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(jié)構(gòu)是一種區(qū)別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的新型雜交屋蓋體系，主要由剛性構(gòu)件上弦、柔性拉索及中間的撐桿連接組成。國內(nèi)外對張弦梁結(jié)構(gòu)的力學研究已有20余年，2007年，趙憲忠等[1]對張弦梁結(jié)構(gòu)張拉過程中的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行分析，文中均探討了張拉力與結(jié)構(gòu)變形的關(guān)系，張拉力作用導致結(jié)構(gòu)水平跨度縮小、整體上拱和撐桿傾斜等。張弦梁雖然結(jié)構(gòu)體系簡單，但預應力結(jié)構(gòu)從拼裝到張拉完成，要經(jīng)歷多階段受力狀態(tài)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)，同時，進行多階段受力施工仿真計算校核及索力和鋼管結(jié)構(gòu)監(jiān)測，保證加工與安裝構(gòu)件形態(tài)，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(fā)中心A3樓為型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)，中央中庭大跨、大空間屋頂采用張弦梁結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 張弦梁結(jié)構(gòu)軸測圖

屋面鋼結(jié)構(gòu)部分平面尺寸約為39 m×21 m，結(jié)構(gòu)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(tǒng)計

2 施工技術(shù)特點與難點

2.1 施工技術(shù)特點

1）鋼拉桿施工全過程的技術(shù)參數(shù)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(jù)現(xiàn)場技術(shù)參數(shù)分析而確定，做好技術(shù)準備，從而控制現(xiàn)場施工質(zhì)量。

2）根據(jù)技術(shù)方案確定鋼拉桿的施工方法。確認鋼拉桿的技術(shù)參數(shù)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(jié)構(gòu)施加了一個預應力，此時結(jié)構(gòu)會發(fā)生變形，因此構(gòu)件在張拉前應充分考慮張拉變形的影響，按照設計狀態(tài)反推張拉前的結(jié)構(gòu)狀態(tài)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接影響，甚至可導致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，因此應根據(jù)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(jiān)測手段。為保證結(jié)構(gòu)的安全，在鋼拉桿張拉的整個過程中，需對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移變化進行實時監(jiān)控，確保結(jié)構(gòu)始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，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(jié)構(gòu)形式比較特殊，無法通過常規(guī)經(jīng)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(jù)計算指導施工。

2）構(gòu)件的加工精度控制是本工程的難點，因為設計狀態(tài)為張拉后的最終狀態(tài)，而加工狀態(tài)需要根據(jù)計算確定張拉前的結(jié)構(gòu)狀態(tài)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(xiàn)場要求，才能在鋼拉桿張拉后，實現(xiàn)設計要求的狀態(tài)。

3 張弦梁加工形態(tài)研究

3.1 拉索內(nèi)力設計

本工程14榀張弦梁，每榀張弦梁拉索內(nèi)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(jù)設計姿態(tài)圖紙及拉索內(nèi)力反算出結(jié)構(gòu)的加工形狀，從而確保張弦梁結(jié)構(gòu)在張拉完成后的幾何形態(tài)與設計姿態(tài)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(tài)即加工形態(tài)，然后按照拉索內(nèi)力，對初始狀態(tài)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(tài)即施工完成后形態(tài)的模型。將該模型與設計姿態(tài)模型進行比對，若2個模型基本吻合，即可認為該初始狀態(tài)滿足要求，可按此狀態(tài)進行加工；若2個模型相差超過一定范圍，即對初始狀態(tài)模型進行調(diào)整，再重新進行計算，直至得到的最終狀態(tài)模型與設計姿態(tài)模型基本一致即可。

3.3 張弦梁形變計算

張弦梁結(jié)構(gòu)自重＋預應力＋屋面恒載拉索內(nèi)力最大值為79.2 kN，最小值為59.6 kN；結(jié)構(gòu)自重＋預應力下拉索內(nèi)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(jù)設計圖紙給出的索力賦予初拉力。經(jīng)計算，得出每榀張弦梁水平位移及豎向位移數(shù)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(shù)值得到一個初始狀態(tài)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(jù)論證的初始狀態(tài)模型起不同數(shù)值的反拱，對兩側(cè)鋼柱加工時根據(jù)水平跨度位移的計算預傾斜不同數(shù)值的角度等措施。

4 施工方案及主要技術(shù)措施

4.1 預應力鋼索制作

預應力鋼索及節(jié)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(yè)生產(chǎn)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(xiàn)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(jù)監(jiān)測結(jié)果局部進行張拉調(diào)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(xiàn)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(nèi)將索體纏繞成盤，到現(xiàn)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(chǎn)生的偏心力，索盤轉(zhuǎn)動時會使轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生加速，導致散盤，危及工人安全，因此對轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)端將鋼拉桿長度調(diào)節(jié)為設計長度。第2步，將一根張弦梁兩端鋼拉桿叉耳端調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié)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(jiān)測記錄。張拉過程中對鋼結(jié)構(gòu)的變形及應力變化進行實時監(jiān)測，形成文字資料以方便后期進行相關(guān)分析。

4.3.4 張拉質(zhì)量控制方法和要求

1）鋼構(gòu)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(jié)果對設備進行調(diào)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(wěn)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(jié)構(gòu)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(xiàn)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(wěn)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?？刂茝埨接?個步驟。

1）在鋼拉桿張拉前調(diào)整鋼拉桿兩頭的調(diào)節(jié)量，控制2榀鋼拉桿的調(diào)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(diào)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(jù)測量結(jié)果確定是否需要對張拉值進行調(diào)整。如需調(diào)整，需根據(jù)計算模型確定調(diào)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(diào)整力值，需經(jīng)過計算模型確定張拉調(diào)整方案，避免私自張拉對整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響。

4.6 形態(tài)驗證

施工完成后，對每榀張弦梁的精度進行復測，將測量數(shù)據(jù)與設計形態(tài)進行對比。經(jīng)對比，張弦梁施工完成后的施工形態(tài)與設計形態(tài)最大誤差2 mm，滿足規(guī)范要求，驗證了施工仿真模擬計算對反推結(jié)構(gòu)加工形態(tài)的可行性及準確性。

5 結(jié)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(tài)模型進行修正，施加預應力進行計算，得到與設計姿態(tài)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(tài)下結(jié)構(gòu)的變形數(shù)值，將該數(shù)值作為預應力分析法中初始狀態(tài)模型的重要依據(jù)，從而保證張弦梁結(jié)構(gòu)在張拉并安裝完成后與設計姿態(tài)保持一致。大跨度張弦梁鋼拉桿預應力施工技術(shù)在本工程的成功應用，為同類結(jié)構(gòu)的安裝提供了一種新的思路，可供今后類似工程參考。