大跨張弦梁結構施工控制與數值模擬

楊國棟

(山西中條山工程設計研究有限公司銅城設計院，山西垣曲 043700)

0 引言

張弦梁結構作為大跨度輕型結構的一個重要分支，因其獨有的特點與優勢，已經成為高速鐵路客站中應用最為廣泛的結構形式之一。高速鐵路站房由于受自然風和高速列車風的作用以及站房和雨篷對其的遮擋效應，可能對建筑物的局部產生較為強烈的荷載作用，改變結構的受力性能并引起結構振動，對結構產生不利的影響。因此，多數高鐵站房建筑采用開敞式的站場設計，當高速列車和自然風過站時，采用無柱張弦梁結構體系的雨篷下方空間較為開敞，氣流容易擴散，從而得到較為廣泛的應用。

日本大學的M.Satioh［1］教授通過對張弦梁進行了線性分析和試驗研究，總結出了BSS(Beam String Structure)的實際施工過程以及預應力的施加方法，但文獻中未涉及到具體的理論分析內容，只給出了理論計算的結果，對初學者有一定難度。文獻［2］通過改變張弦梁的上弦梁形成另一種張弦梁結構Hybrid String Structure(HSS)，文獻中主要分析了HSS中索的作用、索中需要施加的預應力取值以及HSS在工程實踐中的應用情況。文獻［3］對張弦梁結構進行了系統的理論分析和試驗研究，采用幾何非線性有限元法建立了該類結構的力學分析模型，并編寫了相應計算程序。浙江大學的董石麟、陳榮毅等通過對廣州國際會議展覽中心工程中的張弦梁結構的施工過程進行研究［4，5］，所做工作如下:對張弦鋼桁架梁在各基本荷載作用下的內力及變形進行數值計算分析，并最終確定了施加預應力的施工方案，利用有限元軟件ANSYS建立了張弦鋼桁架梁的線彈性模型，并對張弦鋼桁架梁進行了張拉屈曲分析;東南大學的李維濱，高飛，施駿等通過對哈爾濱國際會展體育中心工程中的張弦梁結構的施工過程進行細致深入的研究［6，7］，提出了針對工程應用的簡化計算方法，結合數值模擬，制定合理的施工方案。

1 張弦梁吊裝施工

1.1 吊點設置

采用四條φ42的鋼絲繩四點捆扎法起吊張弦梁，直接捆綁于梁弦桿處，其中端部這邊兩根鋼絲繩配備兩個10 t倒鏈調節桁架起吊時的角度平衡，并用鋼管護套墊鋼絲繩，以防與梁接觸的直角邊剪切力過大破壞鋼絲繩，另配四個15 t卸扣。具體點設置如圖1所示。

1.2 張弦梁吊裝施工細部流程

第1步:使用四臺150 t履帶吊分別吊裝第③，?軸線南側和北側V形柱，柱腳錨栓固定(柱腳本身為全剛節點);第2步:使用四臺150 t履帶吊分別吊裝第④，?軸線南側和北側V形柱，柱腳錨栓固定;第3步:使用四臺150 t履帶吊分別吊裝第③～④，?～?軸線北側 V形柱頂拉梁;第4步:同第2，第3步驟安裝⑤，?軸線V形柱及相應柱頂拉梁，吊機仍采用150 t履帶吊機。在南，北側分別使用兩臺250 t履帶吊機吊裝第④，?軸線第一榀張弦梁，并進行梁與柱連接及梁與梁空中對接焊;第5步:同前4步驟安裝⑥，?軸線V形柱及相應柱頂拉梁。在南、北側分別使用兩臺250 t履帶吊機吊裝第④，?軸線第二榀張弦梁，并進行梁與柱連接及梁與梁空中對接焊，同時使用站臺上四臺25 t汽車吊安裝部分支撐檁條;第6步:同第5步驟安裝完第⑦，⑩軸線V形柱及相應柱頂拉梁。同第5步驟安裝完第⑤，?軸線第一榀上弦梁及部分檁條支撐。利用使用站臺上另外四臺25 t汽車吊安裝完第④，?軸線第一榀張弦梁的下弦拉索及腹桿;第7步:同第6步驟安裝完第⑧，⑨軸線V形柱及相應柱頂拉梁，所有V形柱安裝完畢。同第6步驟安裝完第⑤，?軸線第二榀上弦梁及部分檁條支撐。同第6步驟安裝完第④，?軸線第二榀張弦梁的下弦拉索及腹桿;第8步:南、北側各兩臺150 t履帶吊機開始吊裝墻梁、墻面支撐等墻面系統構件。同第7步驟安裝完第③，?軸線第一榀上弦梁及部分檁條支撐。同第7步驟安裝完第⑤，?軸線第一榀張弦梁的下弦拉索及腹桿。同時利用四臺25 t汽車吊機安裝第④，?軸線檁條系統;第9步:南、北側各兩臺150 t履帶吊機繼續吊裝墻梁、墻面支撐等墻面系統。同第8步驟安裝完第③，?軸線第二、三榀張弦梁及部分檁條支撐。同第8步驟安裝完第⑤，?軸線第二榀及第③，?軸線第一榀張弦梁的下弦拉索及腹桿。同第8步驟安裝完第⑤，?軸線檁條系統;第10步:同第9步驟安裝完成站房雨篷所有墻面系統構件。同第9步驟安裝至第⑦，⑩軸線第二上弦梁及部分檁條支撐。同第9步驟安裝至第⑥，?軸線第二榀張弦梁的下弦拉索及腹桿。同第9步驟安裝至第⑥，?軸線檁條系統;第11步:同第10步驟安裝完張弦梁所有主體結構。同第10步驟安裝至第⑦，⑩軸線檁條系統。南、北各一臺120 t汽車吊開始吊裝南、北門廳結構;第12步:同第11步驟安裝完成所有檁條系統。南、北各一臺120 t汽車吊繼續吊裝南、北門廳結構;第13步:同第12步驟門廳結構吊裝完成。所有鋼結構安裝完畢。

2 張弦梁安裝施工與數值模擬

2.1 施工過程概述

鋼結構吊裝總體分四大步驟:

第一步:搭設臨時支撐(采用只受壓單元模擬)，吊裝鋼柱、張弦梁弦桿及撐桿;第二步:原位穿索，安裝檁條，拉索張拉;第三步:拆除臨時支撐，結構自己站立;第四步:灌漿、安裝屋面系統，完成吊裝過程。

圖1 吊點設置示意圖

2.2 安裝施工過程結構變形數值模擬

第一步:由于臨時支撐的作用，第一施工步張弦梁上弦跨中上撓2 mm，半跨跨中下撓12.8 mm;

第二步:對索施加預應力，隨著預拉應力的逐漸增大，張弦梁跨中上撓值逐漸加大;

第三步:對索施加的預估張拉力達到1 450 kN時，張拉后，張弦梁跨中上撓88.1 mm，張弦桁架已脫離臨時支撐，可即行拆除臨時支撐，結構達到自己承載的狀態;

第四步:施加全部恒載作用后，張弦梁跨中下撓4.7 mm，半跨跨中下撓20.8 mm，與設計的要求基本吻合，預估張拉值基本準確。

3 張弦梁張拉施工與數值模擬

張拉分兩級張拉，數值模擬僅以第一組張弦梁為例，闡述張拉過程中張弦梁以及整體雨篷結構體系的內力與變形。

3.1 第一級張拉

兩邊最外側兩跨，張拉第一組，同時對稱張拉LS1和LS26，第一級張拉至60%初張力。張弦梁上弦跨中上撓0.23 mm，半跨跨中下撓0.32 mm，索的拉力范圍為636 kN～1 119 kN。張拉完成后，得到結果如圖2所示。

圖2 第一級張拉第一組索至60%時的拉索內力和結構豎向位移

3.2 第二級張拉

兩邊最外側兩跨，張拉第一組，同時對稱張拉LS1和LS26，張弦梁跨中的最大起拱值為63 mm;邊柱的最大水平位移值為11 mm，所張拉的拉索最外側處的最大張拉力為1 222 kN。張拉完成后，得到結果如圖3所示。

具體結論列于下:

1)第一級張拉完成，結構起拱基本為零，最大水平位移為3 mm。2)第一級張拉過程中，索的拉力范圍為636 kN～1 119 kN，張拉過程中引起的鋼結構應力比較小，在20 MPa以內。3)第二級張拉過程中，在張拉第13步中所要張拉的張弦梁跨中的起拱值最大，最大起拱為63 mm;在張拉第4步的邊柱的水平位移最大，最大水平位移為11 mm。4)第二級張拉過程中，在第8步中所張拉的拉索最外側處的張拉力最大，最大張拉力為1 222 kN。5)計算表明，整體拼裝后，通過兩級(60%，100%初張力)張拉，可以滿足整個施工過程中的受力和穩定性要求，達到設計狀態。

圖3 第二級張拉第一組索至100%時的拉索內力和結構豎向位移

為保證鋼結構的安裝精度以及結構在施工期間的受力和穩定性的要求，并使鋼索張拉的預應力狀態與設計要求相符，必須對鋼結構的安裝精度、張拉過程中鋼索的拉力及鋼結構的應力與變形進行監測。

4 結語

大跨度張弦梁結構以其自重輕、跨度大、整體穩定性好、受力性能明確、外觀整潔美麗等優點成為近十年來快速發展和應用的一種新型大跨度空間結構形式。本文在對國內外張弦梁結構的應用和研究現狀做了詳盡的綜述和總結基礎上，詳細的闡述了高速鐵路張弦梁結構雨篷施工方案，并采用有限元軟件Midas對施工全過程進行數值模擬計算，再與現場監測數據結合對比，對施工進行精確控制與指導。

［1］Masao Saitoh，Akim Okada.The role of string in hybrid string structure，Engineering Structure，1999.

［2］Masao Saitoh.A Study on Structural Characteristic of Beam String Structure.Part Prestressing for Dead Load.Summaries of Technical Papers of Annual Meeting Architectural Institute of Japan，1987.(In Japanese).

［3］白正仙.張弦梁結構的理論分析與試驗研究［D］.天津:天津大學博士學位論文，1999.

［4］陳榮毅，董石麟.大跨度張弦鋼桁架的預應力施工［J］.空間結構，2003，9(2):61-63.

［5］陳榮毅.大跨度張弦桁架結構設計與施工的全過程分析研究［D］.杭州:浙江大學博士后學位論文，2004.

［6］施 駿.預應力張弦桁架施工技術研究［D］.南京:東南大學碩士學位論文，2003.

［7］李維濱，高 飛，施 駿.超大跨度預應力張弦桁架結構施工［J］.施工技術，2003，7(9):40-42.