大跨度预应力张弦梁施工控制技术研究

大跨度预应力张弦梁施工控制技术研究

董志峰

中国电建市政建设集团有限公司， 253000

摘要：预应力技术是一门古老的工艺,很多世纪以前就在人们的生活中得到了广泛的应用。如撑伞和锚定帐篷时所采用的预张拉、木桶制造过程中“套箍”工序建立的预加压等。张弦梁结构是由刚性构件、柔性构件以及中间连以撑杆组成的一种新兴的空间结构形式。它通过几根受压杆( 撑杆) 将压弯构件( 梁、拱、桁架等) 和受拉构件( 钢索) 连接到一起，同时对索预加一定的拉力，预先使结构产生一定的反拱，待屋面荷载产生后，使结构基本恢复初始形状的一种预应力空间结构。张弦梁结构最大的优点就是可以施加预应力以产生反拱，使结构的最终挠度大大减小。

关键词：预应力；张弦梁施工；控制技术

现代预应力结构是利用高性能材料、现代设计理论和先进施工工艺进行设计、建造的高效结构。与非预应力结构相比,预应力结构不仅具有跨越能力大、受力性能好、使用性能优越、耐久性高、轻巧美观等优点,而且具有经济、节能的效果。对钢筋混凝上结构施加预应力,可以降低结构在使用状态下的截面应力峰值,使结构不开裂或减小裂缝宽度,并由于预应力反拱而降低结构的变形,从而改善结构的使用性能,提高结构的耐久性。此外,预应力钢筋混凝土结构相对于普通钢筋混凝土结构还具有自重小、跨越能力大、裂缝闭合性能与变形恢复性能好、抗剪承载力高等优点。大跨度张弦梁结构具有结构跨度大、节点构造复杂、施工精度要求高等特点。施工方法选择的好坏将直接影响工程质量、施工进度、施工成本等技术经济指标。

一、预应力张弦梁的分类

1、单向张弦梁结构。将数榻张弦梁平行布置,用连梁、擦条或钢索等连接构件将每相邻两棍平面张弦梁结构在侧向进行连接,即为单向张弦梁结构,如图所示。在单向张弦梁结构中,连接构件为各榻平面张弦梁提供侧向支撑,屋面荷载主要由各榻平面张弦梁结构单向传递,整体结构呈平面传力体系。若采用钢索作为侧向的连接构件,则需要对其施加预应力,而预应力的施加和锚固都是在高空进行,施工有些难度单向张弦梁结构与膜材结合时,两榻间膜的谷底深度受限制。虽然单向张弦梁结构有以上不足,但由于轻屋面单向张弦梁结构自重轻,各榻张弦梁结构需传递的荷载也不大,故所需的平面张弦梁结构的榻数相比传统平面重屋盖体系如平面析架体系所需的榻数少,并且单榻张弦梁结构相比析架节点少,所以整体结构具有构造简单、运输和施工较方便、造价低等优点。单向张弦梁结构若与膜材结合称为预应力张弦梁膜结构,在充分利用预应力张弦梁结构的受力优点的同时,因膜材直接铺设在张弦梁结构上,不必进行连接处理,膜面施工很方便,还有力流使膜面呈现的波状,也体现较强的现代感和造型美。预应力张弦梁膜结构追求受力合理、施工和运输方便、制造简单的结构为目标而构思出的新型屋盖结构体系。

2、双向张弦梁结构。双向张弦梁结构是将数棍张弦梁结构沿横纵向交叉布置组成的见图。由于撑杆对拱梁的作用力,拱梁竖向稳定性增强又因拱梁交叉连接,侧向约束相比单向张弦梁结构明显加强,结构呈空间传力体系但相比单向张弦梁结构节点处理变复杂。双向张弦梁结构为空间自平衡体系,可在地面安装完毕,整体吊装,就位。

3、多向张弦梁结构。多向张弦梁结构是将数棍平面张弦梁结构多向交叉布置而成，结构呈空间传力体系,受力合理,但相比单向、双向张弦梁制作更为复杂,较适于多边形平面。

4、张悬弯顶。以上结构,均是将数棍张弦梁结构按单向、双向、多向形成的,其中抗压弯构件均采用平面构件拱。从张弦梁结构的定义出发,抗压弯构件也可直接采用空间结构,如网壳、网架、实体板、实体梁等等,鉴于单层网壳为抗弯受压构件时称为张悬网壳的现状,将压弯构件为空间结构的张弦梁结构,即将空间结构、撑杆和高强索组合而成的杂交结构,称为张悬窍顶。张悬弯顶通过对索施加预应力,改善抗压弯构件上的应力分布,增强整体刚度,减小变形,提高抗屈曲性能,降低对边界条件的要求。

二、概况

该工程钢结构大跨度屋面采用钢-框混合结构，其中屋盖为钢结构，屋面采用弧形箱形预应力张弦梁结构，跨度达41．5m，张弦梁支承在安装 Q235B 级热镀锌方钢檩条，檩条上铺设穿孔铝合金薄壁钢板，上铺吸音棉、无纺布、80mm厚保温岩棉，中间张弦梁最大高度为21.5m。屋盖主要由箱形梁及连系檩条、斜撑组成，其中榀箱梁下弦设有钢管索拉杆，与上弦刚性箱梁及撑杆组成大跨度组合钢结构。端头箱形梁下每榀设有承重钢柱支撑，与玻璃幕墙抗风柱一起构成围护结构的基架。带钢管拉杆的箱形梁弧形上拱，单箱梁截面600mm × 300mm，箱形梁板厚度最厚18mm，腹板内设加密格板。箱梁上端在标高 + 21．88m 位置搁在滑动支座上，下端连接。每榀箱形梁下有 φ70mm 镀锌钢索为柔性下弦，箱形梁下端φ159mm 铰接连接支撑杆与φ70mm 镀锌钢索相连，形成单榀张弦梁，檩条位于双榀主钢梁之间，其长度为4.2m，固定箱形梁上部 300mm 处，与箱形梁焊接连为一体，形成刚性屋面单元，保证箱梁平面外稳定。每两个轴线三榀箱梁为一稳定体单元，每一稳定体单元与另一稳定体单元连续连接组成钢屋面。主箱梁支承在钢柱上，钢柱上端与箱形梁均为铰接连接，箱形梁一段为铰接支座，一段为铰接抗滑移支座。施工前对工程进行详尽的深化设计，包括撑杆的节点、连接径向钢索的中央刚性环节点以及张拉端节点，张拉端节点一定要考虑张拉工装的布置空间。根据工程结构特点，淘汰了近地拼装、旋转就位法、就位拼装法等施工方案，最终采取“胎架支撑、分段构件高空原位拼装、单元滑移”方案进行钢屋盖安装。

（1）张弦梁拼装。按箱梁预拱后的尺寸进行钢构件的分段制作并进行工厂预拼装，验收合格后运至现场。组装顺序从轴推进; 组装完成后在地面组装胎架上完成张弦梁的第一次张拉。根据张弦梁上弦拱架的分段和分段点布置确定拼装胎架的设计和布置。为了提高张弦梁的拼装精度，保证使张拉不受影响，同时考虑到胎架在张拉过程中因主桁架水平移动的影响，以及便于张拉索的地面安装、便于张弦梁在张拉完毕后起吊等因素，钢架横梁的上端搁置可调节高度和平面度的管托。拼装胎架过程中，在断开面设置空档，预留足够的焊接空间。焊工应该通过临时平台将对接口下面进行焊接，保证施工安全。为了确保张弦梁原始状态的弧度与设计相符，胎架支点的标高测量控制要满足设计标高的要求。就位前，依据张弦梁分段点设置标高、轴线通过垫置胎架，使标高基本达到设计位置，就位后对不满足要求的进行微调。就位过程中注意对接口的间隙和标高进行控制，保证分段点位置处于胎架中心。在调整校正完毕后进行焊接，焊接接口需要打磨光滑过渡。

（2）张弦梁吊装。张弦梁跨度达 41．5m，根据场地及土建等施工情况，所有张弦梁吊装采用双机抬吊安装成滑移单元。本工程采用120t 汽车吊分别站位于 轴线外双机抬吊到滑移位置，然后安装张弦梁之间的撑杆及檩条，使之形成刚性框架。张弦梁拼装完成并且第一次张拉完毕后利用120t 汽车吊进行抬吊，抬吊后直接放置在混凝土梁顶的滑移轨道上。由于张弦梁过长，在没有形成空间结构单元之前，需保证单榀张弦梁的稳定: 即事先在张弦梁的不同部位设置揽风绳，在张弦梁就位后立即对张弦梁进行固定。第一榀张弦梁固定好后，进行第二榀张弦梁的吊装、就位和加固，并及时对张弦梁之间的支撑体系进行连接。当两榀张弦梁及中间的支撑体系和檩条等全部连接安装完毕，检查确认各个细部环节没有安全隐患后，便可以将此张弦梁单元组向前滑移到设计位置，再进行下一榀张弦梁的吊装就位。

（3）张弦梁滑移设置。本工程采用“分段滑移”施工方法，吊装完成一个张弦梁滑移单元后，必须及时整体滑移，以便开始下一组滑移单元的吊装。滑道在整个水平牵引中起承重、导向和横向限制滑板水平位移的作用，滑道沿轴框架梁布置。由于基础预埋锚栓高出混凝土柱梁，须先架设钢梁进行找平。采用 H 型钢梁 H200 × 220 × 8 ×16 作为找平钢梁，采用槽钢作为滑道，滑块焊接在张弦梁柱脚板底部，每一滑移单元共设置 4 块滑块。制作滑块时滑块与滑槽之间每边留有 25mm 间隙，避免滑块在滑槽内受阻，滑块与滑槽接触面的部位在加工时磨成圆弧形，借此减小滑块与滑槽间的接触面积来降低滑移摩擦阻力。见图。

牵引设备的取用一个滑移单元总重约 32t，总起动牵引力 Pt ≥ Q×f ×1.6 ，其中: Q 为滑移单元总自重; f 为滑动摩擦系数，钢与钢之间不涂润滑剂时取 0．15，涂润滑剂时取 0．11～0．12。为了保证牵引的顺利进行，克服滑道变形、焊点位置加大阻力等因素，实际总启动牵引力取计算值的1.6 倍。加润滑油时总启动牵引力 Pt = 32 × 0．11 ×1．6 = 5．64t。 通过计算，本工程选择在滑道内加入润滑油，滑移牵引力须大于 5．64t。

（4）拉索安装。 ①拉索目测检查:索体表面索头防腐层是否有破损; ②与拉索连接的节点检查: 节点的安装到位，与拉索连接的构件应稳定可靠; ③对索头调节装置等部位涂适量黄油润滑，以便拧动调节装置; ④为方便工人施工操作，事先搭设好安全可靠的操作平台、挂篮等; ⑤人员正式上岗前进行技术培训与交底，并进行安全和质量教育。⑥在正式使用前对施工设备进行检验、校核并调试，确保使用过程中万无一失。 拉索安装顺序随钢结构拼装过程的进行，依次安装拉索; 拉索安装前，先测量索端实际距离，以考虑结构安装偏差，调整索长。钢丝束拉索开盘在放索过程中，因索盘绕产生的弹性和牵引产生的偏心力，索开盘时产生加速，导致弹开散盘，易危及工人安全，因此开盘时注意防止崩盘，在开盘拉索展开过程中外包的防护层不除去，仅剥去索夹处的防护，在牵引索安装索球张拉索的各道工序中，均注意避免碰伤、刮伤索体。拉索张拉顺序待屋面钢构主体安装完成，张弦梁上弦、纵向次梁、拉索安装完成，屋面交叉撑杆、纵向稳定索、檩条及屋面其他构件安装之前，进行张弦梁拉索张拉。

（5）张弦梁预应力张拉。每一滑移单元滑移至设计位置后，检查各部位的尺寸符合设计要求后，即可在每一根张弦梁外侧利用钢支撑作为支点，采用千斤顶将整个滑移单元顶起，然后拆除下面的滑块装置、滑槽及滑移 H 钢梁，然后将上部结构降至设计标高就位。正式张拉前，通过软件计算将预应力张拉过程中对原结构的变形、稳定性等影响进行仿真模拟，经计算分析，确定每个张拉阶段的主要控制点和相应的理论数值，得出每一步张拉各榀之间相互影响的关系和规律，形成完整的张拉和监控方案，对张拉过程中可能出现的差异情况，编制合理应急预案。每榀张弦梁在地面组装完成后，进行第一次张拉到设计张拉力的 30% ，并进行吊装和单榀滑移。整体结构滑移到位，并且檩条安装完成后，进行第二次张拉，张拉过程中采取对称分批张拉完成。

预应力设备选用。采用软件进行施工仿真计算分析，拉索最大张拉力为 15t 左右，应配置23t 千斤顶，第二次张拉施工时，需要张弦梁两端同时张拉，即 4 套张拉设备同时使用。张拉设备采用预应力钢结构专用千斤顶和配套油泵、油压传感器、读数仪。

预应力控制参数。进行预应力张拉时采用“索力控制为主，伸长值控制为辅”双控原则。预应力钢索张拉完成后，施工人员及时进行测量校对，发现异常状况，应暂停施工，分析原因，采取纠偏措施，待问题解决后再继续张拉。

张拉力及张拉顺序。根据设计要求的预应力钢索张拉控制应力取值，并进行钢索伸长值计算，钢索各步张拉力及伸长值如表所示。

张弦梁安装完成后，进行第一次张拉，张拉力值见表进行第二次张拉过程中，结构变形和钢结构应力不能过大，以保证整体张拉过程的安全。

张拉监控。预应力张弦梁张拉时进行全过程监测控制，提高工程施工安全性。全民健身中心工程施工中主要从钢索张拉力和伸长值控制、钢结构应力控制、结构变形控制采取控制措施。根据设计要求，图纸给定的张弦梁位形是屋面恒荷载和全部预应力施加后正常使用的几何形态，即在拉索等效预张力和结构恒荷载共同作用下，结构的跨中竖向位移、单向滑动端支座沿滑动方向的位移接近零，所以设计图纸给出的状态即为“恒荷载初始态”。在每根拉索张拉结束索力达到控制索力时都进行频率仪复核，并进行跟踪记录。采取钢索张拉力控制为主，钢索伸长值控制为辅措施。主要通过油压传感器的数据获得钢索张拉力值，张拉施工完成后，钢索张拉力和钢索伸长值都在理论计算张拉力和伸长值 5% 以内，满足要求。监测钢结构应力控制和结构变形控制是工程张拉施工过程的辅助监测手段。选择钢结构应力较大的杆件，使用振弦应变计监测其应力变化，每榀张弦桁架中间选择一点，进行变形监测控制，使用水准仪监测钢结构竖向变形，实际监测结果跟理论计算数据一致。

（6）结构变形控制。结构变形控制主要控制的是钢梁竖向位移量和滑动支座的水平位移量，为使钢梁变形得到更有效控制，将每根索张拉过程分为，每级张拉到位后利用全站仪进行位移量监测，待全部拉索张拉结束 24h 后进行张拉成型态位移复测。根据 MIDAS 软件的模拟分析，张拉成型态的理论位移量分别如表所示。

初始态下钢屋盖最大跨中竖向位移为往上 2. 80mm，出现第一榀跨中处，位移值接近零，与计算理论基本吻合，最大滑动支座水平位移为内缩 12. 80mm，出现在第二榀滑动端支座处，张拉成型态下钢屋盖最大跨中竖向位移为上拱 73mm，最大滑动支座水平位移为内缩 16mm，张拉过程中跨中竖向位移及滑动支座水平位移，张拉过程中钢梁最大跨中竖向位移为上拱 + 65. 90mm，出现在第一榀跨处。最大滑动支座水平位移为内缩15. 51mm，出现在第二榀桁架的滑动支座处。

该工程采用大跨度张弦梁结构提高了建筑结构的稳定性和可靠性，大大降低了用钢量和施工成本，具有良好的发展前景。

参考文献：

［1］ 郭正兴，罗斌．大跨空间钢结构预应力施工技术研究与应用—大跨空间钢结构预应力技术发展与应用综述［J］． 施工技术，2019，40( 9) : 18．

［2］郭剑飞．大跨度预应力悬索钢结构施工技术［J］．施工技术，2019( S1) : 17．

［3］杨石杰，马福宪． 大跨度张弦梁新型结构施工技术［J］． 建筑施工，2018，32( 10) 15．

［4］刘晟，薛伟辰． 大跨度预应力张弦梁施工控制技术研究［J］． 建筑结构，2019，39( 5) : 49-53．

［5］徐建凯． 预应力张弦梁结构的施工过程控制研究［J］．江苏建筑，2019( 3) : 66-67．

作者简：董志峰，1984年5月出生，性别男，汉族，籍贯山东省德州市，学士学位，职位项目工程部主任，职称中级工程师，研究方向为现代土木工程建设施工技术。