拉索多阶段受力状态下的高空张弦梁加工与安装技术

李 昂 赵国强 范锐钊 朱兴陆

北京市机械施工集团有限公司 北京 102628

张弦梁结构是一种区别于传统结构的新型杂交屋盖体系，主要由刚性构件上弦、柔性拉索及中间的撑杆连接组成。国内外对张弦梁结构的力学研究已有20余年，2007年，赵宪忠等[1]对张弦梁结构张拉过程中的结构性能进行试验研究，佘远逢等[2]通过有限元建模对张弦梁结构进行分析，文中均探讨了张拉力与结构变形的关系，张拉力作用导致结构水平跨度缩小、整体上拱和撑杆倾斜等。张弦梁虽然结构体系简单，但预应力结构从拼装到张拉完成，要经历多阶段受力状态，拉索之间存在相互影响，对变形控制要求严格，且高空张弦梁结构刚度弱，对制作和安装的精度要求高[3]。

本文以实际工程为例，钢结构和拉索工厂预先同步加工制作，张弦梁采取单榀带索楼板平拼，拉索两级张拉、塔吊逐榀吊装技术，同时，进行多阶段受力施工仿真计算校核及索力和钢管结构监测，保证加工与安装构件形态，达到安全高效的施工效果。

1 工程概况

北京银行顺义科技研发中心A3楼为型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构，中央中庭大跨、大空间屋顶采用张弦梁结构（图1）。

图1 张弦梁结构轴测图

屋面钢结构部分平面尺寸约为39 m×21 m，结构顶部标高约76.5 m，共设14榀张弦梁，各榀张弦梁之间通过设置圆钢管进行连接，并通过钢管立柱与楼面钢梁相连，钢管立柱与楼面钢梁采用销轴连接。每榀张弦梁下端设置3段钢拉杆（表1），张弦梁间距3 m，钢拉杆采用D40高钒镀层钢拉杆，破断荷载为破断力767 kN。

表1 张弦梁钢拉杆统计

2 施工技术特点与难点

2.1 施工技术特点

1）钢拉杆施工全过程的技术参数分析。钢拉杆的施工过程包括加工制作、安装、张拉、整体焊接合拢等，钢拉杆的加工精度需根据现场技术参数分析而确定，做好技术准备，从而控制现场施工质量。

2）根据技术方案确定钢拉杆的施工方法。确认钢拉杆的技术参数后，应进一步确定钢拉杆的施工方法。钢拉杆的张拉是通过张拉工装对钢拉杆施加一个拉力，通过拉紧钢拉杆对结构施加了一个预应力，此时结构会发生变形，因此构件在张拉前应充分考虑张拉变形的影响，按照设计状态反推张拉前的结构状态进行定位拼装。

3）钢拉杆张拉速度的确定。钢拉杆张拉速度会对结构产生直接影响，甚至可导致结构发生破坏，因此应根据计算确定张拉速度，在不影响施工进度的情况下，尽可能使用较低速度进行张拉。

4）采取可靠的监测手段。为保证结构的安全，在钢拉杆张拉的整个过程中，需对结构的内力及位移变化进行实时监控，确保结构始终处于稳定状态，保证施工过程的安全。

2.2 施工难点分析

1）本工程张弦梁结构形式比较特殊，无法通过常规经验进行施工判断，因此需要借助计算软件等对钢拉杆的张拉全过程进行仿真模拟计算，根据计算指导施工。

2）构件的加工精度控制是本工程的难点，因为设计状态为张拉后的最终状态，而加工状态需要根据计算确定张拉前的结构状态进行加工制作，无论在计算上及加工上都会投入更大的精力。加工精度必须严格按照现场要求，才能在钢拉杆张拉后，实现设计要求的状态。

3 张弦梁加工形态研究

3.1 拉索内力设计

本工程14榀张弦梁，每榀张弦梁拉索内力不尽相同。

3.2 张弦梁预应力分析

张弦梁预应力分析的目的是根据设计姿态图纸及拉索内力反算出结构的加工形状，从而确保张弦梁结构在张拉完成后的几何形态与设计姿态一致，从而达到设计要求。

张弦梁预应力分析的基本思路，是首先假设一个初始状态即加工形态，然后按照拉索内力，对初始状态模型逐级施加初始预应力，预应力施加完成后得到一个最终状态即施工完成后形态的模型。将该模型与设计姿态模型进行比对，若2个模型基本吻合，即可认为该初始状态满足要求，可按此状态进行加工；若2个模型相差超过一定范围，即对初始状态模型进行调整，再重新进行计算，直至得到的最终状态模型与设计姿态模型基本一致即可。

3.3 张弦梁形变计算

张弦梁结构自重＋预应力＋屋面恒载拉索内力最大值为79.2 kN，最小值为59.6 kN；结构自重＋预应力下拉索内力最大值为46.1 kN，最小值为41.5 kN。采用通用有限元分析软件Midas/Gen进行计算分析，根据设计图纸给出的索力赋予初拉力。经计算，得出每榀张弦梁水平位移及竖向位移数值，其中最大位移位于张弦梁中间部位，为22 mm，加工时应重点考虑此部位，利用该数值得到一个初始状态模型，通过对模型施加初始预应力进行计算，得到的最终模型与设计模型基本吻合。加工时采取对每榀张弦梁上弦钢梁根据论证的初始状态模型起不同数值的反拱，对两侧钢柱加工时根据水平跨度位移的计算预倾斜不同数值的角度等措施。

4 施工方案及主要技术措施

4.1 预应力钢索制作

预应力钢索及节点加工图由预应力专项施工单位设计，制作加工由预应力钢索专业生产厂家完成。预应力钢索总体制作流程：钢丝来料检验→入库→捻制拉索→预张拉→制锚→出厂检验→包装→出库。

4.2 施工总体思路

现场钢拉杆安装主要包含钢拉杆的地面拼装、钢拉杆的地面张拉两部分。在单榀张弦梁地面拼装完成后进行钢拉杆安装并张拉，张拉完成后，单榀张弦梁两端位移基本为0 mm，可保证吊装就位时张弦梁两端与支座正好对齐；本工程不考虑分级张拉，于地面一次张拉完成；吊装就位后可根据监测结果局部进行张拉调整。

4.3 张弦梁施工实施方案

4.3.1 拉索地面展开

为了在现场施工方便，在索体制作时，每根索体都单独成盘，在加工厂内将索体缠绕成盘，到现场后吊装到事先加工好的放索盘上。

索在地面开盘，采用卷扬机牵引放索。在放索过程中因索盘自身的弹性和牵引产生的偏心力，索盘转动时会使转盘产生加速，导致散盘，危及工人安全，因此对转盘设置刹车和限位装置。为防止索体在移动过程中与地面接触，损坏拉索防护层或损伤索股，索头用布袋包住，将索逐渐放开，在地面沿放索方向铺设一些圆钢管，以保证索体不与地面接触，同时减少了与底面的摩擦力，圆钢管的长度不小于1 m，间距为2.5 m左右。由于索长大于跨度，索展开后应与轴线倾斜一定角度才能放下，因此牵引方向应相应倾斜，且牵引时使索基本保持直线状移动。

4.3.2 钢拉杆安装

钢拉杆采用地面设置拼装胎架，使用倒链人工进行安装，安装方法如下：第1步，将一根张弦梁中间段钢拉杆安装就位，并通过钢拉杆调节端将钢拉杆长度调节为设计长度。第2步，将一根张弦梁两端钢拉杆叉耳端调节量调节至最大值，然后将两端钢拉杆安装就位。

4.3.3 钢拉杆张拉

1）张拉位置。在张弦梁两端同时张拉（图2）。

图2 钢拉杆张拉示意

2）张拉工装设计。单根张弦梁两端同时张拉，同时张拉2榀张弦梁。共使用4套设备对钢拉杆进行张拉，共计使用10 t液压千斤顶8台，油泵及工装设备4台，每台油泵配2台液压千斤顶（图3）。

图3 张拉工装示意

3）张拉过程监测记录。张拉过程中对钢结构的变形及应力变化进行实时监测，形成文字资料以方便后期进行相关分析。

4.3.4 张拉质量控制方法和要求

1）钢构件进场验收，确保精度满足张拉要求。

2）确定张拉设备，按照计算结果对设备进行调校。

3）张拉时要注意温度的影响，尽量选在每天的同一个时间段。

4）重点检查钢拉杆与设备连接处，确保钢拉杆与设备稳固连接，以免对钢拉杆造成破坏。

5）张拉时的速度要严格控制，一般给油时间不应低于30 s。

6）设备安装前进行放线，确保设备与每榀结构在一条直线上。

4.3.5 安装和张拉操作平台

张拉设备平台选用现场80 mm×80 mm×5 mm方管进行组装，每榀张弦梁的两头各设置一组操作平台。

操作平台尺寸3 m×2 m，竖向采用6根方管，每根方管加设斜撑以提高平台稳定性（图4）。

图4 操作平台示意

4.4 钢拉杆同步张拉的控制措施

2榀张弦梁同时张拉，因此要重点控制2榀张拉设备的同步性。控制张拉同步有2个步骤。

1）在钢拉杆张拉前调整钢拉杆两头的调节量，控制2榀钢拉杆的调校量一致。

2）本工程虽然为一次张拉就位，但可将一次张拉过程分解为5～6次小张拉分级，在同步张拉时，按照分解后的小张拉，每小张拉一级后停止动作，对每榀钢拉杆进行测量调校，可使2榀张弦梁在整个张拉过程趋近于同步。

4.5 预应力补偿措施

每榀张弦梁张拉完成后，对钢拉杆的力值进行实际测量，可根据测量结果确定是否需要对张拉值进行调整。如需调整，需根据计算模型确定调整方案。

当每榀张弦梁吊装至就位位置，并且全部焊接完成后，对钢拉杆的力值再次进行测量，确保钢拉杆的力值满足设计要求。如需调整力值，需经过计算模型确定张拉调整方案，避免私自张拉对整体结构产生不良影响。

4.6 形态验证

施工完成后，对每榀张弦梁的精度进行复测，将测量数据与设计形态进行对比。经对比，张弦梁施工完成后的施工形态与设计形态最大误差2 mm，满足规范要求，验证了施工仿真模拟计算对反推结构加工形态的可行性及准确性。

5 结语

介绍了一种张弦梁预应力分析法，通过不断对假设初始形态模型进行修正，施加预应力进行计算，得到与设计姿态相吻合的模型。通过施工仿真模拟计算，计算出拉索多阶段受力状态下结构的变形数值，将该数值作为预应力分析法中初始状态模型的重要依据，从而保证张弦梁结构在张拉并安装完成后与设计姿态保持一致。大跨度张弦梁钢拉杆预应力施工技术在本工程的成功应用，为同类结构的安装提供了一种新的思路，可供今后类似工程参考。