自锚式悬索结构在大跨度屋盖中的应用研究

2020-01-19何静

四川水泥 2019年12期

何静

（陕西国防工业职业技术学院，陕西西安 710300）

0 引言

近年来，大跨度钢结构以其结构形式的多样性、空间组合的灵活性等优点，在大型公共建筑中得以广泛应用。随着科技的发展，人们对空间的需求越来越高，建筑物的跨度将越来越大，悬索结构凭借其自重轻、施工简单、造型优美灵活、经济性及对跨度适应性较强等显著优势，已成为目前城市大跨度钢结构应用的重点。

悬索结构历史悠久，古代帐篷式的住屋便是悬挂屋盖的雏形，而悬索结构最早则是应用在桥梁工程中。我们的祖先早在一千多年前，就运用竹索、铁链建成了跨越河谷的竹索桥，而随着钢材的发展，现代化的大跨度悬索桥应运而生。悬索结构在建筑工程中的应用，也是得益于悬索桥的启示，但起步较晚，自上世纪中叶，悬索屋盖才真正在建筑中兴起。由于悬索结构易于表现建筑造型，可用于不同的建筑平面，同时当钢索与其它材料或其它结构形式进行组合时，能够形成性能良好的组合空间结构体系，故悬索式屋盖在大跨度结构中应用越来越广泛。而自锚式悬索结构又以其自身独有的特点，慢慢发展起来。

1 自锚式悬索结构的概念

自锚式悬索结构首先是在桥梁中提出的，这种结构省去了两侧巨大的锚锭，直接将主缆固定在主梁的两侧，主缆产生的水平力直接由主梁来平衡，如图1所示。

图1 自锚式悬索桥组成示意图

相比传统的地锚式悬索结构，自锚式悬索结构更加轻盈、灵活，但由于主梁需要附加承受拉索的巨大水平拉力，对其刚度要求更高，对主梁截面尺寸要求更大，所以该结构通常使用在跨度不大，受荷较小的情况下。在桥梁领域一般主要用于城市中的桥梁。

但是对于建筑工程而言，悬索结构主要用于其屋盖体系，荷载主要有屋面板传来的荷载、结构自重及风荷载，并无车辆行人等荷载，较桥梁受荷小的多，往往跨度也不像桥梁结构跨度那么大，同时一般都建造在人群密集的地方，空间限制大，通过前面对自锚式悬索结构的特点分析可以看出，将自锚式悬索结构用于屋盖结构体系中，是一个很好的选择。

2 自锚式悬索结构的组成及受力特点

2.1 自锚式悬索结构的组成及受力特点

自锚式悬索结构在屋盖中的组成基本同桥梁，主要是由拉索、自锚杆件及竖向支承构件组成的，结构形式简单。

⑴拉索：是悬索结构的主要承重构件，承受屋面传来的荷载、风载及自重，主要承受拉力，可分为竖向分力和水平拉力。自锚结构的拉索锚固在自锚构件的两端，通过锚固点将拉索的水平拉力传递给自锚构件。

⑵自锚构件：顾名思义是锚固拉索，承受其水平拉力的构件，其常用形式有杆件和梁等，主要在受到拉索传来的水平拉力下，产生压力。在桥梁工程中往往使用桥梁自身作为锚固构件，设计时，对桥梁需多考虑拉索产生的水平反力即可。而对屋盖结构而言，通常需专门设计自锚构件，作为拉索的锚固体。自锚构件为水平受力构件，若单独采用简单的梁或杆，为避免失稳，其长细比受到限制，若拉索传来的水平拉力过大，仅使用简单的杆件或梁易发生失稳现象，跨度越大，这种破坏就越明显。故工程中常采用刚度较好的结构形式做自锚构件，如钢桁架结构。当然在设计时，还需考虑结构净空高度的要求以及同另一方向共同考虑荷载传递的要求等。

⑶竖向支承构件：自锚结构的竖向支承构件常采用支承柱形式，主。，要用于支承拉索，传递其产生的竖向荷载并将其传给基础，可使用钢结构或混凝土结构，下部通常锚固在基础里。

2.2 自锚式悬索结构的优缺点

通过以上对自锚式悬索结构的组成和受力特点的分析，可见将自锚式悬索结构应用于屋盖结构体系中的优势是不言而喻的，总结如下：

⑴无需设置截面尺寸较大的边缘构件或锚索及地锚，施工简单，同时相对地锚式悬索结构对周围空间要求低，更适合在繁华的、人口密集的城市地区建造，这符合建筑工程地域性的特点；

⑵由于拉索水平拉力由结构内部的锚杆承受，无需笨重的影响结构造型的锚固体，所以自锚式悬索结构的造型更加轻巧，灵活多样，易满足建筑艺术审美方面的要求。

⑶自锚构件本身属于大跨度平面结构，跨度越大对其设计要求越高，而拉索将其强大的水平拉力反作用于自锚构件上，相当于对其施加了预应力，有利于实现其大跨度，同时节省了施加预应力的设备。

由于自锚构件承受较大的轴向压力，所以在对其进行设计时，构件的稳定性设计很重要，同时需考虑到结构内部净空高度和造型的要求，故对自锚构件的设计要求较高。由于自锚构件是水平构件往往在安装过程中需搭设胎架，这就增加了胎架安装和拆卸时间及成本，同时要保证在施工过程中胎架的安全稳定。但是，这些相比对边缘构件或拉索和地锚的设计和施工成本而言，还是具有经济合理性的。当然相对于以上缺点，自锚式悬索结构凭借其施工简单、造型轻巧灵活、对周围空间要求低等方面的优势在建筑领域是很具有发展前景的一种悬索结构体系。

3 自锚式悬索结构施工关键技术

自锚式悬索结构属于悬索结构中的一种结构形式，所以对悬索结构施工阶段的关键技术均适用于该结构体系，故本文中研究的施工关键技术主要针对自锚体系与传统悬索结构不同的地方。

3.1 自锚式悬索结构施工工艺流程

施工前，首先应确定结构的施工顺序，施工顺序的合理性直接决定着结构在施工过程中的安全性。

自锚式悬索结构由于其结构的受力特点与传统的结构形式不同，需先施工竖向构件及自锚构件，再安装拉索并进行张拉，在安装自锚构件时由于横跨整个结构跨度，往往需支设胎架。自锚式悬索结构上部结构施工工艺流程详见下图2所示。

图2 自锚式悬索结构施工工艺流程图

当然，以上提出的施工工艺流程，只单独针对自锚式悬索结构体系自身的施工顺序。而在屋盖结构体系设计时除轮辐式造型外，结构的受力往往是两个方向的，主次结构施工时会相互影响，尤其在预应力施加时对结构的影响很大，若单纯的将两个方向的结构分开施工，往往会无法满足设计要求或使结构在施工过程中破坏。那么，自锚式悬索结构的施工，往往需配合另外一个方向的结构及屋面系统的特点综合考虑。通常会两个方向结构安装施工、预应力施加和屋盖体系的施工穿插进行，以保证结构的安全稳定。但对于自锚式悬索结构自身而言，由于其受力特点所决定，一定是先施工自锚构件，再安装拉索及张拉的。

3.2 自锚构件施工关键技术

自锚式悬索结构拉索的水平拉力由自锚构件承受，自锚构件作为受压构件，需满足其强度、刚度、稳定性要求。在设计时，往往只考虑设计阶段，即结构施加预应力后成型阶段自锚构件的安全性。而自锚构件本身属于大跨度结构，其施工又先于拉索施工，所以施工时应按大跨度结构施工来考虑。

⑴自锚构件的施工方法

自锚式构件通常设计为平面体系，所以施工时根据构件自身特点和施工现场的实际情况，常采用高空散装法或整体吊装法。

高空散装法是先在地面搭设临时支架，再用起重设备将杆件（或小拼单元）吊至相应的设计位置，然后在已搭设的临时支架上拼装成整体的结构安装方法。而整体吊装法是将结构在地面拼装成型或在工厂预制成型运至施工现场后直接采用起重设备进行吊装就位的施工方法。由于跨度大、中间无其他构件支撑，提前也没有施加预应力，所以不论采用何种方法，对自锚杆件的施工，都需搭设临时支架，来保证施工和支撑自锚构件。这与传统悬索结构施工时无需搭设临时支架的特点不同。

⑵拉索张拉施工对自锚构件的影响

自锚构件安装完成后，将进行拉索的安装和张拉工作，拉索就位后先临时固定，然后进行张拉，随着施加预应力的增大，自锚构件受到的压应力也逐渐增大。这个过程相当于给自锚构件施加预应力的过程，除了将拉索受到的水平拉力传给自锚构件外，自锚构件受到预压应力产生向上的竖向位移，使其慢慢地脱离胎架，若施工方案合理，往往拉索达到其设计索力值时，自锚构件将完全脱离胎架，使胎架无需专门卸载，比一般大跨度结构施工工艺简单。也是由于拉索张拉时使大跨度自锚构件产生了预应力，则可实现更大的跨度。可见，拉索施工与自锚构件能实现大跨度是相辅相成的，没有自锚构件拉索无法成型、预应力无法传递，而若没有拉索产生的水平拉力，自锚构件也无法实现大跨度。

根据以上分析可知，在对自锚体系拉索张拉的过程中，除需保证拉索自身的强度、刚度和稳定性问题外，还需保证自锚构件的强度、刚度和稳定性，同时需考虑胎架在整个施工过程中的安全问题。