悬挑长度和钢材强度、焊接板厚度、最大提升 量等方面有了巨大进步,今后应在结构体系创新、标准化规范改革等方面取得新的突破。 关键词:钢结构工程;高性能钢;钢结构制造;钢结构安装 中图分类号:TU 391 文献标志码:A 文章编号:1000—4726(2018)06—0596—05 DEVELOPMENT AND OUTLOOK OF STEEL STRUCTURE ENGINEERING TECHNIQUE IN CHINA ZHOU Peng-xi。DAI ki—xian,CHEN Zhen-ming,WANG Cong (China Construction Steel Structure Corp.Ltd.,5 1 8054,Shenzhen,Guangdong,China) Abstract:In recent years,domestic steel structure construction has seen huge improvement on the aspects of building height,scale,span,cantilever length,steel thickness,welding plate thickness and maximum lifting quantity.Future breakthrough will be expected on structure system innovation and standard reformation. Keywords:steel structure engineering;high—performance steel;steel structure manufacture;steel structure insta】lation 1主要技术内容 1.1高性能钢应用技术 1.2钢结构制造技术 1.2.1深化设计 高性能钢是指具有某一种或多种特殊力学}生能的 钢材。我国高性能钢可以分为高性能建筑结构用钢、 结构强度。而深化设计,主要从施工角度出发,对原 耐候钢、耐火钢等。近些年,大批形式复杂的钢结构 始设计图纸作出细化调整。 工程逐步兴建,这对钢材性能提出了更高、更新的要 求,促使结构用钢不断完善洼能、研发新品种。 收稿日期:2018_J04_20 原始设计图纸是从满足建筑物功能要求出发进行 钢结构设计,主要考虑是满足建筑外观、使用功能、 1.2.2构件加工制造 钢构件加工一般包含如下工序:(I)钢板矫平; (2)放样、号料;(3)钢材切割;(4)边缘、端 部加工;(5)lil ̄l;(6)摩擦面加工;(7)组装; (8)焊接;(9)构件除锈、防腐。 作者简介:周鹏熙(1988一),男,安徽安庆人,工程师,高级经理, e—mail:zhoupengxi@cscec.com. 体育馆屋盖平面投影为椭圆形,投影面约 央塔架拼装内拉环,再在高空依次分批安装脊索、撑 6400m ,柱顶不等高,平均标高22.950m。屋盖结 杆、环索、斜索,最后张拉XS4使结构成型。 参考文献 [1】熊学玉,黄鼎业.预应力工程设计施工手册[M].北京:中国建筑 工业出版社,2003. [2]冯健,吕志涛,吴志彬,等.超长混凝土结构的研究与应用[J].建 筑结构学报,2001,22(6):14_19. [33】 党红卫.浅谈预应力技术在混凝土结构中的应用[J】.企业导报, 2012(14):l 17. [4】刘岩.预应力混凝土结构发展综述[J].混凝土与水泥制品, 2008(3):52-55. 合建筑造型采用索穹顶结构形式,长轴102m,短轴 82nl,内设3圈环索及中心拉力环,最外圈脊索及斜 索按照levy式布置,共设32根,与柱顶混凝土环梁 相连,内部脊索及斜索呈盖格式布置,每圈设16根, 拉索最小规格D60mm,最大规格D133 arin,索网和 内拉环、撑杆的总重量约353t。 该体育馆索穹顶结构是Geiger型和Levy的结合 体,内侧为Geiger型,最外圈为Levy型,最大跨度 达到102m,环梁为国内外罕见的高低不平的马鞍形。 索穹顶结构采用高空拼装法施工方案,先利用中 [55] 王永贵,魏永生.广州南站站房钢结构预应力索拱桁架施工[J】 .建筑机械化,201 1,32(1):66-68. [6]王泽强,程书华,尤德清,等.索穹顶结构施工技术研究[J】.建筑 结构学报,2012,33(4):67—76. 2018年6月 周鹏熙,等:我国钢结构工程技术发展与展望 ·597· 1.3钢结构工程施工技术 1.3.1起重设备和安装技术 涌现,使得弯扭构件大规模出现,弯扭构件的造型特 点为:构件的形心轴线为一条空间曲线。由于板件 起重设备通常包括塔式起重机、汽车式起重机、 弯扭、构件形状各异,导致构件定型定位困难且无 履带式起重机、桅杆式起重设备、倒链、卷扬机、液 法批量深化和加工,使得弯扭构件的深化设计和加工  压设备等。安装方法主要有:高空散装法、分条或分 制作上非常复杂。针对空间弯扭结构三维造型特点、块安装法、整体吊装法、整体顶升法、整体滑移法、 分单元累积滑移法、分条分块滑移法、折叠展开法等。 1.3.2测量校正技术 展开放样规律和加工工艺要求,国内许多公司在基 于Tekla Structures和Auto CAD等软件的基础上进行 钢结构施工常用测量仪器有经纬仪、水准仪、测 了二次开发,如基于Auto CAD的专业深化软件包一 CSDI,此软件已成功应用于北京新机场、昆明新机 距仪、全站仪、激光铅直仪。测量时应遵循“先整体 后局部”“由高等级向低等级精度扩展”的原则。 1.3.3焊接技术 常用的焊接技术有电弧焊,氩弧焊,CO:保护焊, 氧气一乙炔焊,激光焊接,电渣压力焊等。 1.4钢结构检测技术 钢结构检测对象包括原材料、焊材、焊接件、紧 固件、焊缝、螺栓球节点、涂料等以及钢结构工程规 定的试验检测内容。钢结构检测技术主要包括力学眭 能检测、金相检测分析、化学成分分析、无损检测、 应力测试和监控、涂料检测、盐雾试验等。 2钢结构技术发展与展望 2.1高性能钢应用技术 高性能钢由于其具有强度高、廷眭好、可焊性强 和耐候性强等优势,已逐渐在高层和大跨度建筑以及 公路桥梁中推广使用。 我国结构钢主要分为碳素结构钢和高强度低合金 钢。在国家标准GB,1r1591—2008《低合金高强度结构 钢》中规定了“Q345”“Q390”“Q420”“Q460” “Q5oo”“Q55O”“Q62o”“Q69o”8个强度等级, 新增加了Q50o,Q550,Q620,Q690四个强度等级,但 目前建筑业工程应用基本空白。近几年,国内的高 层钢结构建筑和大跨度空间结构的发展,对钢材的 强度等指标提出了更高要求,像国家体育场就使用 Q460E.Z35,国家游泳馆使用Q42OC,中央电视台新 址使用Q420D-Z25、Q460E.Z35高强钢。深圳会展中 心的钢架梁下弦杆采用了国产LG 460MPa高强钢n】。 郑州绿地中央广场南塔楼项目进行Q550GJ,Q690GJ高 性能结构钢的应用示范。高强度结构钢在工程中的应 用,证明我国巳具备生产高强度结构钢的技术能力, 但与发达国家相比,我国建筑高性能钢尚有一定差距。 2.2钢结构制造技术 2.2.1深化设计 近些年,造型优美、形态各异的大跨度建筑的 场等大型复杂工程中口】。 BIM技术理念成功应用于深化设计中,深化设 计软件STXT基于BIM思想进行开发,采用以三维 模型数据为核心,参数化建模及读取PKPM结构设 计模型来完成模型搭建,进行详图设计,通过三维模 型自动生成全套施工图纸及进行工程量统计。 2.2.2加工制造 现代钢结构制造发展趋势是依托信息化、自动化、 绿色化的制造装备和工艺来生产各类钢结构构件。 目前,国产数控加工装备产品系列已全面覆盖了 机械、电力、铁道、交通、建筑等领域的钢结构产品 的加工制造。通过智能设备的使用,如全自动等离子 火焰切割机、自动拼板机、链式分拣工作台、数控钻 锯铣床、程控行车、焊接机器人、走动导引运输车等, 实现钢结构全生产线智能化。 在钢结构智能制造方面,中建钢构有限公司将 在其华南制造基地二期的建设中探索引入工业机器 人、AGV无轨自动运输车、RFID识别、智能仓储物 流、MES系统(制造企业生产过程执行管理系统)、 ERP系统、工业大数据分析等“工业4.0”先进模块。 2.3钢结构施工技术 2.3.1超高层钢结构施工技术 (1)塔式起重机应用技术:随着超高层钢结构 建筑高度不断攀升,重型动臂式塔式起重机在超高层 施工领域的应用越来越广泛,附着方式也呈多样化趋 势,如核心筒内爬、核心筒外爬和集成于钢平台型、 回转塔基型。北京中国尊项目使M900D塔式起重机 集成于钢平台系统,实现了塔式起重机与顶升钢平台 同步顶升[4]。成都绿地中心项目通过设计一种可整体 自动顶升的回转式多吊机基座,回转平台可360 ̄回 转,并实现了4台吊机的同步提升。 (2)顶部封闭条件下钢结构吊装技术:目前超 高层核心筒施工越来越多采用顶模施工,这就导致核 心筒顶部与底部空间封闭,核心筒内钢梁等钢构件吊 装存在困难。为此,顶模下部核心筒钢构件的吊装放 ·598· 建筑技术 第49卷第6期 弃使用塔式起重机从上就位传统方法。在顶模下部设 实现全自动同步动作、负载均衡、姿态矫正、应力控制、 置自行爬升桁车吊系统,作为核心筒内钢构件安装提 操作闭锁、过程显示和故障报警等。滑移过程监测则 备。桁车吊系统可在核心筒内部水平移动原位提升构 是对关键杆件的应力和变形状态、整体结构的变形及 件,系统四边与核心筒墙体附着,通过附着件与轨道 滑移过程中的运动形态等进行监测,通过计算机及时 可沿墙体爬升。目前,该技术已在天津117大厦、中 进行数据分析与反馈,调整、修正施工路径,实现滑 国尊等项目中使用。 移过程的控制,保证滑移施工过程的安全可靠。该技 (3)焊接技术:随着建筑工程高度增加、规模 术已成功应用于武汉火车站、深圳宝安机场T3航站 增大,现场出现了大型、复杂、超长超厚钢构件,其 楼等工程。 焊接难度大。深圳平安金融中心项目八面体多棱角 (2)整体提升技术:大跨度结构整体提升技术 200 mm厚铸钢件截面复杂,材料特殊,焊接厚度大, 现场通过模拟试验创新施工工艺,实现了世界上首例 200mm超厚铸钢件现场焊接。广州东塔项目研发自 动埋弧横焊技术,开发出了超高空超厚板材原位现场 焊接自动化设备,该设备具有轻型化、一体化等特点。 机器人自动焊技术在现场的应用能有效提高 焊接效率,减轻工人劳动强度,对于超高层巨型钢 结构超大截面、超厚板的焊接,挂壁式焊接机器人 能有效克服人工作业连续性差,质量控制难等施工 难点。 (4)超长、超厚、超低温钢板剪力墙全过程变 形控制技术:钢板剪力墙结构在我国研究与应用仍处 于起步阶段,值得注意的是,在复杂工程的背景下, 钢板剪力墙的应用往往会遇到很多新难题,国内施工 研究团队通过工程研究与实践,提出了超长、超厚、 超低温钢板剪力墙全过程变形控制技术:1)创建了 复杂环境(超低温一30c:C)下钢板剪力墙的焊接工法; 2)研发出一套“约束板+约束支撑”双重控制方法, 通过建立包括施工顺序、约束位置确定等焊接变形控 制技巧与残余应力消除技术;3)提出了芯筒结构中 组合钢板墙制作和安装单元划分原则,发明了钢板墙 构件制作专利;4)开发了钢板墙之间采用高强度螺 栓与焊接混合连接方法及设计方法,得出了焊接温度 对高强度螺栓预拉力影响的规律,建立了包括施工顺 序、热影响范围、螺栓补拧方法、预拉力折减等栓焊 混合连接设计与施工技术,解决了现场装配精度控制 难及工地焊接量大的问题。该技术已成功应用于天津 117大厦、中国尊等超高层工程。 2.3.2 大跨度空间钢结构施工技术 (1)整体滑移技术:采用“先行拼装、整体滑移” 的方法,通过计算机控制的推动装置沿轨道滑移至设 计位置,然后卸载、固定和就位,该技术可解决钢结 构施工场地有限,工期紧等难题。 整体滑移技术的关键在于计算机控制和滑移过程 监测。计算机控制是通过数据反馈和控制指令传递, 的优点是可充分利用现有的结构作为施工支承,降低 安装措施量。网架整体提升成套技术已较为成熟,近 年来除网架结构本身的形式外,将网架与拱、悬索、 桁架等结构结合,形成的变异结构提升技术取得了新 进展。随着计算机技术的发展,提升控制技术取得了 突破。 沈阳飞机维修基地1号机库项目采用了网架与钢 桁架组合形式,柔度大,重心偏移较为严重。通过采 用区域组合法进行有限元模拟提升,最优化提升点位 置与数量解决了重心偏移严重的问题。 液压同步提升施工技术采用传感监测和计算机集 中控制,通过CAN总线控制,信号传输量更大,速 度更陕,稳定性更好;液压提升器的行程传感器精度 达到毫米级,且可全行程显示。 (3)大型索膜结构施工技术:近年来,全张拉 索膜结构主要受力单元为受拉的拉索,仅靠周边的刚 性边界和少量压杆连接拉索。高预应力是全张拉索膜 结构的一个特点,而施工技术的关键在于导入预张力, 索的预张力直接决定了索膜结构的刚度,施工张拉阶 段,索力可根据端部拉压力计或千斤顶测力表直接 读取。 EM传感器技术已经开发成功并应用于索膜安装 监测,但具备实时监测功能的EM系统仍在研发阶段, 索力监测和检测的最理想的方式是内置拉力传感器的 智能拉索,具有索力实时监测、断丝实时报警等功能, 这有待于将来的研发成果。 国内关于索膜结构的研发也取得新成果,开发出 高钒索,其高强钢丝表面采用锌一5%铝一混合稀土 合金镀层,不用PE护套、具有良好的防腐蚀性能, 在工程中得到广泛应用,如石家庄国际会展中心、苏 州工业园体育中心等项目均采用该技术。 2.3.3桥梁钢结构施工技术 ’ (1)连续钢构桥梁施工监控技术:桥梁施工监 控是对施工期I司的桥梁结构应力状态、变形状态进行 实时监测和控制,使结构在受力状态下处于理论计算 2018年6月 周鹏熙,等:我国钢结构工程技术发展与展望 的容许范围内,并及时发现并修正施工中出现的偏差, 保证桥梁施工安全。 自升式钻井平台升降锁紧机构的设计与安装等方面。 2.4钢结构检测技术的新进展 无线传感器网络系统,融合了传感器技术、计 金属磁记忆法口 实际上是一种漏磁检测技术, 算机技术、网络技术、无线通信技术、分布式信息处 其基本原理是记录和分析处于地磁场中的铁磁构件和 理技术等,通过网络将监测信息传输到用户终端。监 设备的缺陷或应力集中部位表面的自有漏磁场的分布 测数据的无线传输技术,减少了监测数据缆线的用 情况。该法不仅能够适用于铁磁构件缺陷(裂纹、 量,减轻了工作劳动量,避免了与施工的相互干扰, 气孔、夹杂等)的检测,还能对应力集中、早期失 数据采集、传输更加高效和快捷,已在桥梁施工监测 效等进行快速、准确的诊断。2007年,国际标准化 及运营健康监测中得到了应用。将无线传感器网络系 组织出台了ISO 24497:2007(E)《无损检测金属磁 统应用到桥梁结构的施工监测和运营健康监测,前景 广阔。 (2)柔性钢梁大跨顶推关键技术:顶推法是指 在桥台的后方设置施工场地,将梁体在桥头逐段浇 筑或拼装,用千斤顶纵向顶推,使梁体借助滑道或 滑块将梁逐段或整段向前顶推,就位后落梁的施工 方法。 以武汉江汉六桥钢混凝土结合梁安装,采用步履 式多点连续顶推技术。针对顶推最大跨径90m的条 件,配备l8台顶升额定荷载16000kN的顶推设备。 累积顶推最大质量为6 500t,顶推最大跨度90m,采 用计算机多点连续动态控制技术进行顶推作业。 2.3.4钢结构住宅技术 在传统钢结构建筑体系的基础上,为满足住宅 功能和高度要求,出现了新型结构体系,主要包括异 形柱结构体系、钢管束结构体系、组合钢板剪力墙 体系。 (1)矩形钢管混凝土组合异形柱由天津大学经 过试验研究并提出,整体由单肢矩形钢管混凝土柱(内 灌自密实混凝土)通过竖向钢板相互连接,并于一定 间隔焊接横向加劲肋板而成。目前该结构体系已成功 应用于沧州I福康家园公租房住宅项目。 (2)钢管束体系体系是一种用于工业化居住建 筑的结构体系,由钢管束组合结构构件与H型钢梁 或箱型梁或短钢管束组合结构构件连接而成。杭州钱 江世纪城人才专项用房采用的此结构体系。 (3)框架一组合钢板剪力墙结构是一种具有多 道抗震防线的新型结构体系,利用钢材承载力大、抗 剪性能好、重量轻等特性,在普通剪力墙中增设两道 定型钢板,钢板内侧焊接栓钉,中间浇筑混凝土,与 劲陛钢结构柱一同浇筑混凝土。 2.3.5海洋工程钢结构技术 深海浮式钻井平台钢结构主要由深海平台钻井模 块、深海浮式生产平台以及其他辅 成,钢结构 施工技术涉及现场高强度钢 接、钢结构防腐处理、 记忆》。 近年来,我国已经开始对这项技术进行研究和应 用,目前主要在机械设备领域,建筑领域研究基本空 白,相信不久就会出台相应的国家或行业标准。2009 年国家正式发布了GB/T 23902--2009《无损检测超 声检测超声衍射声时技术检测和评价方法》。 3技术指标记录 3.1钢结构建筑高度 国内已建成最高的钢结构高耸构筑物为广州电 视塔610m,已建成并投入使用的最高钢结构建筑为 6321TI的上海中心大厦,在建的第一高楼为729m的 苏州中南中心。 3.2钢结构建筑规模 国内已建成的房建项目单体规模最大的是杭州国 际博览中心,单体建筑面积85万m ,钢结构总量达 15万t。在建单体规模最大的项目是深圳国际会展中 心,单体建筑面积146万m2,钢结构总量达19万t。 3-3钢结构建筑跨度 南京奥体中心项目与沈阳奥体中心项目是目前国 内平面跨度最大的钢结构工程,二者采用平面拱式结 构体系,跨度均为360m。国家大剧院是目前国内空 间跨度最大的钢结构工程,屋盖采用网壳结构体系, 跨度达212.2m。青岛北客站项目是目前国内跨度最 大的预应力钢结构工程,采用预应力拱架结构体系, 跨度达143.2rll。 3.4钢结构建筑悬挑长度 无论是悬挑长度、悬挑高度,还是悬挑重量,中 央电视台新址主楼均可到世界第一,其悬挑重量超过 1.8万余t,悬挑长度达75m。考虑塔楼倾斜24m, 结构最大悬挑长度为99 m。 3.5钢结构钢材强度 钢结构的迅速发展伴随着钢结构用钢强度和耐 候性等性能的不断增强,在房建及公共建筑领域, Q39O,Q42o,Q46o已成功用于鸟巢、央视新址等工 ·600· 建筑技术 第49卷第6期 程,深圳平安金融中心用到了Q460GJC[8],深圳湾 南塔楼项目进行Q550GJ,Q690GJ高性能结构钢的 应用示范。在桥梁工程领域,重庆朝天门长江大桥 用到了Q420qENH,陕西眉县霸王河大桥则用到了 Q345qDNH,Q500qDNH。 架结构,属交叉桁架体系。指廊钢结构屋盖顶标高约 体育中心则用到了Q460GJD。郑州绿地中央广场 22m,指廊端部钢屋盖悬挑12.9m。 结合工程特点,屋盖施工采用中间滑移胎架,配 合两侧的点式胎架,屋盖桁架地面分块拼装,履带式 起重机在两侧行走进行分块吊装的方式。综合分析了 胎架滑移、点式胎架组合及原位分块吊装施工方案的 关键要点。 4.3跨江超重柔性钢梁大跨顶推施工技术 3.6钢结构焊接板厚 深圳平安金融中心通过24h不间断作业,于 2013年8月12日完成304mm厚铸钢件焊接,创造 武汉江汉六桥也是武汉市第一座自锚式悬索桥, 了行业新纪录,4个铸钢件对接焊所用焊丝总量高达 由于汉江为II.(3)级航道,施工期间无法中断通航, 5.8t。 主梁架设必须采用顶推法施工,顶推施工时必须保证 84 m宽的航道要求,因此造成武汉江汉六桥顶推最大 央视新址主楼钢柱所用钢板最大焊接板厚 之最。 3.7钢结构最大提升量 135mm,焊接钢板的厚度为目前全国房建工程领域 跨径达到了90m。而由于主梁采用双边主梁形式的结 构,相对于钢梁而言,抗扭转能力较差,在90m最大 顶推跨径下.自身刚度较弱,属柔性钢梁顶推。通过 北京A380飞机维修库工程,屋盖面积为 40 372.5 m ,是目前单次提升面积最大的钢结构建筑; 对顶推全过程进行仿真模拟,对导梁、主梁及临时支 墩应力、变形全过程监测,并采用同步控制系统对自 世界单次提升重量最大的钢结构项目是国家数字图书 平衡步履式顶推设备进行控制,成功将柔性钢梁顶推 馆工程,单次提升重量达10388t。 就位,创下了国内外同类型柔性钢梁T页推跨度90m之 最的 己录。 4工程案例 4.1超高层顶模系统下部钢结构安装技术 5结束语 近年来,钢结构行业在科技投入、科技研发、科 ll 7核心筒墙体 昆凝土墙体形式,采用超高层施 工中普遍应用的顶升模架体系进行施工,而顶模平台 技创新等方面取得长足进步,新的钢结构技术不断涌 将核心筒上部封闭(图1)。对此,顶模下部核心筒钢 现和业绩指标也不断刷新,但部分关键技术仍有待突 构件吊装放弃使用塔式起重机从上部吊装就位的传统 破,包括结构体系创新与标准规范改革,建筑维护系 方法。在顶模下部设置可自行爬升的桁车起重机系统, 统配套及产业化、标准化、工业化、信息化融合技术, 桁车吊系统上的桁车可在杨 筒内部水平移动,原位提 全寿命周期的设计、施工、生产一体化等。 升5t以下构件。桁车系统四边与核心筒墙体附着,通 参考文献 [1]闰志刚,赵欣欣,徐向军.沪通长江大桥Q500qE钢的适用性研究 [J].中国铁道科学,2017,38(3):40-46. 过附着件与轨道可以沿墙体爬升。结构外筒设置倒运层, 倒运层设置悬挑卸料平台。内简钢构件通过塔式起重机 吊运至倒运层卸料平台,再通过卷妨们和倒运小车等设 备将构件运至核心筒内部桁车吊—f=部,最终通过桁车吊 提升吊装就位。 4.2武汉天河机场钢结构滑移施工技术 【2】万升云,简虎,熊稽森.磁记忆检测在寒风检测中的应用研究[J]. 电焊机,2017,37(11):40--43. [3]李会志.“互联网+钢结构”的实施路径[J】.施]二企业管理, 20 ̄6(6). [4】岳艳红.对建筑钢结构焊接技术现场与发展趋势的探讨[J】l绿色 环保建材,2017(6). 武汉天河机场指廊钢屋盖为采用双向正交正放网 国办开展工程建设项目审批制度改革试点 『 l — ●—糸玩 a———、j  Ⅱ1 llI ll1 0 』 《,\ ▲ l 八t 简内 倒运层 上 区域 一 日前,国务院决定开展工程建设项目审批制度 筒外区域 c==—··-一 一 改革试点,统一审批流程,提出“一张蓝图”统筹 项目实施,“一个系统”实施统一管理,“一个窗口” 提供综合服务, “一张表单”整合申报材料, “一 套机制”规范审批运行等多项重大举措。 图I 超高层顶模系统下部钢结构安装 

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