大跨度预应力钢结构体系及施工技术

文／郑文科、杜春来、宋宇飞、张泰豪 北京城建集团有限责任公司 北京 100088

引言：

随着我国经济的发展，我国的建筑越来越趋向于高层、大空间、大跨度。采用预应力技术和空间钢结构组合而成的大跨预应力钢结构是当前应用最广泛的一种结构形式。大跨预应力空间钢结构体系是以预应力网架、网壳、索网索拱和斜拉体系为主体，其最大优点是充分利用预应力索的高抗拉强度，将预应力作用在索索上，使得索具产生与外力作用相反的变形，并在受力前对其施加预应力，可以局部或全部消除外荷载下的弯曲或拉应力，从而改善结构的总体力学性能[1]。这种结构具有受力合理、刚度大、重量轻、制造、安装简便等优点，经过十余年的发展和发展，已广泛用于大跨度、大柱网、大跨度、大柱网等领域，并引起了世界各国科学技术和工程界的广泛关注，其发展前景十分广阔。

1.大跨度预应力钢结构的特点

大跨预应力钢结构是一种由高强度、耐腐蚀、耐疲劳钢素和多种空间钢结构结合而形成的一种新型结构，它将弹性钢素和刚性钢质结合在一起，为广大空间的施工提供了一种既实用又经济的施工方法。将现代预应力技术应用于大跨空间钢结构，不仅丰富了大跨空间钢结构的外形，还充分体现了它的先进性、合理性和经济性[2]。

（1）能使结构的受力状况发生变化，使结构刚度、内力分布及位移完全符合设计者的要求；

（2）预应力技术可以用作组装预制件（单元杆或组合件）的一种方法，例如弓形预应力钢；

（3）在使用了预应力技术后，合理地布置缆绳，可以形成一种混杂的空间结构，也可以形成一种新型的空间结构，它的钢材指标可以较原有结构或普通结构显著地减少。这种“杂交”结构形式可以有效地改善结构的力学性能，减小结构的内力峰值，使结构刚度得到增强，技术经济效果显著；

（4）利用预应力技术，可以形成索拱等新型结构系统及结构型式。

2.大跨度钢结构施工技术

目前，大跨度空间结构主要施工方法有高空滑移法、高空散装法、分条（块）吊装法、整体提升法、整体吊装及整体顶升法等。

2.1 高空散装法

高空散装法是一种采用临时支架，将构件和节点在高空中直接组装起来，然后在装配完成后卸下支架，适合于各种不采用焊接方式的建筑。高空散装施工方法主要有悬挑式和全托架式两种：悬挑式拼装是指为节约支承而对某些结构进行悬挑拼装；整体支撑技术是将一段或一节段的整体拼装在支架上，或在空中以网状整体拼装。

图1 高空散装法

2.2 高空滑移法

高空滑移法是将已分条组装好的部件置于滑道上，再由滑板的一端滑到指定的另一端，并将其组装为一体。其方法有单条滑动和逐条累积滑动两种。单条滑移法是把条形单元从铁轨的一端按顺序滑到另一端，再进行拼装，也就是一条一条地滑动，一条一条地把它连接起来。逐条累计滑行是将一个单一的条形单元向前滑动一段距离，然后将另一条单元与另一条单元相连接，再将两条单元同时移动一段距离，再将三条单元与另一条单元相连接，直到最后一条单元被接上。目前，大跨钢结构的施工方法多为逐条累积滑移。

图2 单条滑移法

图3 逐条累积滑移法

2.3 分条（分块）吊装法

分条（分段）吊装也被称为分段安装。分段（分段）吊装法是将某一建筑物分成几个条形或块形单元，在地面上进行拼装，然后用起重机将其吊至指定的部位进行整体拼装。它的优势是，条形构件是在地上组装，所以高空作业较少，安装支架也较少，而且可以充分利用已有的吊装设备，所以更经济。该方法适合于结构整体划分后，结构的刚度、受力状态变化不大的钢屋盖。

2.4 整体吊装法

整体吊装法是将在工地上组装好的结构，然后用起重机将其运到指定的地方。采用整体吊装方法，既能保证几何尺寸精度，又能保证焊接质量，既可以在现场和室外组装，而且还可以和其它施工工艺同时进行，缩短工期。但该方法对吊装能力和工人的技术要求很高。

图4 整体吊装法

2.5 整体提升法和整体顶升法

整体吊装法是将结构杆按设计要求就地组装，然后通过吊装装置将结构整体吊装到设计高度并安装到位。采用整体吊装方法，可采用结构柱作为临时吊装支撑，或采用钢管支撑或网架吊装。与整体吊装法相同，整体吊装法也是就地组装，区别在于，顶升法采用的是将千斤顶置于构件下方，采用结构柱子等作为顶升支架，而吊装法的起重装置则是安装在结构的上部，由吊杆或钢丝绳牵引而起。升降式与升降式的共同优势在于，可以将房屋面板、天棚、电气及采暖、通风设施等置于最佳位置，可大幅降低工程投资。整体提升法适用于有周边支承点或支承网架，整体顶升法则适用于支点较少的点支承网架的安装。

图5 整体提升法

图6 整体顶升法

3.大跨度预应力结构体系

3.1 预应力网格结构

预应力网架是将现代预应力技术和网格化技术相结合而形成的一种新型预应力网架结构。预应力采用两种方法：一种是在网架周围设置相应的预应力，来对张拉预应力索施加内力作用；另一种通过网格结构支座的高差使之强行调整就位，来使网格结构建立预加应力。

图7 预应力钢结构网架

3.2 索穹顶结构

索拱结构是由美国建筑师R·B·Fuller 在1962年提出的张拉总体概念：尽量减小压力状态，并保持持续的张拉状态。之后美国工程师 Levy 针对亚特兰大奥运主会场乔治亚圆顶结构，对结构外刚度不足、容易失稳的方案进行了完善和改进。

索穹顶是采用索、杆、膜等轻质、高强度的新型结构，具有较大的创新性和独特性，是一种新型的结构。索拱结构多采用预应力钢丝绳，其压杆数量少、长度小，能最大限度地发挥钢的抗拉强度，提高了结构的高效性[3]。

由于索拱结构中使用了大量的预应力钢索，由于其压杆数量较少，且长度较短，因此能够最大限度地发挥其抗拉强度，因此具有很高的施工效率。自20世纪晚期开始，由于其造型新颖、构思巧妙、受力合理、造价低廉、施工速度快而深受广大建筑工程人员的青睐，目前已广泛用于大跨度、超大跨度建筑的屋面设计，成为国内外建筑领域的一个重要课题。索穹顶按其几何拓扑形态可划分为Levy型、Geiger 型、Kiewitt 型、鸟巢型、混合型等多种形式。

3.3 张弦梁结构

张弦梁结构是近几年出现的一种新型结构形式，张弦梁是一种具有自稳性的预应力平衡结构，其作用于张弦梁上的预应力能够在不影响支撑和地基的情况下，在其内部实现对预应力的均衡。张弦梁结构因其抗压、抗弯性能较好而具有较大的刚度，因此其在不规则风荷载下的外形稳定性能也较好。

张弦梁结构系统包括上弦钢梁、撑杆和下弦索体三个部分，张弦梁结构是通过张拉下弦索体来实现对钢梁的向上集中；在垂直加载下，钢结构的受力特点由相似的简支梁变为多跨连续梁，张弦梁结构通过对索内施加的预应力来控制刚性构件的弯矩大小和分布位置，从而提高结构的承载能力，使得截面利用效率更高，经济性更好。同时张弦梁结构的构件和节点的种类更少，方便相关构件的制作、加工以及运输，从而加快施工速度和降低成本。

3.4 索桁结构

索桁张拉结构主要是将预应力作用在索体上，一般分为三种结构，即索穹顶、轮辐式和无内环索桁结构。预应力钢索桁架的主要特征是用撑杆将承压构件（如梁、拱）与抗拉构件（如弦线）相结合，以对抗截面弯矩。预加载索桁架主要由上弦、下弦和撑杆组成。上弦和撑杆为刚性构件，下弦为柔性杆。预应力索桁架根据布置特点分为平面和立体两大类。

图8 索穹顶结构

图9 索桁结构示意图

3.5 索拱结构

为改善拱结构的不足之处，将索与拱结合产生了一种新型的索拱组合结构，与纯拱结构相比，索拱结构具有刚度大、承载力高以及拱脚水平推力较小等优点。索有三种不同的布置方式，分别为：弦张式索拱结构的布索方式、弦张式索拱、车辐式索拱结构的布索方式，索拱在静载荷下的受静力要好于纯拱形，并且索拱结构在相同的刚度水平下比纯拱结构更高[4]。

3.6 索网（膜）结构体系

索网是一种具有负曲率、相互正交、曲率相反的两组缆索相互叠加而成的具有负曲率的弯曲表面。通常缆绳是由高强度钢绳构成，它是利用缆绳的轴向作用力来抵御外部载荷的。索网结构能够比较经济地实现较大的跨度，目前已经成为大跨建筑的主要结构形式之一。由于其受力合理、造型多变、受力效率高、可显著降低钢材用量、容易达到绿色建筑发展的目的，因此在建筑结构中已广泛应用。索网结构屋顶覆盖材料若采用膜材，则形成索膜结构。

由中国铁建国际集团承建的主持卡塔尔世界杯的卢塞尔体育场，便是世界上同类型索网体系中跨度最大、悬挑距离最大的索网屋面单体建筑。体育场顶部采用膜结构、屋面采用索网结构、墙壁使用V 柱、桁架以及墙布，然后屋顶和立面结构通过巨大的压环连接在一起。屋顶部分采用索网和膜面系统组成。屋面膜结构面积达56300 平方米，是目前最大的膜结构。由于卡塔尔地处沙漠地区，常伴随着风沙侵袭，屋面采用了高性能PTFE 聚四氟乙烯膜结构。

图10 卢塞尔体育场俯视图

3.7 整体张拉结构体系

整体张拉结构是一种由一组不连续的受力构件和一系列受拉构件构成的自平衡结构系统。张拉结构因其造型优美、结构轻盈、受力清晰等优点而受到人们的重视和重视。在此基础上，提出了一种具有较好抗弯性的环状张拉件，并得到了工程界的广泛关注。在建筑物的前面和后面，可以形成一个环形的走廊，里面有一个内部的通道。作为张拉整体结构，在确定了节点的位置和拓扑关系后，首先要解决的问题是如何找到一个符合设计要求的初始预应力分布。具有预应力提供刚度，压力位于拉力内部的特点。

4.大跨度空间结构的施工监测控制

现代大型钢结构工程由于其施工过程庞大、复杂、施工方法和技术复杂，因此在施工中发生危险的可能性要高于普通建筑。但在现代大规模钢结构施工中，一旦出现安全事故，其后果将极其严重，不仅经济损失、人员伤亡，而且还会产生严重的社会影响[5]。在施工过程中，由于设计不合理，施工方法不合理，施工方法不合理，验算不正确，材料质量或制作上的问题，施工过程中的不规范操作，都可能造成施工安全事故。

由于现代大型、复杂的钢结构工程在施工阶段的受力分析还不够完善，为了保证其安全性和精确度，必须对整个施工过程进行监控，一旦发现问题，并采取相应的措施，以保证工程的安全、有序进行。施工监控是指利用技术手段对施工各个关键环节进行实时监控，并对施工中影响施工安全的各种因素的发展和变化状况进行控制，以达到对施工质量和安全等方面的要求。

结语：

本文对大跨预应力钢结构的施工工艺与系统作了简要的介绍，并对其优缺点、适用条件等进行了分析，最后提出了大跨预应力钢结构施工监控的基本方法。结合工程实例，论述了施工监控的主要内容与方法。同时，还阐述了大跨度预应力钢结构施工管理中存在的问题及相应解决措施。最后以卡塔尔世界杯卢塞尔体育场为例，对大跨预应力钢索网拱结构体系进行了详细分析，阐述了施工监控的方法。本文还论述了工程项目管理方面的问题，对管理工作的要点做了具体讲解、分析，为工程施工提供了参考依据。

大型空间钢结构的施工工艺非常关键，其施工方案的合理、施工工艺的科学、安全、经济都要得到保证。当前，我国某些大型空间钢结构建筑已经从传统的建筑方式向多学科、综合化、高科技方向发展，对传统建筑技术提出了空前的困难与挑战。为此，广大科研、设计、施工单位必须共同努力，研究开发新的、更科学的施工工艺，以适应日益增长的需求。