一個張弦梁工程實例的探討

1、<p>　　一個張弦梁工程實例的探討</p><p><b>　　摘要 </b></p><p>　　張弦梁結構最早是一種區(qū)別于傳統(tǒng)結構的新型雜交屋蓋體系，按其結構形式可將其分為平面張弦梁結構和空間張弦梁結構。本文所涉及的結構即為平面張弦梁結構的張拉拱形式，本文通過對現(xiàn)場的工程實例中出現(xiàn)的實際問題及其分析、解決辦法進行介紹，并分別從設計和施工兩個角度分別對結

2、構形式、鋼拉桿張拉方案等設計本身及施工中實際遇到的問題進行剖析，從理論上提出了解決辦法及其理論依據(jù)，并通過實踐使解決辦法得到了驗證。 </p><p>　　關鍵詞：張弦梁 張拉拱 鋼拉桿 張拉 </p><p>　　中圖分類號： TU74 文獻標識碼： A 文章編號： </p><p><b>　　一、工程實例 </b></p>

3、<p><b>　　1.1工程概況 </b></p><p>　　北京某地鐵線高架站站房屋架設計采用平面張弦梁張拉拱形式，上拱梁采用φ299×12mm鋼管，材質為Q345B，張拉段梁長度為11.3m；柔性拉索采用Q650B材質的φ40mm的鋼棒拉桿，拉桿上端通過耳板與橫梁下連接板銷釘連接，下端通過耳板與豎向撐桿下端銷釘連接，連接采用直徑Φ40mm銷釘；豎向撐桿上端設計亦采

4、用Φ40mm銷釘和拱梁連接，豎向撐桿為1根主桿為Φ83×7mm的鋼管，各榀梁在橫梁頂部沿屋架縱向用Φ102×5mm鋼管系桿連接系桿橫向間距4m。 </p><p>　　設計施工圖明確張弦梁初始態(tài)的上弦失高為34mm，拉索(桿)張拉力為124KN；拉桿的張拉采用旋擰拉桿兩端的六角螺母施加預應力而進行。 </p><p>　　工程實體照片及構件位置關系 </p>

5、<p>　　1.2施工深化方案及產(chǎn)生問題 </p><p>　　1.2.1施工深化方案 </p><p>　　施工單位對設計圖紙進行審圖和深化設計，確定采用把張弦梁各組成部分采用散件吊裝，進行高空拼接最后張拉的方案。因此，為了鋼結構施工高空安裝方便，深化設計時，豎向撐桿和拱梁銷釘連接處的連接板間游隙預留為5mm；張拉桿采用廠制成品鋼拉桿，按照設計拉桿尺寸定制專用張拉螺母，螺母

6、設計按照螺紋沿桿軸方向承壓600KN以上設計。 </p><p>　　施工單位對橫梁深化設計時，考慮結構自重、設計張拉力及初始態(tài)上拱值，使用結構軟件利用反迭代法進行零狀態(tài)的計算，確定放樣狀態(tài)。張拉鋼拉桿預拉力采用扭矩—拉力轉換的方式確定，利用經(jīng)驗公式扭矩T = KPd，系數(shù)K值由經(jīng)驗確定為0.2；P為拉桿預拉力；d為拉桿直徑。 </p><p>　　1.2.2產(chǎn)生問題 </p>

7、<p>　　問題一：張拉完畢后，兩根鋼拉桿與豎向撐桿構成的理論平面發(fā)生了扭轉，表現(xiàn)為豎向撐桿下端出現(xiàn)水平位移(位移值約50mm)，偏出拱梁豎向軸平面； </p><p>　　問題二：鋼拉桿采用對稱張拉，張拉施加扭矩按照設計預拉力和上述扭矩—拉力轉換關系達到計算數(shù)值時，拱梁上弦失高并未達到34mm，僅有18mm左右。 </p><p>　　1.3問題分析及解決方案 </p

8、><p><b>　　1.3.1問題一 </b></p><p><b>　　(1)問題分析 </b></p><p>　　問題一出現(xiàn)可能有以下原因 </p><p>　　高空拼接、安裝誤差為問題出現(xiàn)埋下隱患，尤其是豎向撐桿和拱梁連接的連接板間游隙過大，給豎向撐桿產(chǎn)生水平位移創(chuàng)造了條件； </p&

9、gt;<p>　　豎向撐桿在垂直張拉面兩側無側向約束，張弦梁在平面外僅有頂部系桿連接，其在平面外本身就是瞬變體系。 </p><p><b>　　(2)解決方案 </b></p><p>　　將張拉完成的張弦梁拉桿的預應力進行放張，使豎向撐桿成自然垂直狀態(tài)，在撐桿垂直張拉面兩側增加側向剛性斜撐，固定豎向撐桿，保證其在一定的外力作用下不會發(fā)生水平位移，然后

10、在進行對稱張拉。 </p><p>　　豎向撐桿兩側加側向支撐 </p><p><b>　　1.3.2問題二 </b></p><p><b>　　(1)問題分析 </b></p><p>　　問題二出現(xiàn)可能有以下原因 </p><p>　　由于平面張弦梁平面外穩(wěn)定性的先天

11、缺陷，豎向撐桿下端水平位移的產(chǎn)生，對鋼梁的豎向起拱值產(chǎn)生了影響； </p><p>　　扭矩—拉力轉換關系公式中系數(shù)K按照經(jīng)驗確定，理論轉換計算的扭矩值可能比實現(xiàn)設計預拉力所實際需要達到的扭矩小，從而導致起拱偏?。?</p><p>　　張弦梁組成構件放樣加工階段對張弦梁零狀態(tài)的定義出現(xiàn)偏差或偏差過大，導致實際起拱值小于設計要求值。 </p><p><b&g

12、t;　　(2)解決方案 </b></p><p>　　首先對張弦梁的零狀態(tài)進行重新定義復核，確認放樣狀態(tài)無誤。 </p><p>　　其次，對扭矩—拉力轉換關系公式中系數(shù)K進行試驗標定，現(xiàn)場隨機取4根拉桿進行分級(4級)加載張拉試驗，在拉桿上粘貼應變片，并采用應變儀采集記錄數(shù)據(jù)，最后通過擬合扭矩和拉力(應力)關系曲線確定K值，應用于后續(xù)拉桿張拉過程控制扭矩。 </p>

13、;<p>　　最后，將實際起拱值和現(xiàn)場問題與設計溝通，確定增加豎向撐桿的側向支撐方案，并據(jù)此進行結構受力分析和二次計算，調整張弦梁初始態(tài)為：鋼拉桿預拉力100KN，上弦失高為22mm。 </p><p><b>　　1.4處理結果 </b></p><p>　　經(jīng)過對現(xiàn)場出現(xiàn)的問題進行分析和對設計結構形式及施工方案進行調整，成功地實現(xiàn)了張弦梁鋼拉桿的設計

14、預拉力施加和上弦失高的準確控制，使工程施工得以順利進行，同時保證了工程質量。 </p><p><b>　　二、討論 </b></p><p>　　2.1設計結構形式的討論 </p><p>　　張弦梁結構最早是由日本大學M.Saitoh教授提出，是一種區(qū)別于傳統(tǒng)結構的新型雜交屋蓋體系。張弦梁結構是一種由剛性構件上弦、柔性拉索、中間連以撐桿形成

15、的混合結構體系，其受力機理為通過在下弦拉索中施加預應力使上弦壓彎構件產(chǎn)生反撓度，結構在荷載作用下的最終撓度得以減少，而撐桿對上弦的壓彎構件提供彈性支撐，改善結構的受力性能。張弦梁結構體系簡單、受力明確、結構形式多樣、充分發(fā)揮了剛柔兩種材料的優(yōu)勢，并且制造、運輸、施工簡捷方便，因此具有良好的應用前景。我國首次使用張弦梁結構形式的工程是在1999年建成的上海浦東國際機場航站樓。 </p><p>　　本工程設計中，張

16、弦梁的柔性拉索采用φ40mm的鋼棒拉桿，不同于傳統(tǒng)意義上的預應力鋼絲束拉索；鋼棒拉桿區(qū)別于鋼絲束的最大特點是既可以受拉又可以承壓，這種拉索在以風荷載為主的工況作用下和存在較大振動荷載作用的工況下，可以避免在突然出現(xiàn)上弦受拉、下弦受壓時下弦拉索退出工作的情況(稱為“壓力效應”)下，保證結構的使用安全。傳統(tǒng)張弦梁使用鋼絲束拉索時，一般采用加大拉索預應力來抵抗壓力效應，但應該注意的是：如果采用加大預應力的方法保證拉索在上述兩種工況下不退出工作

17、，相應地拉索中預應力必然較大。而結構中的預應力過大，在沒有風荷載作用和振動荷載作用的工況下，實際是人為地加大了結構的負擔，這會對結構產(chǎn)生不利影響。這個特性也是張弦梁結構的主要缺點之一。使用鋼棒拉桿便可以充分利用鋼棒的抗壓性能，因此也就不存在需要加大預應力而增加結構負擔的問題。 </p><p>　　此外，從預應力施加工藝上看，一般的張弦梁柔性拉索的預拉力采用帶壓力表的千斤頂?shù)裙ぞ呤┘?，此種工藝在預應力施加方面比較

18、成熟，便于控制，而本工程設計采用通過旋擰拉桿桿端螺母而產(chǎn)生桿內拉力的方法，該方法與高強螺栓連接施加預拉力的方法類似。 </p><p>　　本工程設計也存在著一定的不足之處，即在平面張弦梁設計中，未在其豎向撐桿下端設置平面外穩(wěn)定索等撐拉構件，同時其在平面外的剛度又不足以抵抗外界荷載的影響而使其自身保持平面外穩(wěn)定，致使單榀張弦梁在平面外成為了一個瞬變體系，尤其是本工程是一個地鐵高架站站房，車輛進出站時存在著較大的振

19、動荷載，這種荷載通過站臺和立柱結構傳遞至屋架，隨時有可能造成屋架在平面外的扭轉變形甚至失穩(wěn)。施工過程中設計對結構體系的調整即增加了豎向撐桿的側向支撐，解決了這一缺陷。然而，對于一個普通的采用張弦梁屋架的結構而言，在張弦梁豎向撐桿下端設置平面外穩(wěn)定索等撐拉構件使其形成單向張弦梁空間結構是設計者較容易想到的穩(wěn)定方案，但就本工程而言，由于其結構的特殊性，致使其無法按照上述穩(wěn)定方案實施。具體原因為：本工程為地鐵站房，屋架上設有接觸網(wǎng)吊桿，其位置

20、正好布置于張弦梁豎向撐桿側向平面內，如果設置平面外穩(wěn)定索必然與其發(fā)生沖突，即便勉強設置穩(wěn)定索，其與接觸網(wǎng)吊桿的沖突也會給人的視覺感官以不舒服的感覺。而最終采用的增加豎向小撐桿的方案是將小撐桿加在了接觸網(wǎng)吊桿倒八字桿以內，即達到了張弦梁平面外穩(wěn)定的目的，又避免了與吊桿發(fā)生沖突，同時也比</p><p>　　2.2現(xiàn)場施工方案的討論 </p><p>　　張弦梁張拉前的零狀態(tài)需要參照設計的張拉

21、后的初始態(tài)和結構荷載進行確定，采用逆迭代法。張弦梁結構零狀態(tài)分析逆迭代法的基本思想是：首先給張弦梁假設一零狀態(tài)幾何 (通常第一步迭代就取初始態(tài)態(tài)的形狀)，然后在該零狀態(tài)幾何上施加預應力及相關結構荷載，并采用分析軟件求出對應的結構變形后的形狀，將其與初始態(tài)形狀比較，如果差別比較微小，就可以認為此時的零狀態(tài)就是要求的放樣狀態(tài)，如果差別超過一定范圍，則修正前一步的零狀態(tài)幾何。并再次進行迭代計算，直到求得的變形后形狀與初始態(tài)形狀滿足要求的精度。

22、這種方法是一種數(shù)值分析的方法在有限元分析軟件中的應用，在此不對其進行深入討論。使用逆迭代法確定張弦梁的零狀態(tài)是張弦梁施工中經(jīng)常用到的一種方法。只有準確確定了張弦梁的零狀態(tài)，才能在施工放樣加工時，確定拱梁的下料尺寸以及預留拱值等參數(shù)，保證張弦梁初始態(tài)的順利實現(xiàn)。 </p><p>　　關于張弦梁的施工工藝，從目前已建張弦梁結構工程的施工程序來看，通常是采用每榀張弦梁張拉完畢后進行整體吊裝就位，而本工程的張弦梁施工程

23、序采用散件吊裝，高空拼接、固定，最后張拉。這種高空散件拼裝的方法是在施工現(xiàn)場無法進行吊裝或無拼裝場地的情況下，將下好料的散件在高空操作平臺上直接定位、對接拼裝、落位的一種安裝方式。高空散件拼裝的施工難度較大，施工精度較難控制，因此在桿件拼裝時會產(chǎn)生相對較大的誤差，正如施工中產(chǎn)生的豎向撐桿下端水平位移，就是因為施工誤差過大引起，而這種施工精度的失控必然會對張弦梁的隨后張拉產(chǎn)生不利影響。除此之外，即便忽略高空拼接施工產(chǎn)生的較大誤差，按照高空

24、拼接后張弦梁可以正常張拉考慮，施工中對上拱梁拱值以及鋼拉桿應力的控制也較為困難，具體表現(xiàn)在兩個方面：一是鋼拉桿張拉工藝的選擇和控制，這個問題將在后續(xù)的討論中進一步闡述；二是由于張弦梁每一榀張弦梁之間均采用剛性系桿連接，當任一榀張弦梁進行張拉起拱時，必然會通過系桿向兩邊傳遞應力，對鄰近的張弦梁拉桿拉力以及拱梁起拱值產(chǎn)生影響，因此想準確控制每榀張弦梁的上拱值和拉桿拉力，需要在梁張拉時預先考慮兩側的梁榀張拉起拱時對其產(chǎn)生的影響，計</p

25、><p>　　本工程鋼拉桿的張拉設計采用通過旋擰拉桿桿端螺母施加扭矩而產(chǎn)生桿內拉力的工藝。這種工藝和高強螺栓連接時施加預拉力的工藝原理相同，因此扭矩—拉力轉換關系可以參照計算，即按照T= KPd計算(各參數(shù)含義見工程實例)。由于高強螺栓連接在鋼結構工程中應用廣泛，其預拉力施加工藝相對較為成熟，因此只需要參照此工藝進行本工程鋼拉桿的張拉工藝設計即可。但這種工藝由于扭力施加工具以及被施加扭矩的螺帽及螺桿材料性能、加工精度

26、等因素的的不同，最終確定的扭矩—拉力轉換關系計算式中K的取值不同，該值需要在大面積張拉施工開始前采用試驗標定的方法進行標定。本工程K值標定方案為采用鋼拉桿現(xiàn)場粘貼應變片測力，同時采用預置式扭矩扳手施加扭矩的方法進行K值的試驗標定。具體方法是采用預先假設K值(按0.2取值)進行扭矩—拉力轉換計算，采用四級加載施加預拉力，即25%P—50%P—75%P—100%P。每級加載完成后進行拉桿拉力以及拱梁上拱值記錄：前三級加載按照計算扭矩進行設定

27、控制，并記錄桿件的拉力值；最后一級加載根據(jù)拉力顯示進行主控制，根據(jù)前三級加載時扭矩和測得的拉力關系調整并設定最后一級加載時的扭矩值(注意不是按照K= 0.</p><p>　　直徑40mm鋼拉桿扭矩—拉力關系數(shù)據(jù)表 </p><p>　　鋼拉桿扭矩—上拱值關系數(shù)據(jù)表 </p><p>　　實踐證明：這種鋼拉桿張拉工藝完全可以采用公式T= KPd根據(jù)拉桿拉力計算扭矩，

28、且扭矩系數(shù)K值可以通過試驗標定，而后再用于大面施工；張弦梁的上拱值隨著扭矩的施加遵循一定的上升規(guī)律，完全可以通過扭矩值來控制上拱值的大小。 </p><p><b>　　結束語 </b></p><p>　　張弦梁結構及其施工工藝的采用，在我國國內歷史尚淺，且涉及也相對較少。本文通過對一個張弦梁工程實例的介紹及討論，深入淺出的闡述了工程實例中遇到的問題及解決辦法，為今

29、后類似的工程施工積累了寶貴的經(jīng)驗，極具參考價值。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1]黃明鑫，大型張弦梁結構的設計與施工[M]，山東科學技術出版社，2005. </p><p>　　[2] 尚仁杰, 吳轉琴, 周建鋒等，預應力鋼結構中拉桿的張拉和檢測方法[J]，建筑技術，2008，,38(12). <