楊國(guó)棟

(山西中條山工程設(shè)計(jì)研究有限公司銅城設(shè)計(jì)院，山西垣曲 043700)

0 引言

張弦梁結(jié)構(gòu)作為大跨度輕型結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要分支，因其獨(dú)有的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為高速鐵路客站中應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一。高速鐵路站房由于受自然風(fēng)和高速列車風(fēng)的作用以及站房和雨篷對(duì)其的遮擋效應(yīng)，可能對(duì)建筑物的局部產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的荷載作用，改變結(jié)構(gòu)的受力性能并引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。因此，多數(shù)高鐵站房建筑采用開(kāi)敞式的站場(chǎng)設(shè)計(jì)，當(dāng)高速列車和自然風(fēng)過(guò)站時(shí)，采用無(wú)柱張弦梁結(jié)構(gòu)體系的雨篷下方空間較為開(kāi)敞，氣流容易擴(kuò)散，從而得到較為廣泛的應(yīng)用。

日本大學(xué)的M.Satioh［1］教授通過(guò)對(duì)張弦梁進(jìn)行了線性分析和試驗(yàn)研究，總結(jié)出了BSS(Beam String Structure)的實(shí)際施工過(guò)程以及預(yù)應(yīng)力的施加方法，但文獻(xiàn)中未涉及到具體的理論分析內(nèi)容，只給出了理論計(jì)算的結(jié)果，對(duì)初學(xué)者有一定難度。文獻(xiàn)［2］通過(guò)改變張弦梁的上弦梁形成另一種張弦梁結(jié)構(gòu)Hybrid String Structure(HSS)，文獻(xiàn)中主要分析了HSS中索的作用、索中需要施加的預(yù)應(yīng)力取值以及HSS在工程實(shí)踐中的應(yīng)用情況。文獻(xiàn)［3］對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析和試驗(yàn)研究，采用幾何非線性有限元法建立了該類結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析模型，并編寫了相應(yīng)計(jì)算程序。浙江大學(xué)的董石麟、陳榮毅等通過(guò)對(duì)廣州國(guó)際會(huì)議展覽中心工程中的張弦梁結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程進(jìn)行研究［4，5］，所做工作如下:對(duì)張弦鋼桁架梁在各基本荷載作用下的內(nèi)力及變形進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，并最終確定了施加預(yù)應(yīng)力的施工方案，利用有限元軟件ANSYS建立了張弦鋼桁架梁的線彈性模型，并對(duì)張弦鋼桁架梁進(jìn)行了張拉屈曲分析;東南大學(xué)的李維濱，高飛，施駿等通過(guò)對(duì)哈爾濱國(guó)際會(huì)展體育中心工程中的張弦梁結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程進(jìn)行細(xì)致深入的研究［6，7］，提出了針對(duì)工程應(yīng)用的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，結(jié)合數(shù)值模擬，制定合理的施工方案。

1 張弦梁吊裝施工

1.1 吊點(diǎn)設(shè)置

采用四條φ42的鋼絲繩四點(diǎn)捆扎法起吊張弦梁，直接捆綁于梁弦桿處，其中端部這邊兩根鋼絲繩配備兩個(gè)10 t倒鏈調(diào)節(jié)桁架起吊時(shí)的角度平衡，并用鋼管護(hù)套墊鋼絲繩，以防與梁接觸的直角邊剪切力過(guò)大破壞鋼絲繩，另配四個(gè)15 t卸扣。具體點(diǎn)設(shè)置如圖1所示。

1.2 張弦梁吊裝施工細(xì)部流程

第1步:使用四臺(tái)150 t履帶吊分別吊裝第③，?軸線南側(cè)和北側(cè)V形柱，柱腳錨栓固定(柱腳本身為全剛節(jié)點(diǎn));第2步:使用四臺(tái)150 t履帶吊分別吊裝第④，?軸線南側(cè)和北側(cè)V形柱，柱腳錨栓固定;第3步:使用四臺(tái)150 t履帶吊分別吊裝第③～④，?～?軸線北側(cè) V形柱頂拉梁;第4步:同第2，第3步驟安裝⑤，?軸線V形柱及相應(yīng)柱頂拉梁，吊機(jī)仍采用150 t履帶吊機(jī)。在南，北側(cè)分別使用兩臺(tái)250 t履帶吊機(jī)吊裝第④，?軸線第一榀張弦梁，并進(jìn)行梁與柱連接及梁與梁空中對(duì)接焊;第5步:同前4步驟安裝⑥，?軸線V形柱及相應(yīng)柱頂拉梁。在南、北側(cè)分別使用兩臺(tái)250 t履帶吊機(jī)吊裝第④，?軸線第二榀張弦梁，并進(jìn)行梁與柱連接及梁與梁空中對(duì)接焊，同時(shí)使用站臺(tái)上四臺(tái)25 t汽車吊安裝部分支撐檁條;第6步:同第5步驟安裝完第⑦，⑩軸線V形柱及相應(yīng)柱頂拉梁。同第5步驟安裝完第⑤，?軸線第一榀上弦梁及部分檁條支撐。利用使用站臺(tái)上另外四臺(tái)25 t汽車吊安裝完第④，?軸線第一榀張弦梁的下弦拉索及腹桿;第7步:同第6步驟安裝完第⑧，⑨軸線V形柱及相應(yīng)柱頂拉梁，所有V形柱安裝完畢。同第6步驟安裝完第⑤，?軸線第二榀上弦梁及部分檁條支撐。同第6步驟安裝完第④，?軸線第二榀張弦梁的下弦拉索及腹桿;第8步:南、北側(cè)各兩臺(tái)150 t履帶吊機(jī)開(kāi)始吊裝墻梁、墻面支撐等墻面系統(tǒng)構(gòu)件。同第7步驟安裝完第③，?軸線第一榀上弦梁及部分檁條支撐。同第7步驟安裝完第⑤，?軸線第一榀張弦梁的下弦拉索及腹桿。同時(shí)利用四臺(tái)25 t汽車吊機(jī)安裝第④，?軸線檁條系統(tǒng);第9步:南、北側(cè)各兩臺(tái)150 t履帶吊機(jī)繼續(xù)吊裝墻梁、墻面支撐等墻面系統(tǒng)。同第8步驟安裝完第③，?軸線第二、三榀張弦梁及部分檁條支撐。同第8步驟安裝完第⑤，?軸線第二榀及第③，?軸線第一榀張弦梁的下弦拉索及腹桿。同第8步驟安裝完第⑤，?軸線檁條系統(tǒng);第10步:同第9步驟安裝完成站房雨篷所有墻面系統(tǒng)構(gòu)件。同第9步驟安裝至第⑦，⑩軸線第二上弦梁及部分檁條支撐。同第9步驟安裝至第⑥，?軸線第二榀張弦梁的下弦拉索及腹桿。同第9步驟安裝至第⑥，?軸線檁條系統(tǒng);第11步:同第10步驟安裝完張弦梁所有主體結(jié)構(gòu)。同第10步驟安裝至第⑦，⑩軸線檁條系統(tǒng)。南、北各一臺(tái)120 t汽車吊開(kāi)始吊裝南、北門廳結(jié)構(gòu);第12步:同第11步驟安裝完成所有檁條系統(tǒng)。南、北各一臺(tái)120 t汽車吊繼續(xù)吊裝南、北門廳結(jié)構(gòu);第13步:同第12步驟門廳結(jié)構(gòu)吊裝完成。所有鋼結(jié)構(gòu)安裝完畢。

2 張弦梁安裝施工與數(shù)值模擬

2.1 施工過(guò)程概述

鋼結(jié)構(gòu)吊裝總體分四大步驟:

第一步:搭設(shè)臨時(shí)支撐(采用只受壓?jiǎn)卧M)，吊裝鋼柱、張弦梁弦桿及撐桿;第二步:原位穿索，安裝檁條，拉索張拉;第三步:拆除臨時(shí)支撐，結(jié)構(gòu)自己站立;第四步:灌漿、安裝屋面系統(tǒng)，完成吊裝過(guò)程。

圖1 吊點(diǎn)設(shè)置示意圖

2.2 安裝施工過(guò)程結(jié)構(gòu)變形數(shù)值模擬

第一步:由于臨時(shí)支撐的作用，第一施工步張弦梁上弦跨中上撓2 mm，半跨跨中下?lián)?2.8 mm;

第二步:對(duì)索施加預(yù)應(yīng)力，隨著預(yù)拉應(yīng)力的逐漸增大，張弦梁跨中上撓值逐漸加大;

第三步:對(duì)索施加的預(yù)估張拉力達(dá)到1 450 kN時(shí)，張拉后，張弦梁跨中上撓88.1 mm，張弦桁架已脫離臨時(shí)支撐，可即行拆除臨時(shí)支撐，結(jié)構(gòu)達(dá)到自己承載的狀態(tài);

第四步:施加全部恒載作用后，張弦梁跨中下?lián)?.7 mm，半跨跨中下?lián)?0.8 mm，與設(shè)計(jì)的要求基本吻合，預(yù)估張拉值基本準(zhǔn)確。

3 張弦梁張拉施工與數(shù)值模擬

張拉分兩級(jí)張拉，數(shù)值模擬僅以第一組張弦梁為例，闡述張拉過(guò)程中張弦梁以及整體雨篷結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力與變形。

3.1 第一級(jí)張拉

兩邊最外側(cè)兩跨，張拉第一組，同時(shí)對(duì)稱張拉LS1和LS26，第一級(jí)張拉至60%初張力。張弦梁上弦跨中上撓0.23 mm，半跨跨中下?lián)?.32 mm，索的拉力范圍為636 kN～1 119 kN。張拉完成后，得到結(jié)果如圖2所示。

圖2 第一級(jí)張拉第一組索至60%時(shí)的拉索內(nèi)力和結(jié)構(gòu)豎向位移

3.2 第二級(jí)張拉

兩邊最外側(cè)兩跨，張拉第一組，同時(shí)對(duì)稱張拉LS1和LS26，張弦梁跨中的最大起拱值為63 mm;邊柱的最大水平位移值為11 mm，所張拉的拉索最外側(cè)處的最大張拉力為1 222 kN。張拉完成后，得到結(jié)果如圖3所示。

具體結(jié)論列于下:

1)第一級(jí)張拉完成，結(jié)構(gòu)起拱基本為零，最大水平位移為3 mm。2)第一級(jí)張拉過(guò)程中，索的拉力范圍為636 kN～1 119 kN，張拉過(guò)程中引起的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比較小，在20 MPa以內(nèi)。3)第二級(jí)張拉過(guò)程中，在張拉第13步中所要張拉的張弦梁跨中的起拱值最大，最大起拱為63 mm;在張拉第4步的邊柱的水平位移最大，最大水平位移為11 mm。4)第二級(jí)張拉過(guò)程中，在第8步中所張拉的拉索最外側(cè)處的張拉力最大，最大張拉力為1 222 kN。5)計(jì)算表明，整體拼裝后，通過(guò)兩級(jí)(60%，100%初張力)張拉，可以滿足整個(gè)施工過(guò)程中的受力和穩(wěn)定性要求，達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)。

圖3 第二級(jí)張拉第一組索至100%時(shí)的拉索內(nèi)力和結(jié)構(gòu)豎向位移

為保證鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度以及結(jié)構(gòu)在施工期間的受力和穩(wěn)定性的要求，并使鋼索張拉的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)與設(shè)計(jì)要求相符，必須對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度、張拉過(guò)程中鋼索的拉力及鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)以其自重輕、跨度大、整體穩(wěn)定性好、受力性能明確、外觀整潔美麗等優(yōu)點(diǎn)成為近十年來(lái)快速發(fā)展和應(yīng)用的一種新型大跨度空間結(jié)構(gòu)形式。本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外張弦梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀做了詳盡的綜述和總結(jié)基礎(chǔ)上，詳細(xì)的闡述了高速鐵路張弦梁結(jié)構(gòu)雨篷施工方案，并采用有限元軟件Midas對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，再與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合對(duì)比，對(duì)施工進(jìn)行精確控制與指導(dǎo)。

［1］Masao Saitoh，Akim Okada.The role of string in hybrid string structure，Engineering Structure，1999.

［2］Masao Saitoh.A Study on Structural Characteristic of Beam String Structure.Part Prestressing for Dead Load.Summaries of Technical Papers of Annual Meeting Architectural Institute of Japan，1987.(In Japanese).

［3］白正仙.張弦梁結(jié)構(gòu)的理論分析與試驗(yàn)研究［D］.天津:天津大學(xué)博士學(xué)位論文，1999.

［4］陳榮毅，董石麟.大跨度張弦鋼桁架的預(yù)應(yīng)力施工［J］.空間結(jié)構(gòu)，2003，9(2):61-63.

［5］陳榮毅.大跨度張弦桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工的全過(guò)程分析研究［D］.杭州:浙江大學(xué)博士后學(xué)位論文，2004.

［6］施 駿.預(yù)應(yīng)力張弦桁架施工技術(shù)研究［D］.南京:東南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003.

［7］李維濱，高 飛，施 駿.超大跨度預(yù)應(yīng)力張弦桁架結(jié)構(gòu)施工［J］.施工技術(shù)，2003，7(9):40-42.