平面張弦梁結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究

       摘要：隨著經(jīng)濟(jì)、科技的快速發(fā)展，國內(nèi)外建造了很多大型的建筑結(jié)構(gòu)。由于自身的優(yōu)點(diǎn)，張弦梁結(jié)構(gòu)作為一種張拉大跨度空間結(jié)構(gòu)被用于越來越多的大型建筑。本文結(jié)合張弦梁結(jié)構(gòu)自身的一些特點(diǎn)和對其它大跨度空間結(jié)構(gòu)施工技術(shù)，對預(yù)應(yīng)力張弦梁結(jié)構(gòu)在施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。

　　關(guān)鍵詞：張弦梁，施工技術(shù)，支撐

　　由日本教授M.Saitoh于80年代提出的張弦梁結(jié)構(gòu)是一種新型雜交屋蓋結(jié)構(gòu)形式，是通過撐桿將拱(梁)和索雜交而成。它充分發(fā)揮了拱型結(jié)構(gòu)的受力優(yōu)勢同時(shí)充分利用索材的高抗拉強(qiáng)度，使結(jié)構(gòu)集受力合理、施工快捷、形式簡潔、造型新穎等眾多優(yōu)點(diǎn)于一身。由于自身的優(yōu)點(diǎn)，張弦梁結(jié)構(gòu)作為一種張拉大跨度空間結(jié)構(gòu)被用于越來越多的大型建筑。顧名思義，這種結(jié)構(gòu)最初是由“將弦進(jìn)行張拉，與梁組合”這一基本形式而得名，隨著對這種結(jié)構(gòu)體系的深入研究和理解，又出現(xiàn)了一些其他形式，但各種形式的張弦結(jié)構(gòu)在組成上具有共同特點(diǎn)那就是均通過撐桿連接抗彎構(gòu)件（如梁，拱）和抗拉構(gòu)件（如索），通過在抗拉構(gòu)件上施加預(yù)應(yīng)力，減輕壓彎構(gòu)件負(fù)擔(dān)的自平衡體系。

　　一、引言

　　較大跨度的預(yù)應(yīng)力張弦梁結(jié)構(gòu)在施工過程中表現(xiàn)出諸多技術(shù)和力學(xué)問題，主要包括：

　　1.索端節(jié)點(diǎn)部位厚板與鑄鋼件的焊接；

　　2.張弦梁在吊裝及吊裝過程中結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的穩(wěn)定性計(jì)算；

　　3.設(shè)置臨時(shí)支撐的最佳布置及對結(jié)構(gòu)安全的影響；

　　4.拆撐過程中的安全問題及計(jì)算；

　　5.結(jié)構(gòu)的成型問題及計(jì)算；

　　6.結(jié)構(gòu)的整體提升方法及設(shè)計(jì)計(jì)算；

　　7.對結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的實(shí)時(shí)監(jiān)測等。

　　二、平面張弦梁制作工程中的索端節(jié)點(diǎn)部位厚板與鑄鋼件的焊接

　　對焊縫進(jìn)行分類，重點(diǎn)攻克鑄鋼件與80鋼板坡口節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及焊接工藝要求，焊接材料選擇，采用CO2半自動氣體保護(hù)焊的方法，編制合理的焊接程序，控制焊接變形和消除焊接應(yīng)力，成功的解決了鑄鋼件與80厚鋼板焊接的難題；并且在不采用“伽馬源”檢測的情況下，采用超聲波和X光拍片分層的探傷工藝，對出廠焊縫進(jìn)行了100%無損檢測，保證了焊接質(zhì)量。

　　三、結(jié)構(gòu)構(gòu)件吊裝過程分析

　　3.1吊點(diǎn)的選擇及原則

　　在決定張弦梁結(jié)構(gòu)的吊裝方案時(shí)，吊點(diǎn)的選擇和吊點(diǎn)的分布是首先要考慮的問題。例如一平直的簡支梁結(jié)構(gòu)，要將其吊裝到設(shè)計(jì)標(biāo)高與兩柱頭連接，其吊點(diǎn)的選擇和吊點(diǎn)的分布要保證起吊后的梁在自重作用下兩端的軸向相對變形等于或接近零，這樣吊裝到設(shè)計(jì)位置的梁就能準(zhǔn)確的就位，不會超長也不會縮短。依據(jù)這個(gè)原則，吊點(diǎn)的選擇要滿足下面兩條：

　　1.吊件兩端的軸向相對變形等于或接近零

　　2.吊件的變形和彎矩分布比較均勻，且數(shù)值最小

　　這樣可以最大限度的保證吊裝過程的安全進(jìn)行。如果吊件的截面沿軸向是變化的或結(jié)構(gòu)自重分布不均勻，則吊點(diǎn)的選擇按上述原則通過有限元結(jié)構(gòu)分析軟件計(jì)算確定。一般情況下，吊繩與吊件軸線之間有一定的夾角(通常在45~60)，吊繩水平分力會對構(gòu)件產(chǎn)生軸向壓力，計(jì)算時(shí)要考慮到它們的影響。

　　3.2平面外的屈曲分析

　　在制定吊裝方案時(shí)，確定吊點(diǎn)及其分布，對于張弦梁結(jié)構(gòu)僅憑經(jīng)驗(yàn)是不夠的，必須通過必要的分析和計(jì)算才能確定。最重要的是在起吊過程中，結(jié)構(gòu)在保證平面內(nèi)穩(wěn)定條件下，不發(fā)生平面外失穩(wěn)。平面內(nèi)穩(wěn)定主要是驗(yàn)算上弦構(gòu)件的局部失穩(wěn)或強(qiáng)度破壞。平面外失穩(wěn)是一個(gè)整體失穩(wěn)破壞，與吊點(diǎn)的多少和分布有密切關(guān)系。吊點(diǎn)愈多，愈不會發(fā)生平面外失穩(wěn)。當(dāng)張弦梁結(jié)構(gòu)的上弦為桁架結(jié)構(gòu)時(shí)，平面外整體穩(wěn)定計(jì)算是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，可把桁架模擬成實(shí)腹式構(gòu)件進(jìn)行簡化分析，也可應(yīng)用ANSYS有限元軟件計(jì)算其平面外特征值，來評價(jià)結(jié)構(gòu)平面外的穩(wěn)定性能。

　　四、臨時(shí)支撐和永久支撐的相互作用

　　4.1拆撐過程的關(guān)鍵問題

　　大多數(shù)結(jié)構(gòu)都存在結(jié)構(gòu)安裝完畢后，臨時(shí)支撐拆除的問題，簡單的稱為拆撐過程。對拆撐過程而言，有三大組成要素：永久結(jié)構(gòu)、臨時(shí)結(jié)構(gòu)和千斤頂。相對于安裝過程而言，永久結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成一個(gè)整體，剛度較大，同時(shí)相對于使用期荷載而言，結(jié)構(gòu)在拆撐過程中的安全儲備較大，但是由于拆撐造成的內(nèi)力重分配會對結(jié)構(gòu)的局部受力產(chǎn)生較大的影響，因此永久結(jié)構(gòu)在拆撐過程中的分析也是一個(gè)關(guān)鍵的問題。

　　對臨時(shí)結(jié)構(gòu)而言，同樣存在和永久結(jié)構(gòu)面臨的拆撐過程中內(nèi)力重分配對結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件產(chǎn)生的影響較大的問題。拆撐的方案也直接影響臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。同時(shí)支撐的剛度會對拆撐過程中永久結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。因此對這些問題都必須給予很高的重視。

　　拆撐過程通常也是千斤頂卸載的過程。當(dāng)千斤頂布置較多時(shí)，卸載只能分批進(jìn)行。這樣先行卸載的千斤頂荷載會轉(zhuǎn)移到其它千斤頂上，從而對后卸載的千斤頂?shù)陌踩�性分析就顯得非常重要。因此拆撐過程中，永久結(jié)構(gòu)的安全性分析、臨時(shí)結(jié)構(gòu)的安全性分析、臨時(shí)結(jié)構(gòu)和永久結(jié)構(gòu)的相互作用分析及千斤頂?shù)陌踩�性分析就�?gòu)成了拆撐過程的關(guān)鍵性問題。

　　4.2臨時(shí)結(jié)構(gòu)對永久結(jié)構(gòu)作用的安全性分析

　　設(shè)置臨時(shí)支撐幾乎是所有大跨度鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中必然要遇到的問題，但臨時(shí)支撐柱的存在，從結(jié)構(gòu)的整體講是改善了其受力性能，但也改變了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)受力狀態(tài)，可能造成臨時(shí)支撐點(diǎn)處及附近區(qū)域的內(nèi)力加大，引起安裝過程中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。

　　在有臨時(shí)支撐的情況下，拱腳的水平推力和豎向反力將大大的降低。但在臨時(shí)支撐柱頂附近的桁架構(gòu)件，其內(nèi)力分布與設(shè)計(jì)狀態(tài)則完全不同，必須進(jìn)行驗(yàn)算以確保結(jié)構(gòu)在增加臨時(shí)支撐后的安全。如果拿掉臨時(shí)支撐，拱腳的水平推力和豎向反力將大大的加大。

　　4.3拆撐過程中永久結(jié)構(gòu)和臨時(shí)結(jié)構(gòu)的相互作用分析

　　在結(jié)構(gòu)成型過程中，必然要設(shè)置一些臨時(shí)支撐。待全部構(gòu)件安裝就位后，就得拆掉所有的臨時(shí)支撐。拆除臨時(shí)支撐的過程，是結(jié)構(gòu)受力逐漸轉(zhuǎn)移和重分布的過程。拿掉最后一根臨時(shí)支撐后，即結(jié)構(gòu)完全進(jìn)入設(shè)計(jì)狀態(tài)。

　　五、平面張弦梁(柔性)結(jié)構(gòu)的成形問題

　　預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)大跨度和超大跨度結(jié)構(gòu)的最好形式之一。通過給結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，可以調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力幅值并改善結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，進(jìn)而達(dá)到提高結(jié)構(gòu)剛度的目的。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的施工聯(lián)系十分的緊密。

　　預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)可分為兩種形式：一是完全由預(yù)應(yīng)力提供結(jié)構(gòu)剛度的結(jié)構(gòu)形式，如索穹頂、索網(wǎng)結(jié)構(gòu)等；另一種是預(yù)應(yīng)力增加結(jié)構(gòu)剛度的形式，如張弦梁結(jié)構(gòu)、弦支穹頂結(jié)構(gòu)等。前一種的施工過程是由機(jī)構(gòu)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)的過程，由于結(jié)構(gòu)剛度柔性，必須考慮幾何非線性的影響。第二種形式屬于混合結(jié)構(gòu)形式，可以參照常州體育館的分析方法。

　　對于索穹頂結(jié)構(gòu)和張拉整體結(jié)構(gòu)及膜結(jié)構(gòu)等典型的空間張拉結(jié)構(gòu)體系，其成型方法及計(jì)算是這些結(jié)構(gòu)施工過程中的主要問題。這些結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力在施工過程中存在很大的相關(guān)性，因此使施工預(yù)應(yīng)力和設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力完全符合存在很大的難度。因此合理的預(yù)應(yīng)力施加順序和結(jié)構(gòu)成形順序?qū)�極大的改進(jìn)這些結(jié)構(gòu)的施工效果。

　　六、結(jié)構(gòu)整體提升設(shè)計(jì)及計(jì)算

　　近年來，大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工整體提升項(xiàng)目愈來愈多，如北京西客站巨型桁架、北京首都國際機(jī)場四機(jī)位庫、上海大劇院、深圳市民中心、廣州新白云國際機(jī)場10號機(jī)庫、澳門多功能體育館主桁架等。在提升過程中，應(yīng)重點(diǎn)解決兩個(gè)問題，一是被提升的結(jié)構(gòu)和提升柱不應(yīng)該遭受損傷和破壞，二是提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算。一般情況下，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)對提升系統(tǒng)提出要求，并驗(yàn)算結(jié)構(gòu)及提升柱的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

　　整體提升過程可分為三個(gè)階段，第一階段是結(jié)構(gòu)脫離胎架，第二階段是結(jié)構(gòu)勻速提升，第三階段是結(jié)構(gòu)落位。很顯然，首末兩個(gè)階段比較重要，它直接涉及到提升力的大小變化對提升柱與結(jié)構(gòu)安全的影響，因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)脫離胎架和落位的過程中，提升點(diǎn)離開胎架和結(jié)構(gòu)落到設(shè)計(jì)標(biāo)高的先后順序會引起提升力的較大變化，可以形象把這兩個(gè)階段比喻為飛機(jī)的起飛和降落，而第二階段可比喻為飛機(jī)的平穩(wěn)飛行。

　　在脫離胎架階段.為了安全起見可以選擇逐步小行程循環(huán)提升的原則，可以選擇提升力小的點(diǎn)優(yōu)先提升，最后再提升提升力大的點(diǎn)。不過，在落位階段，先落提升力大的點(diǎn)，再落提升力小的點(diǎn)，落位與提升過程正好相反。

　　為了防止在提升過程中由于提升點(diǎn)不同步對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的影響，需進(jìn)行不同步驗(yàn)算。各提升點(diǎn)位移差的出現(xiàn)會使結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)發(fā)生改變，因此需要計(jì)算在可能出現(xiàn)的位移差的情況下的結(jié)構(gòu)的受力情況，以確保提升過程中結(jié)構(gòu)安全可靠。

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