大跨张弦梁结构施工控制与数值模拟

杨国栋

(山西中条山工程设计研究有限公司铜城设计院，山西垣曲 043700)

0 引言

张弦梁结构作为大跨度轻型结构的一个重要分支，因其独有的特点与优势，已经成为高速铁路客站中应用最为广泛的结构形式之一。高速铁路站房由于受自然风和高速列车风的作用以及站房和雨篷对其的遮挡效应，可能对建筑物的局部产生较为强烈的荷载作用，改变结构的受力性能并引起结构振动，对结构产生不利的影响。因此，多数高铁站房建筑采用开敞式的站场设计，当高速列车和自然风过站时，采用无柱张弦梁结构体系的雨篷下方空间较为开敞，气流容易扩散，从而得到较为广泛的应用。

日本大学的M.Satioh［1］教授通过对张弦梁进行了线性分析和试验研究，总结出了BSS(Beam String Structure)的实际施工过程以及预应力的施加方法，但文献中未涉及到具体的理论分析内容，只给出了理论计算的结果，对初学者有一定难度。文献［2］通过改变张弦梁的上弦梁形成另一种张弦梁结构Hybrid String Structure(HSS)，文献中主要分析了HSS中索的作用、索中需要施加的预应力取值以及HSS在工程实践中的应用情况。文献［3］对张弦梁结构进行了系统的理论分析和试验研究，采用几何非线性有限元法建立了该类结构的力学分析模型，并编写了相应计算程序。浙江大学的董石麟、陈荣毅等通过对广州国际会议展览中心工程中的张弦梁结构的施工过程进行研究［4，5］，所做工作如下:对张弦钢桁架梁在各基本荷载作用下的内力及变形进行数值计算分析，并最终确定了施加预应力的施工方案，利用有限元软件ANSYS建立了张弦钢桁架梁的线弹性模型，并对张弦钢桁架梁进行了张拉屈曲分析;东南大学的李维滨，高飞，施骏等通过对哈尔滨国际会展体育中心工程中的张弦梁结构的施工过程进行细致深入的研究［6，7］，提出了针对工程应用的简化计算方法，结合数值模拟，制定合理的施工方案。

1 张弦梁吊装施工

1.1 吊点设置

采用四条φ42的钢丝绳四点捆扎法起吊张弦梁，直接捆绑于梁弦杆处，其中端部这边两根钢丝绳配备两个10 t倒链调节桁架起吊时的角度平衡，并用钢管护套垫钢丝绳，以防与梁接触的直角边剪切力过大破坏钢丝绳，另配四个15 t卸扣。具体点设置如图1所示。

1.2 张弦梁吊装施工细部流程

第1步:使用四台150 t履带吊分别吊装第③，⑭轴线南侧和北侧V形柱，柱脚锚栓固定(柱脚本身为全刚节点);第2步:使用四台150 t履带吊分别吊装第④，⑬轴线南侧和北侧V形柱，柱脚锚栓固定;第3步:使用四台150 t履带吊分别吊装第③～④，⑬～⑭轴线北侧 V形柱顶拉梁;第4步:同第2，第3步骤安装⑤，⑫轴线V形柱及相应柱顶拉梁，吊机仍采用150 t履带吊机。在南，北侧分别使用两台250 t履带吊机吊装第④，⑬轴线第一榀张弦梁，并进行梁与柱连接及梁与梁空中对接焊;第5步:同前4步骤安装⑥，⑪轴线V形柱及相应柱顶拉梁。在南、北侧分别使用两台250 t履带吊机吊装第④，⑬轴线第二榀张弦梁，并进行梁与柱连接及梁与梁空中对接焊，同时使用站台上四台25 t汽车吊安装部分支撑檩条;第6步:同第5步骤安装完第⑦，⑩轴线V形柱及相应柱顶拉梁。同第5步骤安装完第⑤，⑫轴线第一榀上弦梁及部分檩条支撑。利用使用站台上另外四台25 t汽车吊安装完第④，⑬轴线第一榀张弦梁的下弦拉索及腹杆;第7步:同第6步骤安装完第⑧，⑨轴线V形柱及相应柱顶拉梁，所有V形柱安装完毕。同第6步骤安装完第⑤，⑫轴线第二榀上弦梁及部分檩条支撑。同第6步骤安装完第④，⑬轴线第二榀张弦梁的下弦拉索及腹杆;第8步:南、北侧各两台150 t履带吊机开始吊装墙梁、墙面支撑等墙面系统构件。同第7步骤安装完第③，⑭轴线第一榀上弦梁及部分檩条支撑。同第7步骤安装完第⑤，⑫轴线第一榀张弦梁的下弦拉索及腹杆。同时利用四台25 t汽车吊机安装第④，⑬轴线檩条系统;第9步:南、北侧各两台150 t履带吊机继续吊装墙梁、墙面支撑等墙面系统。同第8步骤安装完第③，⑭轴线第二、三榀张弦梁及部分檩条支撑。同第8步骤安装完第⑤，⑫轴线第二榀及第③，⑭轴线第一榀张弦梁的下弦拉索及腹杆。同第8步骤安装完第⑤，⑫轴线檩条系统;第10步:同第9步骤安装完成站房雨篷所有墙面系统构件。同第9步骤安装至第⑦，⑩轴线第二上弦梁及部分檩条支撑。同第9步骤安装至第⑥，⑪轴线第二榀张弦梁的下弦拉索及腹杆。同第9步骤安装至第⑥，⑪轴线檩条系统;第11步:同第10步骤安装完张弦梁所有主体结构。同第10步骤安装至第⑦，⑩轴线檩条系统。南、北各一台120 t汽车吊开始吊装南、北门厅结构;第12步:同第11步骤安装完成所有檩条系统。南、北各一台120 t汽车吊继续吊装南、北门厅结构;第13步:同第12步骤门厅结构吊装完成。所有钢结构安装完毕。

2 张弦梁安装施工与数值模拟

2.1 施工过程概述

钢结构吊装总体分四大步骤:

第一步:搭设临时支撑(采用只受压单元模拟)，吊装钢柱、张弦梁弦杆及撑杆;第二步:原位穿索，安装檩条，拉索张拉;第三步:拆除临时支撑，结构自己站立;第四步:灌浆、安装屋面系统，完成吊装过程。

图1 吊点设置示意图

2.2 安装施工过程结构变形数值模拟

第一步:由于临时支撑的作用，第一施工步张弦梁上弦跨中上挠2 mm，半跨跨中下挠12.8 mm;

第二步:对索施加预应力，随着预拉应力的逐渐增大，张弦梁跨中上挠值逐渐加大;

第三步:对索施加的预估张拉力达到1 450 kN时，张拉后，张弦梁跨中上挠88.1 mm，张弦桁架已脱离临时支撑，可即行拆除临时支撑，结构达到自己承载的状态;

第四步:施加全部恒载作用后，张弦梁跨中下挠4.7 mm，半跨跨中下挠20.8 mm，与设计的要求基本吻合，预估张拉值基本准确。

3 张弦梁张拉施工与数值模拟

张拉分两级张拉，数值模拟仅以第一组张弦梁为例，阐述张拉过程中张弦梁以及整体雨篷结构体系的内力与变形。

3.1 第一级张拉

两边最外侧两跨，张拉第一组，同时对称张拉LS1和LS26，第一级张拉至60%初张力。张弦梁上弦跨中上挠0.23 mm，半跨跨中下挠0.32 mm，索的拉力范围为636 kN～1 119 kN。张拉完成后，得到结果如图2所示。

图2 第一级张拉第一组索至60%时的拉索内力和结构竖向位移

3.2 第二级张拉

两边最外侧两跨，张拉第一组，同时对称张拉LS1和LS26，张弦梁跨中的最大起拱值为63 mm;边柱的最大水平位移值为11 mm，所张拉的拉索最外侧处的最大张拉力为1 222 kN。张拉完成后，得到结果如图3所示。

具体结论列于下:

1)第一级张拉完成，结构起拱基本为零，最大水平位移为3 mm。2)第一级张拉过程中，索的拉力范围为636 kN～1 119 kN，张拉过程中引起的钢结构应力比较小，在20 MPa以内。3)第二级张拉过程中，在张拉第13步中所要张拉的张弦梁跨中的起拱值最大，最大起拱为63 mm;在张拉第4步的边柱的水平位移最大，最大水平位移为11 mm。4)第二级张拉过程中，在第8步中所张拉的拉索最外侧处的张拉力最大，最大张拉力为1 222 kN。5)计算表明，整体拼装后，通过两级(60%，100%初张力)张拉，可以满足整个施工过程中的受力和稳定性要求，达到设计状态。

图3 第二级张拉第一组索至100%时的拉索内力和结构竖向位移

为保证钢结构的安装精度以及结构在施工期间的受力和稳定性的要求，并使钢索张拉的预应力状态与设计要求相符，必须对钢结构的安装精度、张拉过程中钢索的拉力及钢结构的应力与变形进行监测。

4 结语

大跨度张弦梁结构以其自重轻、跨度大、整体稳定性好、受力性能明确、外观整洁美丽等优点成为近十年来快速发展和应用的一种新型大跨度空间结构形式。本文在对国内外张弦梁结构的应用和研究现状做了详尽的综述和总结基础上，详细的阐述了高速铁路张弦梁结构雨篷施工方案，并采用有限元软件Midas对施工全过程进行数值模拟计算，再与现场监测数据结合对比，对施工进行精确控制与指导。

［1］Masao Saitoh，Akim Okada.The role of string in hybrid string structure，Engineering Structure，1999.

［2］Masao Saitoh.A Study on Structural Characteristic of Beam String Structure.Part Prestressing for Dead Load.Summaries of Technical Papers of Annual Meeting Architectural Institute of Japan，1987.(In Japanese).

［3］白正仙.张弦梁结构的理论分析与试验研究［D］.天津:天津大学博士学位论文，1999.

［4］陈荣毅，董石麟.大跨度张弦钢桁架的预应力施工［J］.空间结构，2003，9(2):61-63.

［5］陈荣毅.大跨度张弦桁架结构设计与施工的全过程分析研究［D］.杭州:浙江大学博士后学位论文，2004.

［6］施 骏.预应力张弦桁架施工技术研究［D］.南京:东南大学硕士学位论文，2003.

［7］李维滨，高 飞，施 骏.超大跨度预应力张弦桁架结构施工［J］.施工技术，2003，7(9):40-42.