自錨式懸索結構在大跨度屋蓋中的應用研究

何靜

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300）

0 引言

近年來，大跨度鋼結構以其結構形式的多樣性、空間組合的靈活性等優點，在大型公共建筑中得以廣泛應用。隨著科技的發展，人們對空間的需求越來越高，建筑物的跨度將越來越大，懸索結構憑借其自重輕、施工簡單、造型優美靈活、經濟性及對跨度適應性較強等顯著優勢，已成為目前城市大跨度鋼結構應用的重點。

懸索結構歷史悠久，古代帳篷式的住屋便是懸掛屋蓋的雛形，而懸索結構最早則是應用在橋梁工程中。我們的祖先早在一千多年前，就運用竹索、鐵鏈建成了跨越河谷的竹索橋，而隨著鋼材的發展，現代化的大跨度懸索橋應運而生。懸索結構在建筑工程中的應用，也是得益于懸索橋的啟示，但起步較晚，自上世紀中葉，懸索屋蓋才真正在建筑中興起。由于懸索結構易于表現建筑造型，可用于不同的建筑平面，同時當鋼索與其它材料或其它結構形式進行組合時，能夠形成性能良好的組合空間結構體系，故懸索式屋蓋在大跨度結構中應用越來越廣泛。而自錨式懸索結構又以其自身獨有的特點，慢慢發展起來。

1 自錨式懸索結構的概念

自錨式懸索結構首先是在橋梁中提出的，這種結構省去了兩側巨大的錨錠，直接將主纜固定在主梁的兩側，主纜產生的水平力直接由主梁來平衡，如圖1所示。

圖1 自錨式懸索橋組成示意圖

相比傳統的地錨式懸索結構，自錨式懸索結構更加輕盈、靈活，但由于主梁需要附加承受拉索的巨大水平拉力，對其剛度要求更高，對主梁截面尺寸要求更大，所以該結構通常使用在跨度不大，受荷較小的情況下。在橋梁領域一般主要用于城市中的橋梁。

但是對于建筑工程而言，懸索結構主要用于其屋蓋體系，荷載主要有屋面板傳來的荷載、結構自重及風荷載，并無車輛行人等荷載，較橋梁受荷小的多，往往跨度也不像橋梁結構跨度那么大，同時一般都建造在人群密集的地方，空間限制大，通過前面對自錨式懸索結構的特點分析可以看出，將自錨式懸索結構用于屋蓋結構體系中，是一個很好的選擇。

2 自錨式懸索結構的組成及受力特點

2.1 自錨式懸索結構的組成及受力特點

自錨式懸索結構在屋蓋中的組成基本同橋梁，主要是由拉索、自錨桿件及豎向支承構件組成的，結構形式簡單。

⑴拉索：是懸索結構的主要承重構件，承受屋面傳來的荷載、風載及自重，主要承受拉力，可分為豎向分力和水平拉力。自錨結構的拉索錨固在自錨構件的兩端，通過錨固點將拉索的水平拉力傳遞給自錨構件。

⑵自錨構件：顧名思義是錨固拉索，承受其水平拉力的構件，其常用形式有桿件和梁等，主要在受到拉索傳來的水平拉力下，產生壓力。在橋梁工程中往往使用橋梁自身作為錨固構件，設計時，對橋梁需多考慮拉索產生的水平反力即可。而對屋蓋結構而言，通常需專門設計自錨構件，作為拉索的錨固體。自錨構件為水平受力構件，若單獨采用簡單的梁或桿，為避免失穩，其長細比受到限制，若拉索傳來的水平拉力過大，僅使用簡單的桿件或梁易發生失穩現象，跨度越大，這種破壞就越明顯。故工程中常采用剛度較好的結構形式做自錨構件，如鋼桁架結構。當然在設計時，還需考慮結構凈空高度的要求以及同另一方向共同考慮荷載傳遞的要求等。

⑶豎向支承構件：自錨結構的豎向支承構件常采用支承柱形式，主。，要用于支承拉索，傳遞其產生的豎向荷載并將其傳給基礎，可使用鋼結構或混凝土結構，下部通常錨固在基礎里。

2.2 自錨式懸索結構的優缺點

通過以上對自錨式懸索結構的組成和受力特點的分析，可見將自錨式懸索結構應用于屋蓋結構體系中的優勢是不言而喻的，總結如下：

⑴無需設置截面尺寸較大的邊緣構件或錨索及地錨，施工簡單，同時相對地錨式懸索結構對周圍空間要求低，更適合在繁華的、人口密集的城市地區建造，這符合建筑工程地域性的特點；

⑵由于拉索水平拉力由結構內部的錨桿承受，無需笨重的影響結構造型的錨固體，所以自錨式懸索結構的造型更加輕巧，靈活多樣，易滿足建筑藝術審美方面的要求。

⑶自錨構件本身屬于大跨度平面結構，跨度越大對其設計要求越高，而拉索將其強大的水平拉力反作用于自錨構件上，相當于對其施加了預應力，有利于實現其大跨度，同時節省了施加預應力的設備。

由于自錨構件承受較大的軸向壓力，所以在對其進行設計時，構件的穩定性設計很重要，同時需考慮到結構內部凈空高度和造型的要求，故對自錨構件的設計要求較高。由于自錨構件是水平構件往往在安裝過程中需搭設胎架，這就增加了胎架安裝和拆卸時間及成本，同時要保證在施工過程中胎架的安全穩定。但是，這些相比對邊緣構件或拉索和地錨的設計和施工成本而言，還是具有經濟合理性的。當然相對于以上缺點，自錨式懸索結構憑借其施工簡單、造型輕巧靈活、對周圍空間要求低等方面的優勢在建筑領域是很具有發展前景的一種懸索結構體系。

3 自錨式懸索結構施工關鍵技術

自錨式懸索結構屬于懸索結構中的一種結構形式，所以對懸索結構施工階段的關鍵技術均適用于該結構體系，故本文中研究的施工關鍵技術主要針對自錨體系與傳統懸索結構不同的地方。

3.1 自錨式懸索結構施工工藝流程

施工前，首先應確定結構的施工順序，施工順序的合理性直接決定著結構在施工過程中的安全性。

自錨式懸索結構由于其結構的受力特點與傳統的結構形式不同，需先施工豎向構件及自錨構件，再安裝拉索并進行張拉，在安裝自錨構件時由于橫跨整個結構跨度，往往需支設胎架。自錨式懸索結構上部結構施工工藝流程詳見下圖2所示。

圖2 自錨式懸索結構施工工藝流程圖

當然，以上提出的施工工藝流程，只單獨針對自錨式懸索結構體系自身的施工順序。而在屋蓋結構體系設計時除輪輻式造型外，結構的受力往往是兩個方向的，主次結構施工時會相互影響，尤其在預應力施加時對結構的影響很大，若單純的將兩個方向的結構分開施工，往往會無法滿足設計要求或使結構在施工過程中破壞。那么，自錨式懸索結構的施工，往往需配合另外一個方向的結構及屋面系統的特點綜合考慮。通常會兩個方向結構安裝施工、預應力施加和屋蓋體系的施工穿插進行，以保證結構的安全穩定。但對于自錨式懸索結構自身而言，由于其受力特點所決定，一定是先施工自錨構件，再安裝拉索及張拉的。

3.2 自錨構件施工關鍵技術

自錨式懸索結構拉索的水平拉力由自錨構件承受，自錨構件作為受壓構件，需滿足其強度、剛度、穩定性要求。在設計時，往往只考慮設計階段，即結構施加預應力后成型階段自錨構件的安全性。而自錨構件本身屬于大跨度結構，其施工又先于拉索施工，所以施工時應按大跨度結構施工來考慮。

⑴自錨構件的施工方法

自錨式構件通常設計為平面體系，所以施工時根據構件自身特點和施工現場的實際情況，常采用高空散裝法或整體吊裝法。

高空散裝法是先在地面搭設臨時支架，再用起重設備將桿件（或小拼單元）吊至相應的設計位置，然后在已搭設的臨時支架上拼裝成整體的結構安裝方法。而整體吊裝法是將結構在地面拼裝成型或在工廠預制成型運至施工現場后直接采用起重設備進行吊裝就位的施工方法。由于跨度大、中間無其他構件支撐，提前也沒有施加預應力，所以不論采用何種方法，對自錨桿件的施工，都需搭設臨時支架，來保證施工和支撐自錨構件。這與傳統懸索結構施工時無需搭設臨時支架的特點不同。

⑵拉索張拉施工對自錨構件的影響

自錨構件安裝完成后，將進行拉索的安裝和張拉工作，拉索就位后先臨時固定，然后進行張拉，隨著施加預應力的增大，自錨構件受到的壓應力也逐漸增大。這個過程相當于給自錨構件施加預應力的過程，除了將拉索受到的水平拉力傳給自錨構件外，自錨構件受到預壓應力產生向上的豎向位移，使其慢慢地脫離胎架，若施工方案合理，往往拉索達到其設計索力值時，自錨構件將完全脫離胎架，使胎架無需專門卸載，比一般大跨度結構施工工藝簡單。也是由于拉索張拉時使大跨度自錨構件產生了預應力，則可實現更大的跨度。可見，拉索施工與自錨構件能實現大跨度是相輔相成的，沒有自錨構件拉索無法成型、預應力無法傳遞，而若沒有拉索產生的水平拉力，自錨構件也無法實現大跨度。

根據以上分析可知，在對自錨體系拉索張拉的過程中，除需保證拉索自身的強度、剛度和穩定性問題外，還需保證自錨構件的強度、剛度和穩定性，同時需考慮胎架在整個施工過程中的安全問題。

4 結語

自錨式懸索結構體系相比傳統的懸索結構在水平反力處理時采用簡單的自錨構件代替傳統笨重的邊緣構件或錨索及地錨承受拉索水平反力，其受力特點決定了其在建筑工程中的應用前景不容小覷。文中僅對自錨式懸索結構的施工工藝流程及自錨構件的施工關鍵技術進行了研究，而對這種新型結構體系找形分析還有待進一步研究。