大跨度預應力鋼結構體系及施工技術

文／鄭文科、杜春來、宋宇飛、張泰豪 北京城建集團有限責任公司 北京 100088

引言：

隨著我國經濟的發展，我國的建筑越來越趨向于高層、大空間、大跨度。采用預應力技術和空間鋼結構組合而成的大跨預應力鋼結構是當前應用最廣泛的一種結構形式。大跨預應力空間鋼結構體系是以預應力網架、網殼、索網索拱和斜拉體系為主體，其最大優點是充分利用預應力索的高抗拉強度，將預應力作用在索索上，使得索具產生與外力作用相反的變形，并在受力前對其施加預應力，可以局部或全部消除外荷載下的彎曲或拉應力，從而改善結構的總體力學性能[1]。這種結構具有受力合理、剛度大、重量輕、制造、安裝簡便等優點，經過十余年的發展和發展，已廣泛用于大跨度、大柱網、大跨度、大柱網等領域，并引起了世界各國科學技術和工程界的廣泛關注，其發展前景十分廣闊。

1.大跨度預應力鋼結構的特點

大跨預應力鋼結構是一種由高強度、耐腐蝕、耐疲勞鋼素和多種空間鋼結構結合而形成的一種新型結構，它將彈性鋼素和剛性鋼質結合在一起，為廣大空間的施工提供了一種既實用又經濟的施工方法。將現代預應力技術應用于大跨空間鋼結構，不僅豐富了大跨空間鋼結構的外形，還充分體現了它的先進性、合理性和經濟性[2]。

（1）能使結構的受力狀況發生變化，使結構剛度、內力分布及位移完全符合設計者的要求；

（2）預應力技術可以用作組裝預制件（單元桿或組合件）的一種方法，例如弓形預應力鋼；

（3）在使用了預應力技術后，合理地布置纜繩，可以形成一種混雜的空間結構，也可以形成一種新型的空間結構，它的鋼材指標可以較原有結構或普通結構顯著地減少。這種“雜交”結構形式可以有效地改善結構的力學性能，減小結構的內力峰值，使結構剛度得到增強，技術經濟效果顯著；

（4）利用預應力技術，可以形成索拱等新型結構系統及結構型式。

2.大跨度鋼結構施工技術

目前，大跨度空間結構主要施工方法有高空滑移法、高空散裝法、分條（塊）吊裝法、整體提升法、整體吊裝及整體頂升法等。

2.1 高空散裝法

高空散裝法是一種采用臨時支架，將構件和節點在高空中直接組裝起來，然后在裝配完成后卸下支架，適合于各種不采用焊接方式的建筑。高空散裝施工方法主要有懸挑式和全托架式兩種：懸挑式拼裝是指為節約支承而對某些結構進行懸挑拼裝；整體支撐技術是將一段或一節段的整體拼裝在支架上，或在空中以網狀整體拼裝。

圖1 高空散裝法

2.2 高空滑移法

高空滑移法是將已分條組裝好的部件置于滑道上，再由滑板的一端滑到指定的另一端，并將其組裝為一體。其方法有單條滑動和逐條累積滑動兩種。單條滑移法是把條形單元從鐵軌的一端按順序滑到另一端，再進行拼裝，也就是一條一條地滑動，一條一條地把它連接起來。逐條累計滑行是將一個單一的條形單元向前滑動一段距離，然后將另一條單元與另一條單元相連接，再將兩條單元同時移動一段距離，再將三條單元與另一條單元相連接，直到最后一條單元被接上。目前，大跨鋼結構的施工方法多為逐條累積滑移。

圖2 單條滑移法

圖3 逐條累積滑移法

2.3 分條（分塊）吊裝法

分條（分段）吊裝也被稱為分段安裝。分段（分段）吊裝法是將某一建筑物分成幾個條形或塊形單元，在地面上進行拼裝，然后用起重機將其吊至指定的部位進行整體拼裝。它的優勢是，條形構件是在地上組裝，所以高空作業較少，安裝支架也較少，而且可以充分利用已有的吊裝設備，所以更經濟。該方法適合于結構整體劃分后，結構的剛度、受力狀態變化不大的鋼屋蓋。

2.4 整體吊裝法

整體吊裝法是將在工地上組裝好的結構，然后用起重機將其運到指定的地方。采用整體吊裝方法，既能保證幾何尺寸精度，又能保證焊接質量，既可以在現場和室外組裝，而且還可以和其它施工工藝同時進行，縮短工期。但該方法對吊裝能力和工人的技術要求很高。

圖4 整體吊裝法

2.5 整體提升法和整體頂升法

整體吊裝法是將結構桿按設計要求就地組裝，然后通過吊裝裝置將結構整體吊裝到設計高度并安裝到位。采用整體吊裝方法，可采用結構柱作為臨時吊裝支撐，或采用鋼管支撐或網架吊裝。與整體吊裝法相同，整體吊裝法也是就地組裝，區別在于，頂升法采用的是將千斤頂置于構件下方，采用結構柱子等作為頂升支架，而吊裝法的起重裝置則是安裝在結構的上部，由吊桿或鋼絲繩牽引而起。升降式與升降式的共同優勢在于，可以將房屋面板、天棚、電氣及采暖、通風設施等置于最佳位置，可大幅降低工程投資。整體提升法適用于有周邊支承點或支承網架，整體頂升法則適用于支點較少的點支承網架的安裝。

圖5 整體提升法

圖6 整體頂升法

3.大跨度預應力結構體系

3.1 預應力網格結構

預應力網架是將現代預應力技術和網格化技術相結合而形成的一種新型預應力網架結構。預應力采用兩種方法：一種是在網架周圍設置相應的預應力，來對張拉預應力索施加內力作用；另一種通過網格結構支座的高差使之強行調整就位，來使網格結構建立預加應力。

圖7 預應力鋼結構網架

3.2 索穹頂結構

索拱結構是由美國建筑師R·B·Fuller 在1962年提出的張拉總體概念：盡量減小壓力狀態，并保持持續的張拉狀態。之后美國工程師 Levy 針對亞特蘭大奧運主會場喬治亞圓頂結構，對結構外剛度不足、容易失穩的方案進行了完善和改進。

索穹頂是采用索、桿、膜等輕質、高強度的新型結構，具有較大的創新性和獨特性，是一種新型的結構。索拱結構多采用預應力鋼絲繩，其壓桿數量少、長度小，能最大限度地發揮鋼的抗拉強度，提高了結構的高效性[3]。

由于索拱結構中使用了大量的預應力鋼索，由于其壓桿數量較少，且長度較短，因此能夠最大限度地發揮其抗拉強度，因此具有很高的施工效率。自20世紀晚期開始，由于其造型新穎、構思巧妙、受力合理、造價低廉、施工速度快而深受廣大建筑工程人員的青睞，目前已廣泛用于大跨度、超大跨度建筑的屋面設計，成為國內外建筑領域的一個重要課題。索穹頂按其幾何拓撲形態可劃分為Levy型、Geiger 型、Kiewitt 型、鳥巢型、混合型等多種形式。

3.3 張弦梁結構

張弦梁結構是近幾年出現的一種新型結構形式，張弦梁是一種具有自穩性的預應力平衡結構，其作用于張弦梁上的預應力能夠在不影響支撐和地基的情況下，在其內部實現對預應力的均衡。張弦梁結構因其抗壓、抗彎性能較好而具有較大的剛度，因此其在不規則風荷載下的外形穩定性能也較好。

張弦梁結構系統包括上弦鋼梁、撐桿和下弦索體三個部分，張弦梁結構是通過張拉下弦索體來實現對鋼梁的向上集中；在垂直加載下，鋼結構的受力特點由相似的簡支梁變為多跨連續梁，張弦梁結構通過對索內施加的預應力來控制剛性構件的彎矩大小和分布位置，從而提高結構的承載能力，使得截面利用效率更高，經濟性更好。同時張弦梁結構的構件和節點的種類更少，方便相關構件的制作、加工以及運輸，從而加快施工速度和降低成本。

3.4 索桁結構

索桁張拉結構主要是將預應力作用在索體上，一般分為三種結構，即索穹頂、輪輻式和無內環索桁結構。預應力鋼索桁架的主要特征是用撐桿將承壓構件（如梁、拱）與抗拉構件（如弦線）相結合，以對抗截面彎矩。預加載索桁架主要由上弦、下弦和撐桿組成。上弦和撐桿為剛性構件，下弦為柔性桿。預應力索桁架根據布置特點分為平面和立體兩大類。

圖8 索穹頂結構

圖9 索桁結構示意圖

3.5 索拱結構

為改善拱結構的不足之處，將索與拱結合產生了一種新型的索拱組合結構，與純拱結構相比，索拱結構具有剛度大、承載力高以及拱腳水平推力較小等優點。索有三種不同的布置方式，分別為：弦張式索拱結構的布索方式、弦張式索拱、車輻式索拱結構的布索方式，索拱在靜載荷下的受靜力要好于純拱形，并且索拱結構在相同的剛度水平下比純拱結構更高[4]。

3.6 索網（膜）結構體系

索網是一種具有負曲率、相互正交、曲率相反的兩組纜索相互疊加而成的具有負曲率的彎曲表面。通常纜繩是由高強度鋼繩構成，它是利用纜繩的軸向作用力來抵御外部載荷的。索網結構能夠比較經濟地實現較大的跨度，目前已經成為大跨建筑的主要結構形式之一。由于其受力合理、造型多變、受力效率高、可顯著降低鋼材用量、容易達到綠色建筑發展的目的，因此在建筑結構中已廣泛應用。索網結構屋頂覆蓋材料若采用膜材，則形成索膜結構。

由中國鐵建國際集團承建的主持卡塔爾世界杯的盧塞爾體育場，便是世界上同類型索網體系中跨度最大、懸挑距離最大的索網屋面單體建筑。體育場頂部采用膜結構、屋面采用索網結構、墻壁使用V 柱、桁架以及墻布，然后屋頂和立面結構通過巨大的壓環連接在一起。屋頂部分采用索網和膜面系統組成。屋面膜結構面積達56300 平方米，是目前最大的膜結構。由于卡塔爾地處沙漠地區，常伴隨著風沙侵襲，屋面采用了高性能PTFE 聚四氟乙烯膜結構。

圖10 盧塞爾體育場俯視圖

3.7 整體張拉結構體系

整體張拉結構是一種由一組不連續的受力構件和一系列受拉構件構成的自平衡結構系統。張拉結構因其造型優美、結構輕盈、受力清晰等優點而受到人們的重視和重視。在此基礎上，提出了一種具有較好抗彎性的環狀張拉件，并得到了工程界的廣泛關注。在建筑物的前面和后面，可以形成一個環形的走廊，里面有一個內部的通道。作為張拉整體結構，在確定了節點的位置和拓撲關系后，首先要解決的問題是如何找到一個符合設計要求的初始預應力分布。具有預應力提供剛度，壓力位于拉力內部的特點。

4.大跨度空間結構的施工監測控制

現代大型鋼結構工程由于其施工過程龐大、復雜、施工方法和技術復雜，因此在施工中發生危險的可能性要高于普通建筑。但在現代大規模鋼結構施工中，一旦出現安全事故，其后果將極其嚴重，不僅經濟損失、人員傷亡，而且還會產生嚴重的社會影響[5]。在施工過程中，由于設計不合理，施工方法不合理，施工方法不合理，驗算不正確，材料質量或制作上的問題，施工過程中的不規范操作，都可能造成施工安全事故。

由于現代大型、復雜的鋼結構工程在施工階段的受力分析還不夠完善，為了保證其安全性和精確度，必須對整個施工過程進行監控，一旦發現問題，并采取相應的措施，以保證工程的安全、有序進行。施工監控是指利用技術手段對施工各個關鍵環節進行實時監控，并對施工中影響施工安全的各種因素的發展和變化狀況進行控制，以達到對施工質量和安全等方面的要求。

結語：

本文對大跨預應力鋼結構的施工工藝與系統作了簡要的介紹，并對其優缺點、適用條件等進行了分析，最后提出了大跨預應力鋼結構施工監控的基本方法。結合工程實例，論述了施工監控的主要內容與方法。同時，還闡述了大跨度預應力鋼結構施工管理中存在的問題及相應解決措施。最后以卡塔爾世界杯盧塞爾體育場為例，對大跨預應力鋼索網拱結構體系進行了詳細分析，闡述了施工監控的方法。本文還論述了工程項目管理方面的問題，對管理工作的要點做了具體講解、分析，為工程施工提供了參考依據。

大型空間鋼結構的施工工藝非常關鍵，其施工方案的合理、施工工藝的科學、安全、經濟都要得到保證。當前，我國某些大型空間鋼結構建筑已經從傳統的建筑方式向多學科、綜合化、高科技方向發展，對傳統建筑技術提出了空前的困難與挑戰。為此，廣大科研、設計、施工單位必須共同努力，研究開發新的、更科學的施工工藝，以適應日益增長的需求。