拉索多階段受力狀態下的高空張弦梁加工與安裝技術

李 昂 趙國強 范銳釗 朱興陸

北京市機械施工集團有限公司 北京 102628

張弦梁結構是一種區別于傳統結構的新型雜交屋蓋體系，主要由剛性構件上弦、柔性拉索及中間的撐桿連接組成。國內外對張弦梁結構的力學研究已有20余年，2007年，趙憲忠等[1]對張弦梁結構張拉過程中的結構性能進行試驗研究，佘遠逢等[2]通過有限元建模對張弦梁結構進行分析，文中均探討了張拉力與結構變形的關系，張拉力作用導致結構水平跨度縮小、整體上拱和撐桿傾斜等。張弦梁雖然結構體系簡單，但預應力結構從拼裝到張拉完成，要經歷多階段受力狀態，拉索之間存在相互影響，對變形控制要求嚴格，且高空張弦梁結構剛度弱，對制作和安裝的精度要求高[3]。

本文以實際工程為例，鋼結構和拉索工廠預先同步加工制作，張弦梁采取單榀帶索樓板平拼，拉索兩級張拉、塔吊逐榀吊裝技術，同時，進行多階段受力施工仿真計算校核及索力和鋼管結構監測，保證加工與安裝構件形態，達到安全高效的施工效果。

1 工程概況

北京銀行順義科技研發中心A3樓為型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒混合結構，中央中庭大跨、大空間屋頂采用張弦梁結構（圖1）。

圖1 張弦梁結構軸測圖

屋面鋼結構部分平面尺寸約為39 m×21 m，結構頂部標高約76.5 m，共設14榀張弦梁，各榀張弦梁之間通過設置圓鋼管進行連接，并通過鋼管立柱與樓面鋼梁相連，鋼管立柱與樓面鋼梁采用銷軸連接。每榀張弦梁下端設置3段鋼拉桿（表1），張弦梁間距3 m，鋼拉桿采用D40高釩鍍層鋼拉桿，破斷荷載為破斷力767 kN。

表1 張弦梁鋼拉桿統計

2 施工技術特點與難點

2.1 施工技術特點

1）鋼拉桿施工全過程的技術參數分析。鋼拉桿的施工過程包括加工制作、安裝、張拉、整體焊接合攏等，鋼拉桿的加工精度需根據現場技術參數分析而確定，做好技術準備，從而控制現場施工質量。

2）根據技術方案確定鋼拉桿的施工方法。確認鋼拉桿的技術參數后，應進一步確定鋼拉桿的施工方法。鋼拉桿的張拉是通過張拉工裝對鋼拉桿施加一個拉力，通過拉緊鋼拉桿對結構施加了一個預應力，此時結構會發生變形，因此構件在張拉前應充分考慮張拉變形的影響，按照設計狀態反推張拉前的結構狀態進行定位拼裝。

3）鋼拉桿張拉速度的確定。鋼拉桿張拉速度會對結構產生直接影響，甚至可導致結構發生破壞，因此應根據計算確定張拉速度，在不影響施工進度的情況下，盡可能使用較低速度進行張拉。

4）采取可靠的監測手段。為保證結構的安全，在鋼拉桿張拉的整個過程中，需對結構的內力及位移變化進行實時監控，確保結構始終處于穩定狀態，保證施工過程的安全。

2.2 施工難點分析

1）本工程張弦梁結構形式比較特殊，無法通過常規經驗進行施工判斷，因此需要借助計算軟件等對鋼拉桿的張拉全過程進行仿真模擬計算，根據計算指導施工。

2）構件的加工精度控制是本工程的難點，因為設計狀態為張拉后的最終狀態，而加工狀態需要根據計算確定張拉前的結構狀態進行加工制作，無論在計算上及加工上都會投入更大的精力。加工精度必須嚴格按照現場要求，才能在鋼拉桿張拉后，實現設計要求的狀態。

3 張弦梁加工形態研究

3.1 拉索內力設計

本工程14榀張弦梁，每榀張弦梁拉索內力不盡相同。

3.2 張弦梁預應力分析

張弦梁預應力分析的目的是根據設計姿態圖紙及拉索內力反算出結構的加工形狀，從而確保張弦梁結構在張拉完成后的幾何形態與設計姿態一致，從而達到設計要求。

張弦梁預應力分析的基本思路，是首先假設一個初始狀態即加工形態，然后按照拉索內力，對初始狀態模型逐級施加初始預應力，預應力施加完成后得到一個最終狀態即施工完成后形態的模型。將該模型與設計姿態模型進行比對，若2個模型基本吻合，即可認為該初始狀態滿足要求，可按此狀態進行加工；若2個模型相差超過一定范圍，即對初始狀態模型進行調整，再重新進行計算，直至得到的最終狀態模型與設計姿態模型基本一致即可。

3.3 張弦梁形變計算

張弦梁結構自重＋預應力＋屋面恒載拉索內力最大值為79.2 kN，最小值為59.6 kN；結構自重＋預應力下拉索內力最大值為46.1 kN，最小值為41.5 kN。采用通用有限元分析軟件Midas/Gen進行計算分析，根據設計圖紙給出的索力賦予初拉力。經計算，得出每榀張弦梁水平位移及豎向位移數值，其中最大位移位于張弦梁中間部位，為22 mm，加工時應重點考慮此部位，利用該數值得到一個初始狀態模型，通過對模型施加初始預應力進行計算，得到的最終模型與設計模型基本吻合。加工時采取對每榀張弦梁上弦鋼梁根據論證的初始狀態模型起不同數值的反拱，對兩側鋼柱加工時根據水平跨度位移的計算預傾斜不同數值的角度等措施。

4 施工方案及主要技術措施

4.1 預應力鋼索制作

預應力鋼索及節點加工圖由預應力專項施工單位設計，制作加工由預應力鋼索專業生產廠家完成。預應力鋼索總體制作流程：鋼絲來料檢驗→入庫→捻制拉索→預張拉→制錨→出廠檢驗→包裝→出庫。

4.2 施工總體思路

現場鋼拉桿安裝主要包含鋼拉桿的地面拼裝、鋼拉桿的地面張拉兩部分。在單榀張弦梁地面拼裝完成后進行鋼拉桿安裝并張拉，張拉完成后，單榀張弦梁兩端位移基本為0 mm，可保證吊裝就位時張弦梁兩端與支座正好對齊；本工程不考慮分級張拉，于地面一次張拉完成；吊裝就位后可根據監測結果局部進行張拉調整。

4.3 張弦梁施工實施方案

4.3.1 拉索地面展開

為了在現場施工方便，在索體制作時，每根索體都單獨成盤，在加工廠內將索體纏繞成盤，到現場后吊裝到事先加工好的放索盤上。

索在地面開盤，采用卷揚機牽引放索。在放索過程中因索盤自身的彈性和牽引產生的偏心力，索盤轉動時會使轉盤產生加速，導致散盤，危及工人安全，因此對轉盤設置剎車和限位裝置。為防止索體在移動過程中與地面接觸，損壞拉索防護層或損傷索股，索頭用布袋包住，將索逐漸放開，在地面沿放索方向鋪設一些圓鋼管，以保證索體不與地面接觸，同時減少了與底面的摩擦力，圓鋼管的長度不小于1 m，間距為2.5 m左右。由于索長大于跨度，索展開后應與軸線傾斜一定角度才能放下，因此牽引方向應相應傾斜，且牽引時使索基本保持直線狀移動。

4.3.2 鋼拉桿安裝

鋼拉桿采用地面設置拼裝胎架，使用倒鏈人工進行安裝，安裝方法如下：第1步，將一根張弦梁中間段鋼拉桿安裝就位，并通過鋼拉桿調節端將鋼拉桿長度調節為設計長度。第2步，將一根張弦梁兩端鋼拉桿叉耳端調節量調節至最大值，然后將兩端鋼拉桿安裝就位。

4.3.3 鋼拉桿張拉

1）張拉位置。在張弦梁兩端同時張拉（圖2）。

圖2 鋼拉桿張拉示意

2）張拉工裝設計。單根張弦梁兩端同時張拉，同時張拉2榀張弦梁。共使用4套設備對鋼拉桿進行張拉，共計使用10 t液壓千斤頂8臺，油泵及工裝設備4臺，每臺油泵配2臺液壓千斤頂（圖3）。

圖3 張拉工裝示意

3）張拉過程監測記錄。張拉過程中對鋼結構的變形及應力變化進行實時監測，形成文字資料以方便后期進行相關分析。

4.3.4 張拉質量控制方法和要求

1）鋼構件進場驗收，確保精度滿足張拉要求。

2）確定張拉設備，按照計算結果對設備進行調校。

3）張拉時要注意溫度的影響，盡量選在每天的同一個時間段。

4）重點檢查鋼拉桿與設備連接處，確保鋼拉桿與設備穩固連接，以免對鋼拉桿造成破壞。

5）張拉時的速度要嚴格控制，一般給油時間不應低于30 s。

6）設備安裝前進行放線，確保設備與每榀結構在一條直線上。

4.3.5 安裝和張拉操作平臺

張拉設備平臺選用現場80 mm×80 mm×5 mm方管進行組裝，每榀張弦梁的兩頭各設置一組操作平臺。

操作平臺尺寸3 m×2 m，豎向采用6根方管，每根方管加設斜撐以提高平臺穩定性（圖4）。

圖4 操作平臺示意

4.4 鋼拉桿同步張拉的控制措施

2榀張弦梁同時張拉，因此要重點控制2榀張拉設備的同步性。控制張拉同步有2個步驟。

1）在鋼拉桿張拉前調整鋼拉桿兩頭的調節量，控制2榀鋼拉桿的調校量一致。

2）本工程雖然為一次張拉就位，但可將一次張拉過程分解為5～6次小張拉分級，在同步張拉時，按照分解后的小張拉，每小張拉一級后停止動作，對每榀鋼拉桿進行測量調校，可使2榀張弦梁在整個張拉過程趨近于同步。

4.5 預應力補償措施

每榀張弦梁張拉完成后，對鋼拉桿的力值進行實際測量，可根據測量結果確定是否需要對張拉值進行調整。如需調整，需根據計算模型確定調整方案。

當每榀張弦梁吊裝至就位位置，并且全部焊接完成后，對鋼拉桿的力值再次進行測量，確保鋼拉桿的力值滿足設計要求。如需調整力值，需經過計算模型確定張拉調整方案，避免私自張拉對整體結構產生不良影響。

4.6 形態驗證

施工完成后，對每榀張弦梁的精度進行復測，將測量數據與設計形態進行對比。經對比，張弦梁施工完成后的施工形態與設計形態最大誤差2 mm，滿足規范要求，驗證了施工仿真模擬計算對反推結構加工形態的可行性及準確性。

5 結語

介紹了一種張弦梁預應力分析法，通過不斷對假設初始形態模型進行修正，施加預應力進行計算，得到與設計姿態相吻合的模型。通過施工仿真模擬計算，計算出拉索多階段受力狀態下結構的變形數值，將該數值作為預應力分析法中初始狀態模型的重要依據，從而保證張弦梁結構在張拉并安裝完成后與設計姿態保持一致。大跨度張弦梁鋼拉桿預應力施工技術在本工程的成功應用，為同類結構的安裝提供了一種新的思路，可供今后類似工程參考。