大跨度预应力张弦桁架结构的设计与分析

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摘要：近年来，由于在许多重要的大跨度建筑,中的成功应用，使其成为了当前空间结构研究领域中的热点课题之一。本文以广州国际会展中心为例，在查阅大量文献资料和经典工程案例的基础上，对广州国际会议展览中心展览大厅钢屋盖126.6m跨度的预应力张弦立体桁架钢结构进行计算与分析。本文主要对矢跨比、拉索数量、预应力度等三个参数进行了比较分析，得出了本工程最终采用的结构分析模型。

关键词：预应力；张弦桁架；结构；设计；分析

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

1 引言

随着对建筑的跨度要求越来越大，张弦桁架结构以其优美的造型和良好的经济性受到越来越多的重视。广州国际会展中心和哈尔滨国际会展中心的建成，标志着我国的张弦梁、张弦桁架的设计与施工技术取得了很大的进步。本文以广州国际会展中心为例，按照我国的有关规范（特别是荷载取值和材料强度取值）和风洞试验结果所提供的数据，对广州国际会议展览中心展览大厅钢屋盖126.6m跨度的预应力张弦立体桁架钢结构进行计算与分析。本文主要对矢跨比、拉索数量、预应力度等三个参数进行了比较分析，得出了本工程最终采用的结构分析模型。[ 陈荣毅等.大跨度预应力张弦桁架结构的设计与分析[J].空间结构，2003年。]

张弦结构施工过程主要涉及的问题有：施工中下弦钢索张拉顺序的确定、张拉过程中张拉力的分级确定，相邻两榀桁架间张拉先后相互影响的问题等。目前，针对索力控制及张弦结构施工过程分析提出的方法主要有循环迭代法、线性叠加法和按施工顺序划分的正、反分析方法等。[ 张磊.跨度张弦桁架结构施工过程优化研究[D].河北工业大学，2011年6月。 ]广州国际会议展览中心建筑主桁架上部为呈倒三角形的立体钢管桁架，下部为单根张拉索，上部立体桁架和下部张拉索之间由腹杆连接，共同组成了大跨度预应力张弦桁架。张弦桁架两端搁置在砼结构上，总体形象呈鱼腹状，最高安装高度约为40m。由于在安装时，工程主体砼结构已全部完成，大型机械无法进行跨内直接进行屋盖安装工作，且工期又十分紧迫，因此，展览大厅屋盖钢结构的安装方案确定是本工程能否按时竣工的关键。根据工程实际情况进行方案比较后，择优选用了“主桁架地面拼装，节间跨端组装，区间整体同步牵引平移到位”的施工方法，分东西两条作业线同时进行安装。[ 陈荣毅等.大跨度预应力张弦桁架的吊装[J].空间结构，2003年。

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2模型比较分析

2.1恒载标准值

2.2 对比分析

研究结果表明，在工程设计的范围内几何非线性因素的影响可以忽略不计，这对于该结构的分析和设计提供了便利条件。本文在考虑矢跨比、拉索数量、预应力度等三个影响参数的基础上，选取了其中三个典型模型进行比较分析（见表1），以说明本工程结构分析模型的确定依据。计算时以MODEL 1为基本模型,MODEL 2与MODEL 3为比较分析模型，模型具体数据见表1。对三种模型分别计算其在设计荷载和风荷载作用时桁架的变形量以及相应拉索的受力情况，计算结果及用钢量列于表2。表2中的设计荷载为恒载×1.2+活载×1.4+预应力，其中预应力的施加是以跨中竖向变形为零进行的，对于恒载×1.2+活载×1.4和预应力分别作用下的变形与内力在此略去。[ 陈荣毅等.大跨度预应力张弦桁架结构的设计与分析[J].空间结构，2003年。

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表1：比较分析模型

表2：模型计算结果比较

上述计算结果表明，矢高对杆件内力、位移、用钢量等有显著影响。因此，矢跨比是大跨度钢桁架结构研究的一个重要因素。根据已有研究成果，合理的跨度与高度之比一般在10～15之间。而拉索数量及预应力度的选择直接影响了杆件截面尺寸，从而直接导致了结构用钢量的变化。

3工程设计方案

结合我国钢结构设计与制作有关规范以及圆钢管设计要求，同时考虑到施工因素，在MODEL1的基础上，对杆件截面、拉索和预应力度的选择作了进一步的探讨，得到了本工程的结构分析模型，各主要杆件截面尺寸见表3，其分析主要结果见表4。

表3：工程采用的分析模型

表4：工程模型分析主要结果

另外，我们简要分析预应力度对结构的影响。索内预应力的作用是使结构反拱以增大索桁架结构的竖向刚度，从而减小结构的竖向位移。另一方面，索的张拉必然给桁架附加一个额外的轴向压力和弯矩。相对于预应力为零的情况，这种变化会增加上部桁架的内力和索的轴向拉力，有可能增加整个结构的用钢量。

4预应力张拉方案确定

张弦桁架有2种张拉方案：

（1）胎架一次张拉法：张弦桁架在拼装胎架上一次张拉到位，在温度缝间所有张弦桁架、檩条和支撑拼装成整体单元后，如张弦桁架跨中标高有偏差做局部张拉调整。局部张弦桁架索力的调整对与其相邻桁架的索力和控制点位移有一定的影响，但在各榀张弦桁架控制点位移偏差不大的前提下做局部调整是可行的。[ 李维滨等.超大跨度预应力张弦桁架结构施工[J].施工技术，2003年。]

（2）二次张拉法：预应力张拉分2次完成，第1次张拉在拼装胎架上，第2次张拉在温度缝间的所有张弦桁架及檩条和支撑拼装成整体单元后实施。二次张拉阶段由于结构已形成空间整体，对其某一榀张弦桁架张拉时，对相邻张弦桁架的索力、控制点位移有明显影响，施工中同时张拉所有张弦桁架难以实现，所以二次张拉时很难控制张弦桁架的索力与跨中竖向位移。[ 吕少锋等.大跨张弦梁结构施工技术研究[J].山西建筑，2006年。]

5大跨度预应力张弦桁架的吊装

张弦桁架在胎架上张拉完成后，已经形成一个整体结构。理论上，起吊吊点可以在结构任意位置设置。但是，作为柔性结构形式，并结合结构设计方法以及不同的施工方案等因素，吊点位置的设置是很关键的。

吊点一般选择在桁架的节点，在选择吊点时应满足下列条件：桁架的各杆件，特别是吊点附近杆件的轴力不超过允许值，以最大值不超过相应杆件抗拉（压）强度为原则；吊索与水平线夹角不宜太小，一般以60°左右为宜。[ 陈荣毅.大跨度张弦桁架结构设计与施工的全过程分析研究[D].浙江大学，2006年。]

根据上述要求，为了减少桁架变形，使吊装时桁架受力工况接近安装后工况，本工程的张弦桁架起吊吊点设置在张弦桁架两端，两端的吊点紧靠支座处，即设在张弦桁架支座上方的上弦杆上，为四点吊，见图1、图2。[ 陈荣毅.大跨度张弦桁架结构设计与施工的全过程分析研究[D].浙江大学，2006年。]

图1：正视图

图2：俯视图

根据吊装方案，起吊时在桁架端部上弦节点设置钢梁，采用四根固定长度的钢绳平稳起吊。该种状态除端部直腹杆受力状态与平放状态不一致外，其它条件都是一样的，因此，不会引起索力变小，可以保证索的平面外稳定。在起吊时，动力系数的作用相当于在桁架上施加了额外的竖向力，因此也只会使索力增大。[ 陈荣毅.大跨度张弦桁架结构设计与施工的全过程分析研究[D].浙江大学，2006年。]

6 屋盖的整体安装施工

（1）高空拼装法。桁架分段吊装y高空原位拼装y支架卸载（被动施加预应力）或高空张拉y（补充张拉）。这是一种常规的方案。此法在结构跨度不大的情况下应用效果较好。起重机跨外开行吊装,张弦桁架高空张拉，可与下部土建施工同步进行。

（2）吊装（滑移）法。单榀张弦桁架胎架拼装y张拉y吊装y区段拼装y（滑移）y整体拼装y（张拉）。其施工步骤为：a.在地面搭设水平胎架，将张弦桁架分段按设计要求进行焊接拼装，并保证其几何尺寸精度；b.将拉索置于张弦桁架下放空间中，两头套入管节点,采用千斤顶预紧、就位；c.在张弦桁架两端设置千斤顶逐步张拉；d.采用两台大型起重机起吊张弦桁架至安装高度，安放于边节间位置；e.张弦桁架之间通过檩条、支撑等杆件组成稳定体系后，区段整体水平滑移就位。[ 吕少锋等.大跨张弦梁结构施工技术研究[J].山西建筑，2006年。

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参考文献：

【1】陈荣毅等.大跨度预应力张弦桁架结构的设计与分析[J].空间结构，2003年。

【2】张磊.跨度张弦桁架结构施工过程优化研究[D].河北工业大学，2011年6月。

【3】陈荣毅等.大跨度预应力张弦桁架的吊装[J].空间结构，2003年。

【4】陈荣毅等.大跨度预应力张弦桁架结构的设计与分析[J].空间结构，2003年。

【5】李维滨等.超大跨度预应力张弦桁架结构施工[J].施工技术，2003年。

【6】吕少锋等.大跨张弦梁结构施工技术研究[J].山西建筑，2006年。

【7】陈荣毅.大跨度张弦桁架结构设计与施工的全过程分析研究[D].浙江大学，2006年。

【8】陈荣毅.大跨度张弦桁架结构设计与施工的全过程分析研究[D].浙江大学，2006年。

【9】陈荣毅.大跨度张弦桁架结构设计与施工的全过程分析研究[D].浙江大学，2006年。

【10】吕少锋等.大跨张弦梁结构施工技术研究[J].山西建筑，2006年。