1概述
建筑技术最大的进展体现在对结构高度、跨度与复杂性的不断挑战。随着设计与施工的关系变得越来越密切，设计中遇到的技术难题不单纯是设计问题，更多的是施工实施可行性的问题。由于我国建筑设计与施工建造分属于不同的部门，在设计期间全面考虑施工建造的相关问题存在较大的困难。
本文结合结构设计中经常遇到的与施工相关的关键技术问题，对结构材料的选择与代换、施工荷载与控制应力比、施工过程模拟分析、超长结构合拢温度的控制、卸载与安全监测、施工误差与结构验收等相关问题进行了探讨。
2结构材料的选择与代换
2.1高强钢筋与高性能混凝土
2.1.1高强钢筋
目前，400MPa级的钢筋在混凝土结构中已经普遍采用，根据我国即将颁布的《混凝土结构设计规范》GB 50010—2010，500MPa热轧高强度钢筋将逐步得到使用和推广。《热轧带肋高强钢筋在混凝土结构中应用技术导则》RISN—TG007—2009［1］规定，对于由承载能力极限状态控制配筋的抗爆设计人防结构和抗倒塌设计结构，以及预应力混凝土结构构件中的非预应力受力钢筋，推荐优先采用500MPa级钢筋，以充分发挥其强度较高的优势。高强钢筋主要应用于钢筋混凝土柱、剪力墙等竖向构件。采用高强度钢筋时，需要注意当地相应钢种的生产及供货情况，避免出现无法找到相关产品的情况。
从高强钢筋用量来看，欧美国家400～600MPa级钢筋用量达到95%以上。若HRB500，
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HRB400，HRB335钢筋的设计强度分别取420，360，300MPa，则采用HRB500钢筋代替HRB335，HRB400钢筋，可节约材料分别在28%和14%以上，并可节约大量的能源、电力、运输、加工费等，减少烟气、粉尘和污染物的排放。实际工程应用表明采用高强钢筋的工程，钢筋用量减少低于设计强度的比值，主要原因是钢筋强度提高后，构件挠度变形和裂缝宽度增加的问题尚待解决。此外结构最小配筋率的规定及抗震和温度-收缩等间接作用提出的构造配筋措施必须考虑。因此采用高强钢筋后，实际配筋的用钢量并不能按比例减少。大量研究表明，采用500MPa高强钢筋后，可减少钢筋用量12%～14%［2］。
2.1.2高强混凝土
目前我国绝大多数地区采用C60以下的混凝土，有些城市混凝土强度等级可以达到C80及以上。但其他地区在结构设计时，当采用C60以上混凝土时，需要了解当地的实际材料及高强混凝土应用情况，避免结构设计中采用的强度等级无法实现，造成较大的设计更改。在高强混凝土施工前，施工单位必须对原材料性能、所配制高强混凝土拌合物性能及混凝土硬化性提出试验结果报告，等设计单位或甲方及监理单位许可后，方可施工。
高强混凝土的浇注宜采用泵送。除节省材料费用外，与钢结构相比，加快施工速度也是采用混凝土结构的重要特点。目前，混凝土单级泵送高度最大的工程是迪拜的哈利法塔，达到了601m。
到目前为止，各国规范中采用的混凝土最高强度等级分别是:欧洲规范Euro code2为C105，德国规范DIN1045是C115，美国设计手册已用到C100，试验研究已经超过C160［3］。
2.1.3免振捣混凝土
免振捣自密实混凝土在我国于20世纪90年代末开始应用于工程。具有降低施工噪声，减轻工人劳动强度，便于泵送，不分层、离析，有利于快速施工等优点，并且可以防止
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传统混凝土浇注中漏振、过振和钢筋密集结构容易出现的蜂窝麻面等工程缺陷。它在配制过程中可掺用大量矿物掺和料，有利于资源利用和生态环境保护，具有很好的经济效益。
在型钢混凝土构件及钢管混凝土构件中，施工振捣条件较差，此时需要采用高强免振捣混凝土。混凝土的坍落度可达250～270mm，扩展度可达650mm以上，1h以后，扩展度可达500mm以上［4］。
免振捣混凝土通常采用压力顶升法与高抛法施工，通过施工试验检验采取适当的施工方法。
2.2混凝土结构耐久性
结构耐久性设计专门针对结构在环境作用下的适用性能力，荷载作用下的耐久性属于结构安全性范畴，但对施工的要求显著高于传统的普通混凝土结构。
2.2.1国内混凝土结构耐久性设计发展现状及重要性
国内的混凝土结构耐久性设计最早应用于一些受环境作用影响显著的重大土木及水利工程，如海港码头、水库大坝等;但是限于当时对混凝土耐久性的认识水平及国家经济条件，通常是针对已知的一项或几项环境作用采取一项或几项防护措施，还谈不上是系统的耐久性设计。经过几十年的研究发展，目前在新建的大型土木和水利工程中(如海港工程、水利工程、重点的桥涵工程、市政道桥工程)系统的耐久性设计得到了相对较好的应用。而在民用建筑及普通工业建筑设计中，混凝土结构耐久性设计的应用几乎是一项空白。
随着时代的进步，现代结构设计理念已经有了很大的发展，不再单纯强调结构的安全性，而是将结构的安全性、适用性、可修复性三者并列，作为结构设计需要满足的三个要求。而结构的适用性和可修复性正是结构耐久性设计要完成的任务。
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2.2.2混凝土结构耐久性设计的特点
与普通混凝土结构安全性设计相同，混凝土结构耐久性设计也同样具有时效性及限定性，此外，还有一些与普通混凝土结构安全性设计不同的特点:①以正常使用极限状态为最终状态，而不是承载力极限状态。②更强调结构的可修复性和前期与后期投入的综合经济性。
提高混凝土耐久性一方面可以人为限制耐久性损伤发生的条件:①控制混凝土原材料中的有害物质;②为钢筋提供足够厚度的混凝土保护层;③提高混凝土密实度;④控制混凝土裂缝;⑤通过建筑面层、建筑防水、建筑防潮、建筑维护等措施，隔绝或减轻环境因素对混凝土的影响。另一方面通过定期监测，尽早发现损伤，采取相应的补救措施，以减轻损伤带来的危害。
混凝土结构耐久性设计应包括以下内容:①明确结构的耐久性设计使用年限;②确定整体结构及局部构件所处环境分类及环境作用等级;③提出混凝土原材料的选用要求(水泥、矿物掺和料、骨料、拌制水以及化学外加剂的品种与质量要求);④明确混凝土的强度等级、最大水胶比及胶凝材料的最大与最小用量等;⑤提出混凝土氯离子扩散系数、抗冻耐久性系数等混凝土耐久性参数以及引气等要求;⑥明确与耐久性有关的结构构造措施，主要包括钢筋保护层厚度、裂缝控制措施及防水排水构造等;⑦提出防腐蚀附加措施;⑧提出与耐久性有关的施工质量要求;⑨提出结构使用阶段的维护与检测要求，作为耐久性设计的必备环节，使用阶段的维护与检修具有非常重要的意义，及时发现局部问题，及时采取措施解决，是对结构耐久性的最大保障。
2.2.3混凝土施工要求
针对混凝土施工阶段提出技术要求［5］，主要是为了保证混凝土的耐久性品质，避免由于施工原因导致耐久性隐患，并尽量减少混凝土的早期裂缝。具体要求如下:①对超长及大体积混凝土工程，施工单位应进行详细的施工组织设计，研究超长混凝土和大体积混凝土的施工措施，确保混凝土的施工质量。②在施工工期紧迫，施工分段界面交织复杂的情况下，施工单位应根据施工进程仔细研究施工分段界面的分割和采取的施工措
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施;对分段界面处的结构构件应进行可靠的支护，确保施工阶段的结构稳定，对分段界面处的基础土体应采取可靠的保护措施，避免土体的扰动。③混凝土工程在正式施工前，应针对工程特点和施工环境条件，会同甲方、设计、监理及混凝土供应等各方，共同制定施工全过程和各个施工环节的质量控制与质量保证措施以及相应的施工技术条例，商定质量检验方法，由监理单位监督实施。④为保证混凝土的均匀性，混凝土的搅拌宜采用卧轴式、行星式或逆流式搅拌机，不得使用自落式搅拌机，并严格控制拌合时间。⑤严格控制坍落度，一般入模坍落度宜≤160mm，且严禁在搅拌机以外二次加水搅拌。⑥泵送下料口应及时移动，严禁用插入式振捣棒平拖驱赶下料口处堆积的拌合物将其推向远处。插入式振捣棒需变换其在混凝土拌合物中的水平位置时，应竖向缓慢拔出，不得放在拌合物内平拖。⑦当日平均气温低于0℃又无妥善整体保温措施时，不得浇注混凝土;对处于养护期间的混凝土应采取有效措施保温蓄热。⑧控制混凝土的早期强度，在不掺缓凝剂的情况下，12h抗压强度≤6MPa，24h抗压强度≤10MPa。⑨楼板混凝土浇注完毕初凝前，用平板振捣器二次振捣，终凝前应将表面进行二次搓毛和抹压，抹面时严禁洒水。⑩后浇带浇注完成后立即进行外围护部分的施工。严禁混凝土结构部分长时间处于露天环境中。
瑏瑡混凝土初凝后应及时洒水保湿养护，最好采用保水效果较好的草帘、麻袋、塑料薄膜湿润接触覆盖，对于面积较大的楼板可采用蓄水养护。不便浇水或覆盖养护时，可涂刷养护剂。水养护或湿养护时间除应满足施工相关规范外，尚需满足夏季不少于7d，春秋季不少于10d，冬季不少于14d。瑏瑢对于水胶比<0.45的混凝土，在施工浇注基础底板、楼板等大面积构件时应尽量减少暴露的工作面，浇注后应立即用塑料薄膜紧密覆盖(与混凝土表面之间不应留有空隙)，防止表面水分蒸发，待进行搓抹表面工序时可卷起塑料薄膜并再次覆盖，终凝后可撤除薄膜进行蓄水养护。柱或墙板等垂直构件宜采用有蓄水内膜或有良好保水性能的模板，在浇注完毕后也要将顶部严密覆盖。瑏瑣在炎热气候下浇注混凝土时，应避免模板和新浇混凝土受阳光直射，入模前的模板和钢筋温度不得超过40℃;尽可能安排傍晚浇注，不宜在早上浇注混凝土，应避免雨天浇注混凝土。冬季施工应提前制定施工方案，经设计方认可后方能施工。在相对湿度较小、风速较大的环境下，宜采取喷雾、挡风等措施，并根据环境变化调整养护方式。瑏瑤混凝土强度未达到1.2MPa前，不得在其上踩踏或安装模板及支架。拆模或进行其他作业时，严禁撞击混凝土构件。
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瑏瑥混凝土入模温度严格控制在25℃以下且不高于气温，冬季不得低于12℃。养护期间应采取有效的保温覆盖措施，混凝土降温速率<3℃/d。瑏瑦养护期间，混凝土内部最高温度不宜高于70℃，并应采取措施使混凝土内部与表面温差<20℃，淋注于混凝土表面的养护水温度低于混凝土表面温度的差值≤15℃。或竹皮板。
2.3钢材的冲击韧性
冲击韧性是衡量钢材断裂时所做功的指标，其值随金属组织和结晶状态的改变而急剧变化。冲击韧性是钢材受到冲击荷载或在多向拉应力作用下具有可靠性能的保障，是反映钢材抵抗低温、应力集中、多向拉应力、加载速率和反复荷载等因素导致脆断的能力。对于重要的受拉和受弯焊接构件，由于焊接残余应力的存在，往往出现多向拉应力，尤其是当构件的板厚较大时，钢板的轧制次数小，钢材中的气孔和夹渣比薄板多，存在缺陷较多，因而有发生脆性破坏的危险。
在钢结构设计中，除强度外，冲击韧性是钢材另外一个重要指标。设计中常用的B，C，D级钢材，相应的冲击功在20℃，0℃，－20℃时≥34J。高强钢材对冲击韧性的要求高于普通钢材。确定焊接结构钢材冲击韧性的主要因素是构件的工作环境温度、是否承受动力荷载或振动荷载。此外，冲击韧性好的钢材可焊性也较好。目前我国B级钢材最为普遍，由于C，D级钢材供货时间长，当设计要求采用C级或D级冲击韧性时，需要提前做好订货准备。在选用钢材的冲击韧性时，建筑本身的重要性也是应该考虑的重要因素。虽然冲击韧性要求越高，钢材价格也会相应提高，但其提高幅度较小，每个等级之间相差约100元/t。
2.4钢材的Z向性能
当钢板厚度较大时，焊接时钢板容易出现层状撕裂问题。控制钢板在厚度方向的性能———Z向性能，是目前从钢材材质方面保证不出现钢板层状撕裂的重要措施。钢板的Z向性能通常采用标准试件的断面收缩率来表示。《厚度方向性能钢板》GB/T5313—85［6］对钢板厚度方向的性能级别规定如表1所示。从表1中可以看出，断面收缩率与
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瑏瑧模板采用散热较慢的木模
含硫量的关系很大，含硫量越低，Z向性能越好。影响确定钢材Z向性能的主要因素是钢板的厚度、焊接方式、节点约束程度以及经济性等。
随着钢板厚度增加，从钢坯到成型板材的压缩比逐渐减小，在轧制过程中残留的非金属夹杂等各种缺陷也越多。钢板越厚，焊缝高度越大，焊接应力与应变也越大，基材容易发生层状撕裂。钢板的层状撕裂通常发生在焊缝焊脚、热影响区的边缘等位置。《建筑抗震设计规范》GB50011—2001(2008年版)［7］和《建筑钢结构焊接技术规程》［8］JBJ81—2002中均规定，采用焊接连接的钢结构，当钢板厚度≥40mm且承受沿板厚方向的拉力时，受拉试件板厚方向的截面收缩率应≥Z15。在实际工程中，钢板厚度可能超过40mm较多，何时应采用Z25与Z35等级的钢材，目前国内相关的规范标准均未作出明确规定。
节点的约束程度对发生层状撕裂的可能性影响很大。钢板之间焊接时，十字形节点的约束程度最高，箱形构件的约束程度次之，T形节点的约束程度最小。Z向断面收缩率的建议值为10%，箱形构件为15%，十字形节点为20%左右。
从工程应用的角度来看，根据节点的约束程度确定钢板的Z向性能等级可操作性较差，而按照板厚区分Z向性能等级比较符合设计情况。许多部位属于强约束节点，保证材料的Z向性能非常重要。参照以往工程经验，建议采用根据板厚确定钢材Z向性能等级的方法:①t<46mm时，无Z向要求;②40mm≤t<60mm时，采用Z15;③60mm≤t<80mm时，采用Z25，④t≥80mm时，采用Z35。与普通钢板相比，带有Z向性能要求的钢材价格较高，对结构造价将产生明显的影响，如何在避免钢板发生层状撕裂的前提下控制造价，是结构工程师必须面对的问题。由于层状撕裂不仅与钢板厚度有关，主要还与焊接部位
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的约束程度有关，设计人员可以结合结构的受力特性、节点构造、制作加工等环节，合理控制Z向钢的应用范围，从而达到有效控制结构造价的目的。
2.5焊接H型钢与热轧H型钢
焊接H型钢与热轧H型钢在结构设计中均普遍采用。热轧H型钢的优点是规格统一，生产工业化程度高，构件外形美观，受残余应力的影响很小，适用于大量采用的主、次梁构件，但在钢结构施工阶段可能由于产品规格不齐全，需要设计单位进行代换。焊接H型钢设计时不受型钢规格的限制，使用非常灵活，可以最大限度发挥钢材的强度，钢材用量较少，受到设计人员的普遍青睐。但焊接H型钢的加工过程材料与能源消耗大，劳动力成本高，构件受焊接残余应力的影响较大，外形平整度较差，需要进行矫形处理，构件中的高应力点可能较早地进入屈服状态。几种截面的残余应力分布如图1所示，焊接截面的特点是在焊缝附近有很高的残余拉应力，其值甚至可达到母材的fy［9］。
为了改变目前这种不合理的现状，一方面需要加强常用规格热轧H型钢的供货能力，另一方面需要形成综合考虑材料与能源消耗和劳动力成本的新指标体系，改变结构设计追求单位面积用钢量单一指标的现状，符合“节能减排”的基本原则。 2.6管材
2.6.1圆钢管
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我国圆钢管的技术标准与产品规格较为齐全。目前在结构设计中，中、小规格的圆钢管主要采用热轧无缝钢管，大规格圆管采用直缝焊接钢管或螺旋焊接钢管。热轧无缝钢管性能优越，适用于主要结构受力构件，残余应力的影响很小，加工性能优越，但价格较高。
根据《结构用无缝钢管》GB/T8162—1999［10］，热轧无缝钢管壁厚的允许偏差变化幅度较大，一般在12.5%～15%，对于小规格构件，最大允许负偏差可达15%。根据《无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》GB/T17395—1998［11］，热轧无缝钢管壁厚的允许偏差变化幅度一般在5%～15%。而在进行结构优化设计时，往往未能给予充分重视，对结构的安全度可能产生一定影响。当圆管直径在402～502mm以上时，可以考虑采用直缝焊接钢管。
对于轴心受压构件，轧制圆钢管的截面分类为a类，焊接圆钢管的截面分类为b类，两者承载力之间存在一定差异，在结构计算与构件代换时需要特别注意。螺旋焊接钢管可以作为施工临时支撑等非永久性构件使用，一般不宜在主体结构中采用。
2.6.2方钢管
目前方钢管主要采用冷滚压成型、冷弯成型及热完成等加工工艺，我国目前方钢管的主要生产工艺为冷滚压成型，对于厚钢板采用冷弯成型工艺。冷加工方钢管在角部出现明显的材料加工硬化，圆角半径约为壁厚的3.0～5.0倍，焊接性能劣化，当采用钢管相贯结构时应避免在该部位进行焊接。采用热完成工艺加工的方钢管是在均热炉中完成圆管变方管的挤压成型过程，构件外观表面平整光顺，残余应力影响很小，相同直径的钢管可以直接相贯焊接。冷弯方管与热完成方管如图2所示。
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从目前的工艺水平来看，热完成方管的性能最好。由于最后成型过程在正火温度下进行，截面残余应力较小，可以有效地消除角部的残余应力，具有良好的焊接性能;通常只有一条对接焊缝，且焊缝在纵向与横向可与母材等强;角部的圆弧半径很小，可以控制在0.5～2.0倍钢管壁厚范围内，外观非常平直，当腹杆与弦杆同宽时，也可以实现相贯焊接。热完成方管的截面力学性能也较冷轧成型优越，根据欧洲规范规定，热完成钢管受压时的稳定系数高于冷轧管材。方钢管的稳定系数和应力应变曲线如图3所示。当热完成方管的壁厚超过22mm或大规格管材(□600×600～□850×850)时，需要采用双面埋弧焊接和相应的设备，目前仅有个别国外企业能够生产，其价格比普通规格高得多。建议加快我国热完成方管产品标准制定和相关的研发工作，在重要的大跨度空间结构中，方钢管应采用热完成加工工艺。
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3施工荷载与控制应力比
在进行结构设计时，构件的应力水平与结构用钢量直接相关，在进行优化设计时通常将构件的应力比作为主要控制目标。在确定优化设计的目标应力比时，需要综合考虑工程的重要性、结构受力特点、施工偏差以及工程造价等多种因素。
构件控制应力比与构件的实际受力状态密切相关，并应考虑在整体计算中难以反映的构件加工过程引起的残余应力、膜结构侧向不平衡张力、屋面檩条等非节点荷载以及施工堆载、临时支撑及塔式起重机等因素影响。在进行整体结构计算时，主要构件的控制应力比可以控制在0.85左右，次要构件的控制应力比可以放松为0.9。
3.1施工堆载
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施工过程中，在建筑的首层与屋顶层经常有较多的施工堆载，根据正在修订的《建筑结构荷载规范》GB50009—2001(2006年版)［12］中的规定，对于施工荷载较大的楼层，在进行楼盖结构设计时，宜考虑施工阶段荷载的影响。当施工荷载超过设计荷载时，应按实际情况验算，并采取设置临时支撑等措施。地下室顶板等部位在建造施工和使用维修时，往往需要运输、堆放大量建筑材料与施工机具，施工超载是引起建筑物楼板出现裂缝的原因之一。在进行首层地下室顶板设计时，施工活荷载一般≤4.0kN/m2，但可以根据情况扣除尚未施工的建筑地面做法与隔墙自重。应注意对施工堆载总量及作用部位进行有效控制，避免出现楼板开裂等工程事故。在会展中心和工业厂房中，经常遇到室内地坪大面积堆载的情况，如果设计时未考虑地坪堆载的不利影响，或者运营中对地面堆载问题重视不够以致随意增加地面荷载，可能引发不少工程事故甚至房屋倒塌。在软弱土地基上，大面积地面堆载作用下，除了产生地坪相对不均匀沉降、围护墙开裂外，柱下基础会产生附加相对不均匀沉降;若柱两侧地面堆载不同，还将引起基础和柱的倾斜现象。由于地基相对不均匀沉降和基础转角位移作用，结构将产生附加内力，甚至可能危及结构的安全使用。为此，根据《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002中大面积地面荷载作用下天然地基沉降的计算方法和验算准则，在设计中应充分考虑室内地坪的堆载。
3.2临时支撑荷载
对于体育场馆等大跨度屋盖，结构施工时经常需要设置临时支撑塔架。在进行看台结构设计时，可以考虑预留屋盖施工荷载，充分利用使用活荷载与尚未安装看台板的质量，尽量避免对下部混凝土结构采用临时加固措施，可以取得较好的综合效益。临时支撑塔架的布置应尽量均匀、对称，当数量过少时，对起重设备吊装能力要求过高，数量过多时，对下部看台混凝土结构施工会产生较大影响，因此在施工过程中，设计单位应与施工单位密切配合，对支撑塔架布置方案进行全面论证分析与详细计算。
3.3塔式起重机荷载
对于高层与高耸建筑，塔式起重机通过与主体结构的连接，保证其自身在重力荷载与风荷载作用下的稳定性。塔式起重机对长细比大的结构有较大影响，在塔式起重机与结构
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的连接部位受力非常集中，需要进行相应的加强。当主体结构本身较为纤细时，尚应进行施工验算，分析塔架与主体结构相连引起的各种不利影响，确定超高层钢结构安装过程中，在结构的抗侧力体系尚未完全形成前，大型塔式起重机的水平荷载作用是否会影响钢结构安装质量及结构安全，并确定在无特殊加固的情况下，进行水平加荷的可行性分析。
4施工过程模拟分析
4.1施工过程与结构内力
建筑结构是在施工过程中逐渐形成其刚度与质量的，因此施工过程对结构及构件的内力有很大影响，不同的施工方法可以造成构件内力的很大差异。对于特殊的结构形式，如果采取的施工顺序与设计假定的施工顺序存在较大差异，将造成巨大的安全隐患。
超高层建筑在结构自重下产生的内力所占比例较大，施工顺序对构件的内力具有明显影响。设计单位需要与施工单位密切配合，根据施工工艺与总工期的要求，共同确定主体结构的施工方案。通过对安装过程的详细分析，可以找出施工阶段可能出现的最大应力与变形，避免施工阶段产生的应力与使用阶段应力叠加后过大。除确保主体结构施工期间的安全性以外，还应考虑在安装过程中可以给吊装设备提供必要的临时侧向支撑点，楼板可以承担必要的施工荷载，确保施工能够顺利进行。
在结构设计中通常采用“生死单元”激活技术对结构的成型过程进行计算分析。奥运演播塔位于北京朝阳区奥林匹克公园内，采用地面拼装、分片吊装的方案进行施工，整个塔体分为14个吊装段［13］。
计算分析表明，对于奥运演播塔钢结构，施工顺序与支撑设置方式对结构构件在重力荷载作用下的内力将产生明显影响。在设计中运用有限元法计算程序中将“死”单元(不参与整体结构分析的构件)逐次激活的技术，对钢结构的整个施工过程分析，模拟结构在整个施工过程中刚度和荷载的变化情况，钢结构安装过程模拟计算表明，通过调整合理的施工顺序，可以改善结构的合理性，减小结构的内力与变形，有效降低结构的用钢量。
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计算模拟的施工过程模型如图4所示。
通过施工过程分析进行结构优化，通过调整构件的施工安装次序，如将耗能支撑、钢板剪力墙等构件作为延迟构件在框架结构完成后安装，避免竖向荷载的影响，形成受力合理的主次结构体系，避免次要构件出现应力过大的情况。值得注意的是，后装构件是在主体结构完成主要变形后安装的，其连接构造应有较好的适应性，应采用合理的连接方式，避免主体结构变形后出现无法安装的情况。其加工长度宜根据现场实际测量长度确定，当延迟构件与已完成结构采用焊接时，应采取措施减少焊接变形和残余应力。
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4.2混凝土的收缩、徐变
高层建筑竖向混凝土构件的变形由弹性压缩变形和混凝土的收缩、徐变组成，混凝土收缩、徐变的影响不能忽略，对于高度超过400m的超高层建筑，其框架柱的最终总竖向变形量可达150cm左右。
目前我国对混凝土收缩徐变方面的理论研究还比较少，结构设计时主要参照欧洲规范进行相应的数值计算分析。在深圳京基金融中心439m超高层建筑设计中，对巨型柱的弹性变形以及在重力荷载作用下20年后的收缩徐变分析结果如图5所示。为了避免混凝土核心筒和周边框架柱的竖向变形差异的影响，内外筒之间的伸臂桁架采用先吊装就位，竖向变形差异完成后焊接固定的方式。
混凝土收缩、徐变引起竖向结构构件之间的变形差异，当结构平面布置不对称时，还可能引起侧向变形，严重时会影响建筑的长期使用，甚至导致结构安全隐患。因此，在超高层建筑设计中需要重视混凝土构件的收缩、徐变效应，确保结构与建筑功能安全可靠。
5超长结构合拢温度的控制
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5.1确定超长结构合拢温度的必要性
温度作用是超长结构内力的主要控制因素之一。温度作用主要是指结构在使用期间可能出现的最高温度与最低温度引起的结构内力。温度作用计算时，采用使用期间可能出现的最高温度、最低温度与结构施工合拢温度之差(正温差与负温差)作为荷载条件。有效控制温差产生的内力是超长结构设计考虑的主要因素，与结构的安全性、经济性密切相关。因此，正温差与负温差应尽量接近，避免出现偏差过大的情况［14-15］。 “合拢”的概念早期主要应用于桥梁工程，近年来逐渐向空间结构发展。与单向的桥梁结构有所不同的是空间结构的合拢往往存在一条或多条合拢线，国家体育场“鸟巢”钢结构设计中采用4条合拢线，位置如图6所示。在施工中主要采用“前期释放，后期约束”的基本方法，通过大跨结构的支座对结构的变形进行限制。
超长结构施工周期往往较长，施工过程受环境温度变化影响较大。钢结构通常采用分段(分片)安装的方式，相邻分段(分片)结构之间也会受到施工温度差异的影响。
混凝土结构的合拢温度是指后浇带封闭时的温度。混凝土结构的后浇带可分为沉降后浇带与温度收缩后浇带，温度收缩后浇带可在混凝土施工完成2个月后用强度等级高一级的微膨胀混凝土进行浇注，沉降后浇带需要在主体结构封顶后根据沉降差异完成情况进
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行浇注。由于混凝土材料的抗压强度较高，而抗拉开裂强度很低，对于超长结构而言，为避免混凝土出现裂缝，应尽量在较低的温度下合拢。
由于在结构设计期间，很难准确预计施工进度计划与变化情况，因此在确定合拢温度时应充分考虑其可能的变化幅度Δt，一般取±5℃左右为宜，Δt过大将引起建造成本显著提高。此外，为了减小结构合拢的技术难度，可以考虑多道合拢线在同等温度条件下进行合拢，放松多条合拢线在同一时间完成拼接的要求，避免对焊工人数与机械设备能力的过高要求。
合拢温度由于场地的气象条件、结构形式、建筑围护结构及其热工性能、使用功能及施工时期的不同存在很大差异。室内结构和室外结构的温差计算差异很大，室内结构受到温度作用的影响较小。
5.2结构合拢温度的计算方法
5.2.1钢结构的正、负温差
室外钢结构(如体育场、仓库等)在确定正负温差时，应取极端气象温度，并考虑太阳辐射对钢结构温度的影响，其正、负温差由下式计算:
式中:ΔtS，ΔtS分别为钢结构的正温差与负温差;tmax，tmin分别为历年极端最高气温与最低气温;t0，Δt分别为合拢温度及其变化幅度。
5.2.2混凝土结构的正、负温差
由于混凝土的导热性较差，可以采用月平均温度进行温度应力计算。使用阶段混凝土结构的温差由下式计算:
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式中:Δt+C，Δt－C分别为钢结构的正温差与负温差;tmax，tmin分别为历年月平均最高气温与最低气温;tsc为混凝土收缩徐变效应产生的等效温差。在混凝土结构施工阶段，由于尚未完成建筑外保温及达到室内空调或供暖的正常条件，在施工阶段容易出现混凝土构件开裂的情况，需要采取相应的保护措施。
6卸载与安全监测
6.1大跨度结构的施工方法
大跨度钢结构常用的施工方法有整体提升、分片滑移、分段吊装高空组拼(简称散装法)和局部提升等多种方式。临时支撑塔架的布置与结构的安装方法密切相关，如设计无特殊要求，一般可以认为采用满堂红脚手架支撑方式。临时支撑塔架布置应尽量均匀对称、数量合理，如果支撑点过多，将引起施工费用的显著增加，但支撑塔架过于稀疏，对构件吊装验算以及起重设备能力要求较高［16］。
确定卸载方案时主要考虑制定合理的卸载顺序与各支撑点的卸载位移，保证全部荷载由临时支撑塔架结构向主体结构缓慢均匀地转移，同时将结构构件的应力控制在合理范围内。
大跨度结构的卸载应遵循均匀对称、分级同步的原则，卸载设备可以采用砂箱、液压千斤顶、切割等方式，主要特点如下:①砂箱简单易行，成本很低，适用于中小型大跨结构;②液压千斤顶通过泵站控制千斤顶，通过逐步抽取垫片使屋架逐步脱离支撑塔架，控制精度高，同步性能好，适用于大型空间结构;③气割一次即可卸载到位，但可控性最差，仅适用于靠近支座等变形量很小的部位。
6.2卸载过程的仿真分析
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进行卸载全过程仿真分析的主要目的是在主体结构、临时支撑塔架的实际状态以及外部荷载条件下，对每一卸载步进行模拟计算，包括千斤顶的顶起、落下，并根据实测的千斤顶反力值、真实位移值、构件应力测试值，判断卸载过程有无异常情况、整体钢屋盖结构是否处于安全状态，并根据计算结果判断是否继续进行下一步卸载工作。钢结构卸载仿真计算还应考虑卸载时温度的影响。
由于每个卸载点均布置有千斤顶与由垫片组成的临时支点，卸载开始前，垫片组成的临时支点承受上部结构的荷载并将荷载传递到临时支撑塔架，而千斤顶则处于空置状态。卸载时，每个卸载步可以分解为3个小步骤:①升液压千斤顶，将钢结构与塔架支撑脱离2～4mm，此时读取千斤顶反力数值;②抽取垫片，每次所抽取垫片的高度与规定卸载量相等;③下降液压千斤顶，使之处于停止工位，千斤顶反力数值为0，临时支点再次与结构接触(卸载后期可能不再接触)。
进行卸载计算时，根据卸载方案的预先设定值，对临时支撑塔架的端点施加强制向上或向下的位移，模拟临时支撑塔顶部千斤顶上升或临时支撑塔顶部垫片抽取所引起的位移。另外，实际卸载过程中，卸载点将会产生一定的水平位移，一般通过人工移动卸载点下垫板的方式适应水平位移带来的变化，计算时，将临时支撑塔架上端点的水平自由度完全释放。因此，卸载仿真计算可以比较真实地模拟临时支撑塔架上部千斤顶上升→垫片抽取→千斤顶下降的全过程。
钢结构卸载后，主桁架的挠度内大外小，内圈临时支撑塔架的间距较小，支承反力较小;外圈临时支撑塔架的间距较大，支承反力较大。
国家体育场“鸟巢”钢结构采用“7大步35小步”的卸载方案，预先进行了各临时支撑塔架的受力分析。在卸载过程中，各圈临时支撑塔架的支撑反力是振荡变化的，且振荡幅值随卸载过程的进行而减小，最后，所有临时支撑塔架的支撑反力均为零，即卸载结束，如图7所示。
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6.3安全监测
大跨度钢结构的实际变形情况是对计算模型合理性与施工质量的综合反映，也是对钢结构设计与施工最直接的检验。通过变形监测，可以掌握大跨度结构在建造过程与使用阶段的实际情况，对结构的工作状态与安全性作出科学判断。通过对钢结构安装全过程的变形进行监测，使对结构工作状态与安全性的判断建立在可靠数据的基础上。
变形观测点均布置在屋盖下弦构件的下表面，变形观测采用强制对中点设站，消除了对点误差。观测过程中使用全站仪在不同的控制点上设站同时进行观测和数据对比，确保观测成果的可靠性。
根据施工经验，很难在支撑塔架上全面设置应力测试装置，无法全面掌握卸载过程塔架反力的变化情况，因此可以通过千斤顶顶升时的压力数值间接得到支撑塔架的反力。由于很难在施工过程中精确控制千斤顶的上顶高度、各支撑点的卸载同步性差异、每个支撑点2个千斤顶之间的差异等多种因素的影响，单个塔架千斤顶的上顶力与理论计算值离散性较大。为了能得到卸载过程中千斤顶整体上顶力与理论计算上顶力的符合性，根据统计意义上相符的原则，分别对所有千斤顶的反力进行求和处理，尽量减小上述各种影响因素带来的误差。
与采用千斤顶反力之和表征卸载上顶力相对应，分别对各点的卸载位移量进行了平均，
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得到统计意义上卸载位移。根据实际千斤顶卸载反力与各圈位移平均值，可以得到卸载千斤顶顶升反力与位移变化的关系曲线。同样根据仿真计算的方法，也可以得到支点上顶力与位移变化的关系。对每一级卸载步骤，分别对外圈、中圈和内圈的理论计算曲线和实测曲线进行分析比较，即可判断卸载过程与设计预期值的相符程度，保证卸载过程中钢结构的安全性。
国家体育场中圈、内圈临时支撑卸载实测得到的千斤顶顶升反力与位移变化关系和仿真计算得到的支点上顶力与位移变化关系如图8所示。从图8可以看出，中圈与内圈反力总和的理论计算值与实测值两条曲线在总体上吻合得很好，实测反力数值略低于计算数值，两者变化趋势一致。
由于多种复杂的因素，大跨度钢结构的实际刚度与计算假定很难完全一致，钢结构卸载时的实测变形量与计算值一般会存在一定差异，实测挠度一般小于计算值。
国家体育场钢结构测试所得应力与卸载过程仿真计算所得到的应力进行比较，如图9所示。卸载过程中主体钢结构的实测应力与理论计算值较为吻合。伴随着主体钢结构的卸载过程，所有测点的应力在总体趋势上都在增大。部分测点的应力出现波动，与钢结构本身的复杂程度、每一卸载步各支点的实际卸载量不完全是等比例、支撑塔架的刚度等诸多因素有关。所有杆件同一截面多个测点的应力差异较大，呈现较强的不均匀性。
7施工误差与结构验收
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7.1施工误差对结构安全的影响
施工误差在结构施工中是普遍存在的问题，主要表现为材性误差、厚度(尺寸)误差、加工误差和安装误差。
1)材性误差混凝土材料主要表现为实测强度与设计强度的偏差，钢材主要表现为化学性能与机械性能的偏差。当材料误差超过允许值时，应根据实际情况报废处理，或经设计同意后降级使用。
2)厚度(尺寸)误差混凝土构件尺寸偏差主要是由钢筋绑扎与模板位置的偏差引起的，钢板与管材的正、负偏差往往较大，一般情况下钢板厚度均为负公差，焊接球的壁厚减薄量可达13%。
3)加工误差主要指构件的长度与弯曲矢高、板件的局部平面度、构件截面垂直度与对角线长度、管口的直径、圆度的偏差。不同构件对加工偏差的要求差异较大，如焊接薄壁箱形构件，对于侧壁初始缺陷比较敏感，容易出现早期局部失稳。
4)安装误差由于混凝土结构模板施工精度与钢结构安装精度的影响，结构铅垂度及标高
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的偏差难以避免，此类偏差对于超静定结构内力、变形的影响并不明显，但是对单层网壳等对初始缺陷敏感的结构，需要进行严格控制，避免在施工与使用过程中出现整体失稳的情况。
5)验收标准一方面，为确保结构安全，应控制施工偏差不致对构件强度、局部稳定与结构的整体稳定产生过大影响。另一方面为使结构更为经济合理，一般情况下应避免在结构设计中提出比国家现行施工验收标准更为严格的要求。
7.2焊缝质量
焊缝质量对于结构的安全性至关重要，应严格控制构件连接部位的错边与间隙量，确保构件之间内力传递的可靠性。对于重要的结构，除按规范规定进行焊缝探伤外，还应采取第三方检测、增大探伤比例等措施。焊缝外观质量与钢结构的锈蚀速度密切相关。焊缝部位的锈蚀速度大大高于一般构件部位的锈蚀速度，平滑光顺的焊缝外观，即是结构受力的需要，也是保证钢结构防腐涂层耐久性的前提。锈蚀程度的评价标准参考ISO4628—3(1982):Designation of degree of rusting。不同使用年限钢材表面一般部位与焊接部位锈蚀面积的百分比应满足的要求如表2所示。
一般情况下，结构对焊缝外观的效果满足《钢结构施工验收规范》GB50205—2001［17］的要求即可，但对有特殊建筑效果的要求是焊缝需要进行磨平磨光处理。 8结语
1)结构材料性能指标的选择与结构设计的安全性、经济性密切相关，应充分考虑其加工工艺、地域性、价格等因素，确保材料供货。
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2)在确定结构的安全度与构件的应力比时，应充分考虑施工堆载、临时支撑及塔式起重机等因素的影响。
3)通过施工过程模拟可以准确反映结构刚度与质量的形成过程，对结构设计优化与施工过程控制均具有重要意义。
4)确定超长结构的合拢温度对保证结构设计的安全性与合理性非常重要，文中给出了结构合拢温度的计算方法。
5)大跨度结构卸载是钢结构安装过程中最为关键的环节，应加强分析与现场监测。
6)对于新型或特殊的结构形式，当现行国家施工质量验收标准无法涵盖时，应制定专项施工验收标准。
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