大跨度交叉式张弦梁屋盖施工技术

张富森

（广东省第四建筑工程有限公司 广州 510100）

0 前言

张弦梁结构是一种新型预应力钢结构，是在传统钢结构基础上引入柔性的索，张弦梁结构的整体刚度贡献来自抗弯构件截面与拉索构成的几何形体两个方面，张弦梁结构具有承载能力高、结构变形小、结构体系自平衡和结构稳定性强等特点。近些年，张弦梁结构由平面张弦梁结构向空间张弦梁结构发展，珠海某体育馆采用了大跨度交叉张弦梁结构，这种张弦梁结构打破了单榀张弦梁单独受力、横向承载力弱的缺点，每两榀张弦梁桁架顶部矩形梁连接为X 型，使整个屋盖结构连为整体在纵横方向上形成了好的空间受力体系，具有良好自平衡能力。大跨度张弦梁结构复杂，在施工过程包括钢结构梁吊装、预应力张拉、屋面混凝土浇筑、屋面防水保温层等多个施工工序，不同工况下，张弦梁结构变心、内力等随之发生变化，这给张弦梁施工控制带来了困难。目前，国内对张弦梁结构也开展了相应的研究，陈松等人［1-3］采用有限元分析对张弦梁结构整体稳定性进行了研究，推导了初始预应力计算公式及结构构件对张弦梁结构整体稳定性的影响。王庆鑫等人［4-10］对张弦梁结构施工关键技术进行研究，通过有限元分析，优化了张弦梁吊装及分级施加预应力以控制张弦梁变形。本文以珠海某体育馆大跨度交叉式张弦梁屋盖为背景，通过BIM技术和有限元分析，开展了大跨度交叉式张弦梁屋盖的施工控制技术研究。

1 工程概况

珠海某体育馆屋盖采用交叉张弦梁+钢筋混凝土楼承板的结构形式，屋盖纵向跨度71 m，横向跨度49 m。屋盖钢梁由14榀大跨度交叉张弦梁组成，张弦梁上弦杆采用箱型截面钢梁，下弦杆为预应力钢拉索，拉索的张拉以张拉力控制为主、伸长值控制为辅的双控方式。体育馆东西两侧的外墙围护采用玻璃幕墙，幕墙主龙骨挂设于屋盖边跨张弦梁上弦钢梁上，如图1所示。

图1 交叉式张弦梁屋盖Fig.1 Cross Beam String House

2 工程特点和难点分析

⑴张弦梁上弦杆采用箱型钢梁，跨度达71 m，钢梁节点多为X型及V型，节点复杂，下弦杆采用直径为φ116高钒索，跨度66 m，预应力索高空安装难度大。

⑵张弦梁单榀自重达30 t，拼装完成后，自重下张弦梁会产生向下弯曲变形，下弦预应力拉索张拉后，将引起上弦杆起拱，随着屋盖钢筋混凝土楼承板、防水保温层及下挂玻璃幕墙安装等工序施工，张弦梁所受荷载不断增大，整个屋盖张弦梁体系将会产生较大变形，如何监测及控制不同工况时张弦梁的变形是施工的难点。

3 总体思路

⑴采用BIM技术对张弦梁屋盖进行深化设计。

⑵箱型钢梁在工厂分段加工，现场搭设格构式钢胎架，采用汽车吊分段吊装，在高空拼装，采用卷扬机将预应力索牵引至高空进行安装。

⑶利用三维仿真技术动态模拟每榀交叉张弦梁张拉时整个屋盖的受力和变形，采用多次分级对称的顺序进行循环张拉。

⑷利用三维仿真技术动态模拟分析在浇筑混凝土、防水等保温、玻璃幕墙等工序施工时整个屋盖的受力及变形，模拟分析交叉张弦梁屋盖体系受力变化与变形间的关系，确定屋盖的加载顺序、加载时机和加载量。

⑸对交叉张弦梁变形进行监控，据此反算拉索、箱型梁及撑杆的内力，并和仿真结果进行对比，证明施工控制措施的有效性。

4 施工关键技术

4.1 利用BIM技术建立三维模型

采用Revit 和Tekla Structures 软件对张弦梁屋盖进行深化设计和建模，通过Navisworks 软件实现模型数据对接及三维效果演示，如图2所示。

4.2 箱型钢梁吊装

钢梁吊装采用2台130 t汽车吊，利用胎架在高空进行拼装，每榀钢梁分五段进行吊装，如图3所示。胎架主要设置在钢梁节点位置，现场共设置20个格构式钢胎架，胎架之间采用横梁拉结。

图3 箱梁分段拼装三维图Fig.3 Three Dimensional Diagram of Box Girder Segmented Assembly

根据图纸设计要求，钢梁安装预起拱L/1 000 mm，在综合考虑钢梁在制作、安装、张拉索施工过程中产生的自重变形后，起拱高度增加了L/2 000 mm，钢梁安装实际起拱高度h=106.5 mm。

4.3 下弦预应力拉索及撑杆安装

预应力拉索规格为φ116 高钒索，拉索均为叉耳结构，一端为固定端，另一端为张拉端。拉索安装前先采用迈达斯仿真模拟技术确定未张拉状态下撑杆与拉索切线的角度，撑杆全部安装完成后应先安装锚索带锚具端部的一端，然后采用卷扬机将拉索牵引至高空进行安装。

4.4 用三维仿真技术模拟张弦梁受力变形

本工程屋盖结构有14榀张弦梁，在平面上按从左到右的顺序依次为各榀张弦梁编号：ZXL1、ZXL2、ZXL3、……ZXL14，如图4所示。

图4 张弦梁编号Fig.4 Numbering of String Beam

根据张弦梁施工时不同阶段分工况进行受力仿真模拟计算，主要工况如下：①张弦梁自重状态下内力及变形；②拉索全部预紧后，内力及变形；③拉索张拉完成后，内力及变形；④屋面混凝土浇筑完成后，内力及变形。

通过三维仿真技术模拟，通过受力分析，确定各种工况下张弦梁应力和变形控制值及张拉顺序。本工程张弦梁分三级张拉，每一级分四步对称张拉，第一级张拉至设计张拉力的30%，从两边向中间对称张拉；第二级张拉至设计张拉力的70%，从中间向两边对称张拉；第三级张拉至设计张拉力的105%，从两边向中间对称张拉；拉索张拉分级分组如表1所示。

表1 拉索张拉分级分组Tab.1 Classification and Grouping for Cable Tensioning

4.5 下弦预应力拉索张拉

张弦梁张拉前，在张弦梁的箱梁跨中X 节点安装永久沉降观测点，并记录初始沉降观测数据，正式张拉前先逐根对拉索进行预紧，拉力为40 kN，对所有的索夹进行紧固。

为保证钢索在张拉过程中腹杆的侧向稳定性，确保在张拉完成后每榀桁架的腹杆与下弦钢索呈一条直线，张拉过程中在腹杆之间设置临时支撑杆件，杆件截面为φ89×3.5圆管，如图5所示。

图5 临时撑杆安装示意图Fig.5 Schematic Diagram of Temporary Support Rod Installation

在张弦梁施工过程中记录支座端及沉降观测点数据、平面位移数据，并与三维仿真模拟数据进行对比分析，调整索力。预应力张拉完成后，监测张弦梁上弦杆及撑杆位移和下弦拉索索力，并和设计值进行对比，本工程索力误差控制在5%以内，箱形交叉张弦梁拱度误差在2%以内。

4.6 屋盖楼承板施工

⑴压型钢板铺设及屋盖钢筋安装

箱型截面交叉张弦梁施工完成后，开始铺设楼面压型钢板，压型钢板面应紧贴梁、柱面，铺设后及时点焊牢固。

⑵本工程屋盖长度71 m，宽度49 m，屋面张弦梁随着混凝土浇筑、防水层施工、屋盖下挂的幕墙等荷载不断增加，张弦梁将会有较大沉降，支座水平位移也会增大。屋盖不均匀变形有可能造成屋盖整体拉裂，有必要通过三维仿真技术，模拟各种荷载增加时屋盖变形及受力情况，优化屋盖施工顺序。

⑶按照屋盖施工时不同工况，通过三维仿真模拟计算，优化了屋盖的加载顺序，主要施工顺序为：屋盖楼承板钢筋混凝土结构施工→女儿墙施工→防水、保温层及其保护层施工→屋面人工草坪施工→东西向幕墙吊装→屋盖后浇带施工。

⑷为了避免整体屋盖因为浇筑混凝土时施加荷载而引起张弦梁有较大沉降，降低因为竖向荷载增加而增大支座水平位移，屋盖混凝土沿长跨方向设两条后浇带，混凝土分3次浇筑，先浇筑长跨两端区域的混凝土，再浇筑跨中区域，后浇带在屋面所有工序施工完成，侧面下挂的幕墙施工完成后进行封闭，屋面混凝土浇筑顺序如图6所示。

图6 屋面混凝土浇筑顺序Fig.6 Roof Concrete Pouring Sequence

⑸屋面变形情况

施工过程中，对屋面张弦梁跨中竖向位移和支座水平位移进行监测，将监测数据与仿真模拟计算结果对比分析，实测竖向位移比理论值小10 mm，实测水平位移比理论值小1 mm，混凝土浇筑阶段张弦梁竖向位移和支座水平位移变化非常均匀，考虑到支座摩擦、节点刚度和钢结构焊接等影响，使结构刚度略有增大，变形实测值与理论值基本相符。

5 结语

以珠海某体育馆大跨度交叉式张弦梁屋盖为背景，采用Revit和Tekla Structures 软件对张弦梁屋盖进行深化设计和建模，并采用迈达斯仿真软件进行有限元分析，对大跨度交叉式张弦梁屋盖施工技术进行研究，主要成果包括如下：

⑴采用迈达斯软件分工况进行三维仿真模拟分析，动态模拟交叉式张弦梁各施工阶段的变形，优化预应力张拉顺序，解决了荷载叠加引起的一系列影响施工质量及生产安全的问题，张弦梁屋盖变形监测数据与有限元模拟分析结果相吻合。

⑵优化了屋盖混凝土浇筑顺序，混凝土浇筑阶段张弦梁竖向位移和支座水平位移均匀且满足设计规范要求。

⑶根据张弦梁实测数据可以判断结构变形处于可控状态，监测数据也反应了基于迈达斯软件的有限元分析可以实现对大跨度交叉式张弦梁屋盖施工过程的模拟，同时交叉式张弦梁计算模型施加的初始数据和现场实际施工比较吻合。