张弦梁结构的发展及应用.docx

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张弦梁结构的发展及应用

张弦梁结构是近十余年来发展起来的一种新型大跨结构形式。

结构由抗弯刚度较大的刚性构件和高强度的拉索组成,自重较轻,可以跨度很大空间。

本文在简要介绍张弦梁结构特征、成形过程和在福州火车南站无柱站台雨棚中的应用。

关键词:

张弦梁;施工控制;结构稳定;无柱雨棚

张弦梁结构的发展及应用

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以福州火车南站站台雨棚为例

一、张弦梁结构特征

张弦梁结构的整体刚度贡献来自抗弯构件截面和与拉索构成的几何形体两个方面,是种介于刚性结构和柔性结构之间的半刚性结构,这种结构具有以下特征:

（一）承载能力高

张弦梁结构中索内施加的预应力可以控制刚性构件的弯矩大小和分布。

例如,当刚性构件为梁时,在梁跨中设一撑杆,撑杆下端与梁的两端均与索连接,在梁内引起负弯矩。

当预应力使梁的跨中弯矩也达到时,张弦梁结构中梁的最大弯矩最终只有单纯梁时最大弯矩的1/4。

同时,调整撑杆沿跨度方向的布置,还可以控制梁沿跨度方向内力的变化,使各个截面受力趋于均匀。

而且由于刚性构件与绷紧的索连在一起,限制了整体失稳,构件强度可得到充分利用。

（二）使用荷载作用下的结构变形小

张弦梁结构中的刚性构件与索形成整体刚度后,这一空间受力结构的刚度就远远大于单纯刚性构件的刚度,在同样的使用荷载作用下,张弦梁结构的变形比单纯刚性构件小得多。

（三）自平衡功能

当刚性构件为拱时,将在支座处产生很大的水平推力。

索的引入可以平衡侧向力,从而减少对下部结构抗侧性能的要求,并使支座受力明确,易于设计与制作。

（四）结构稳定性强

张弦梁结构在保证充分发挥索的抗拉性能的同时,由于引进了具有抗压和抗弯能力的刚性构件而使体系的刚度和形状稳定性大为增强。

同时,若适当调整索、撑杆和刚性构件的相对位置,可保证张弦梁结构整体稳定性。

（五）建筑造型适应性强

张弦梁结构中刚性构件的外形可以根据建筑功能和美观要求进行自由选择,而结构的受力特性不会受到影响。

例如浦东国际机场屋盖上弦是焊接钢管组成的截面,结构外形如振翅欲飞的鲲鹏;广州国际会展中心屋盖上弦是空间桁架,结构外形如游曳的鱼。

张弦梁结构的建筑造型和结构布置能够完美结合,使之适用于各种功能的大跨空间结构。

（六）制作、运输、施工方便

与网壳、网架等空间结构相比,张弦梁结构的构件和节点的种类、数量大大减少,这将极大地方便该类结构的制作、运输和施工。

此外,通过控制钢索的张拉力还可以消除部分施工误差,提高施工质量。

二、工程概况

福州火车南站无站台柱雨棚面积78553平方米,分成3个区域,其中南北雨棚共有90根梁,地铁区高架通道有24根,每根钢梁分别有4个拉索撑杆。

由于轨道呈非对称排列,163米的跨度分别由3根梁组成。

福州火车南站雨棚采用张弦梁结构,张弦梁结构最早是由日本大学M.Saitoh教授提出,是一种区别于传统结构的新型杂交屋盖体系。

大跨度张弦梁结构（BeamStringStructure,简称BSS）是近十余年来快速发展和应用的一种新型大跨空间结构形式。

结构由刚度较大的抗弯构件（又称刚性构件,通常为梁、拱或桁架）和高强度的弦（又称柔性构件,通常为索）以及连接两者的撑杆组成;通过对柔性构件施加拉力,使相互连接的构件成为具有整体刚度的结构。

由于综合应用了刚性构件抗弯刚度高和柔性构件抗拉强度高的优点,张弦梁结构可以做到结构自重相对较轻,体系的刚度和形状稳定性相对较大,因而可以跨越很大的空间。

从受力来看,由于张弦梁结构的下弦索预应力作用,有向径向作用力,这个力通

过撑杆传递到上弦杆下部,形成了对梁体或拱的弹性支撑。

所以在相同荷载作用下,对于同样的结构如果有张弦梁支撑会使结构内力大为降低,从而达到减少截面面积,降低结构自重减少材料用量的目的。

从另一个方面来说,由于张弦梁的作用也是结构的跨越能力得以提升,所以在大跨度的厂房,候机厅及体育馆所都会优先考虑张弦梁结构。

在这样的背景下,福州火车南站也选用了张弦梁结构来构建站台雨棚。

三、施工流程及要点

（一）技术准备

1、根据设计要求贬值预应力施工方案

2、准备有关材质检查试验资料

3、报送有关施工资料

4、组织有关人员熟悉图纸,学习有关规范,向作业人员进行技术安全交底。

（二）施工流程

流程:

方案制定和施工图深化->工厂分段制作->地面支架拼接->张拉检->吊装->水平支撑杆件及檩条安装->上弦管内灌浆

（三）施工要点

1、施工方案制定

根据施工图纸及现场条件设计方案,确定施工顺序,制定质量、进度、安全、环保等保证措施,实施项目管理,确保工程进展。

2、制作

张弦梁上弦构建在工厂分段制作。

3、张弦梁拼装

拼装胎架的设计和布置需根据张弦梁上弦拱架的分段情况和分段点的位置来确定,同时要避开张拉弦杆。

为了保证张弦梁的拼装精度和使张拉不受影响,同时考虑到胎架在张拉过程中因主张弦梁组装平台安装钢构件检查与验收钢结构油漆张弦梁现场组装、第一次张拉轴线控制闭合、测量放线钢结构加工张弦梁吊装张弦梁滑移张弦梁第二次张拉并锁定桁架水平移动的影响,以及便于张拉索的地面安装、张弦梁在张拉完毕后便于起吊等因素,钢架横梁的上端搁置可调节高度和平面度的管托。

在拼装胎架时,在断开面设置空档,以留出焊接空间。

在对接口下面焊接时,焊工可以在临时平台上进行。

为了确保张弦梁原始状态的弧度和设计相符,胎架支点的标高测量控制要满足设计标高的要求。

就位前,首先根据张弦梁分段点的标高及轴线对胎架进行垫置,使标高基本达到设计位置,就位后进行微调。

就位时注意对接口的间隙及标高的控制,并且使分段点的位置基本处于胎架的中心。

在调整校正完毕后进行焊接,焊接接口需要打磨光滑过渡。

4、张弦梁张拉

（1）拉索制作。

拉索的索体、护套、索头、连接件以及成品组装件等的质量必须满足相应的现行国家规范和标准。

（2）拉索安装。

为满足建筑结构的要求,雨棚的张弦梁应符合下列施工要求:

a.张弦梁应在胎架上拼装,保证其几何形状与零应力状态一致（张拉前且不承受自重的状态）。

b.拉索的长度应根据本施工图以及锚具和张拉的伸缩量确定。

根据本工程的实际情况,长拉索的张拉考虑采用两端张拉,短拉索的张拉采用一端张拉。

C.张弦梁拼装以后,对拉索进行张拉,张拉力按分析结果和设计要求确定。

（3）拉索张拉控制。

本工程拉索张拉不仅要监控拉索,还要监控钢结构。

（4）放索及索球安装。

设计加工专门的立式支架,在索盘轴孔内穿上圆轴,徐徐转动索盘将索放出。

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,采

用移动平车法,将索逐渐放开,移运至胎架内,并使索基本保持直线状移运。

（5）拉索的安装就位。

张弦梁的安装方法确定为在屋盖一端设置拼装胎架。

拉索的形状呈鱼腹状,根据这一特点,在拉索牵引到位后,在张弦梁两端及中间设置吊点,采用手拉葫芦进行索的提升,将拉索吊拉到位后进行索球与撑杆的连接。

（6）预应力拉索的张拉。

a张拉操作平台。

操作平台采用普通脚手管搭设,搭设高度根据胎架高度而定。

预应力拉索采用在拼装胎架上张拉并一次张拉到位的预应力施加方法进行预应力拉索的张拉。

同时,预应力长拉索的张拉工艺为两端张拉,短拉索的张拉工艺为一端张拉。

张弦梁在胎架上拼装,此时对索进行张拉,只有张弦梁和索的自重。

b正式张拉。

正式张拉前,张拉设备和钢撑脚及工具拉杆等辅助设备全部准备及加工到位运至现场。

下弦索张拉时,结构上只有上弦梁、撑杆、下弦索、两根上弦梁之间的上弦腹杆。

张拉前,全面检查,确保张弦梁两张拉端与胎架连接处可自由滑动。

张拉时,统一指挥,按张拉给定的控制技术参数进行精确控制张拉。

根据计算,拉索预应力施加至解决自重时,张弦梁应脱离胎架,此时应全面落架,确保后阶段张拉,张弦梁沿着梁方向处于自由移动状态,便于张弦梁变形控制和张拉力控制。

为保证预应力拉索施工质量,在拉索张拉过程中进行结构应力和变形监测。

包括拉索自身张拉应力变化、索力之间的相互影响,结构变形以及其他钢构件的内力影响。

用应变法、张力计和全站仪对张弦梁张拉过程中及张拉后处于初状态时张弦梁结构杆件内力和结构外形主要指标进行检测,对测量所得数据与设计要求进行对比分析,以确定张拉作业是否达到设计要求。

检测的内容有节点控制点的位置、拉索张力、上弦和撑杆的内力。

5、张弦梁吊装

张弦梁拼装完成并且第一次张拉完毕后利用汽车吊进行抬吊,抬吊后直接放置在混凝土梁顶的滑移轨道上。

由于张弦梁过长,在没有形成空间结构单元之前,需保证单榀张弦梁的稳定:

即事先在张弦梁的不同部位设置揽风绳,在张弦梁就位后立即对张弦梁进行固定。

第一榀张弦梁固定好后,进行第二榀张弦梁的吊装、就位和加固,并及时对张弦梁之间的支撑体系进行连接。

当两榀张弦梁及中间的支撑体系和檩条等全部连接安装完毕,在检查各个细部环节没有安全隐患后,便可以将此张弦梁单元组向前滑移到设计位置,再进行下一榀张弦梁的吊装就位。

6、张弦梁就位

张弦梁吊装到位后,将固定端用销轴与框架梁连接将移动端放置在滑动支座上。

调整活动端的位置,使其与轴线对准,并把张弦梁的移动端与单（双）向球形支座进行连接。

7、张弦梁水平连接成组

张弦梁吊装到位后,及时安装张弦梁间的水平支撑杆件,将张弦梁相互连接成组,使张弦梁成为稳定的结构体系。

大跨边柱端设置球形支座,小跨边柱端设置柱面滑动钢支座。

8、张弦梁上弦杆空腔内灌浆

张弦梁水平杆件安装完成、屋面系统的檩条也安装到位后,进行灌浆。

大小联跨的张弦梁,先对小跨张弦梁灌浆。

在屋面体系安装完成后,张弦梁结构所承受的载荷又会有所增加,索张力也发生了同比例的变化。

三、质量控制

（一）质量控制标准

执行:

《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001的有关规定。

（二）质量保证措施

1、加强技术管理,认真贯彻国家规定、规范、操作规程及各项管理制度。

2、建立完整的质量管理体系,项目管理部设置质量管理领导小组,由项目负责人和总工程师全权负责,选择精干、有丰富经验的专业质量检查员,对各工序进行质量检查监督和技术指导。

3、严格执行质量目标管理,把质量与效益严密挂钩,实行优质优价,质量目标责任制。

质检员认真行使质量否决权,使质量管理始终处于受控状态。

4、项目部每天要开好现场生产的质量碰头会,每周对工程进行全面检查,进行三分析活动,即:

分析质量存在的问题,分析质量问题的原因,分析应采取的措施,查出问题及时整改。

5、预应力张拉操作人员,必须经过培训,持证上岗。

6、应严格执行“三按”、“三检”和“一控”。

“三按”:

严格按图纸、按施工方案和施工工艺、按国家现行规范和标准施工。

“三检”:

自检、互检、交接检。

“一控”:

自控准确率、一次验收合格率。

7、应加强施工全过程中的质量预控,密切配合建设、监理人员的检查与验收,按时作好隐蔽工程记录。

8、加强原材料的管理工作,严格执行各种材料的检验制度,对进场的材料和设备必须认真检验,并及时向监理方提供材质证明、试验报告和设备报验单。

9、优化施工方案,认真作好图纸会审和技术交底。

每层、段都要有明确和详细的技术交底。

施工中随时检查施工措施的执行情况,作好施工记录。

按时进行施工质量检查掌握施情况。

10、认真作好工程技术资料,及时准确完整收集和整理好各种资料,如合格证、试验报告、质检报告、隐蔽验收记录等,及时办理各种签证手续,由资料员负责各种资料的收发由技术负责人负责资料的内涵管理、整理和保管等外延管理。

（三）质量评定

按照中华人民共和国国家标准《钢结构结构工程施工质量验收规范》的规定进行质量评定,工程质量必须符合上述标准的要求。

（四）质量回访

在工程结构封顶和工程竣工后对施工质量进行回访,请建设单位、设计单位、监理单位对预应力的施工质量服务态度相互配合等方面进行评定,并认真作好回访记录。

（五）工期保证体系

1、预应力钢索生产加工

预应力钢索及配件均按照设计图纸要求,中标后及时联系生产,确保生产加工周期满足工期要求;

2、预应力钢索张拉

根据土建总体施工进度要求,在钢结构安装完成相应的部分后,预应力钢索进行张拉。

3、计划管理保证

在总工期的宏观控制下,确定预应力钢结构施工进度;

4、劳动力安排保证

根据工期要求,适时调整劳动力,并保证作业人员按时进场,做到不窝工,不延误工期。

5、物资设备保证

保证材料供应,确保各种机械设备的正常运转,不因材料机械耽误施工,有足够的各类张弦梁施工方案机械以保证生产的需求。

6、技术措施保证

根据施工流水段,组织切合实际的交叉作业,编制可行而又高效的施工方案和技术措

施,采用合理的工艺流程,及时作好针对性的技术交底,使施工人员深刻领会,做到熟能生巧。

四、安全措施

（一）建立安全保障体系,由项目负责人全面管理,每个班组设安全员一名,具体负责预应力施工的安全。

（二）在进行技术交底时,同时进行安全施工交底。

（三）张拉操作人员必须持证上岗。

（四）张拉作业时,在任何情况下严禁站在预应力钢索端部正后方位置。

操作人员严禁站在千斤顶后部。

在张拉过程中,不得擅自离开岗位。

（五）油泵与千斤顶的操作者必须紧密配合,只有在千斤顶就位妥当后方可开动油泵。

油泵操作人员必须精神集中,平稳给油回油,应密切注视油压表读数,张拉到位或回缸到底时需及时将控制手柄置于中位,以免回油压力瞬间迅速加大。

（六）油管接头处和张拉油缸端部严禁手触站人,应站在油缸两侧。

（七）预应力施工人员进入现场应遵守工地各项安全措施要求。

（八）对供用电设备定期进行安全检查和维护保养,材料和构件装卸作业要注意起重吊装作业安全。

（九）氧、乙炔气、油漆等易燃易爆材料要按有关规定妥善保管和使用。

（十）张拉过程要加强观察,对结构变形进行控制,确保张弦梁结构安全。

（十一）高空作业人员系安全带,设置安全绳,穿防滑鞋,防止高空坠落。

五、小结

（一）本工程采用大跨度张弦梁结构体系的实践证明,设计与施工是成功的。

（二）由于索体在结构性能的充分发挥,大大降低了用钢量,降低了成本。

（三）本工程选择了采用单榀张弦梁在地面组装,并进行预张拉,不但技术上比较合理,而且节约了成本。

（四）在施工前进行了充分的准备工作,对结构张拉过程进行了施工仿真计算,同时采用了有效的监测手段,保证了工程的顺利进行。

从监测的结果来看,实测结果很好的验证了理论计算结果,同时说明了通过有限元计算软件进行施工仿真计算是比较可信的。

本工程的施工方法可以为同类工程施工提供借鉴。

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