1、一个张弦梁工程实例的探讨摘要 张弦梁结构最早是一种区别于传统结构的新型杂交屋盖体系，按其结构形式可将其分为平面张弦梁结构和空间张弦梁结构。本文所涉及的结构即为平面张弦梁结构的张拉拱形式，本文通过对现场的工程实例中出现的实际问题及其分析、解决办法进行介绍，并分别从设计和施工两个角度分别对结构形式、钢拉杆张拉方案等设计本身及施工中实际遇到的问题进行剖析，从理论上提出了解决办法及其理论依据，并通过实践使解决办法得到了验证。 关键词：张弦梁 张拉拱 钢拉杆 张拉 中图分类号： TU74 文献标识码： A 文章编号： 一、工程实例 1.1 工程概况 北京某地铁线高架站站房屋架设计采用平面张弦梁张拉拱形式
2、，上拱梁采用 29912mm 钢管，材质为 Q345B，张拉段梁长度为 11.3m；柔性拉索采用 Q650B 材质的 40mm 的钢棒拉杆，拉杆上端通过耳板与横梁下连接板销钉连接，下端通过耳板与竖向撑杆下端销钉连接，连接采用直径 40mm 销钉；竖向撑杆上端设计亦采用 40mm 销钉和拱梁连接，竖向撑杆为 1 根主杆为 837mm 的钢管，各榀梁在横梁顶部沿屋架纵向用 1025mm 钢管系杆连接系杆横向间距 4m。 设计施工图明确张弦梁初始态的上弦失高为 34mm，拉索(杆)张拉力为 124KN；拉杆的张拉采用旋拧拉杆两端的六角螺母施加预应力而进行。 工程实体照片及构件位置关系 1.2 施工深
3、化方案及产生问题 1.2.1 施工深化方案 施工单位对设计图纸进行审图和深化设计，确定采用把张弦梁各组成部分采用散件吊装，进行高空拼接最后张拉的方案。因此，为了钢结构施工高空安装方便，深化设计时，竖向撑杆和拱梁销钉连接处的连接板间游隙预留为 5mm；张拉杆采用厂制成品钢拉杆，按照设计拉杆尺寸定制专用张拉螺母，螺母设计按照螺纹沿杆轴方向承压 600KN 以上设计。 施工单位对横梁深化设计时，考虑结构自重、设计张拉力及初始态上拱值，使用结构软件利用反迭代法进行零状态的计算，确定放样状态。张拉钢拉杆预拉力采用扭矩拉力转换的方式确定，利用经验公式扭矩 T = KPd，系数 K 值由经验确定为 0.2；
4、P 为拉杆预拉力；d 为拉杆直径。 1.2.2 产生问题 问题一：张拉完毕后，两根钢拉杆与竖向撑杆构成的理论平面发生了扭转，表现为竖向撑杆下端出现水平位移(位移值约 50mm)，偏出拱梁竖向轴平面； 问题二：钢拉杆采用对称张拉，张拉施加扭矩按照设计预拉力和上述扭矩拉力转换关系达到计算数值时，拱梁上弦失高并未达到 34mm，仅有 18mm 左右。 1.3 问题分析及解决方案 1.3.1 问题一 (1)问题分析 问题一出现可能有以下原因 高空拼接、安装误差为问题出现埋下隐患，尤其是竖向撑杆和拱梁连接的连接板间游隙过大，给竖向撑杆产生水平位移创造了条件； 竖向撑杆在垂直张拉面两侧无侧向约束，张弦梁在
5、平面外仅有顶部系杆连接，其在平面外本身就是瞬变体系。 (2)解决方案 将张拉完成的张弦梁拉杆的预应力进行放张，使竖向撑杆成自然垂直状态，在撑杆垂直张拉面两侧增加侧向刚性斜撑，固定竖向撑杆，保证其在一定的外力作用下不会发生水平位移，然后在进行对称张拉。 竖向撑杆两侧加侧向支撑 1.3.2 问题二 (1)问题分析 问题二出现可能有以下原因 由于平面张弦梁平面外稳定性的先天缺陷，竖向撑杆下端水平位移的产生，对钢梁的竖向起拱值产生了影响； 扭矩拉力转换关系公式中系数 K 按照经验确定，理论转换计算的扭矩值可能比实现设计预拉力所实际需要达到的扭矩小，从而导致起拱偏小； 张弦梁组成构件放样加工阶段对张弦梁
6、零状态的定义出现偏差或偏差过大，导致实际起拱值小于设计要求值。 (2)解决方案 首先对张弦梁的零状态进行重新定义复核，确认放样状态无误。 其次，对扭矩拉力转换关系公式中系数 K 进行试验标定，现场随机取 4 根拉杆进行分级(4 级)加载张拉试验，在拉杆上粘贴应变片，并采用应变仪采集记录数据，最后通过拟合扭矩和拉力(应力)关系曲线确定K 值，应用于后续拉杆张拉过程控制扭矩。 最后，将实际起拱值和现场问题与设计沟通，确定增加竖向撑杆的侧向支撑方案，并据此进行结构受力分析和二次计算，调整张弦梁初始态为：钢拉杆预拉力 100KN，上弦失高为 22mm。 1.4 处理结果 经过对现场出现的问题进行分析和
7、对设计结构形式及施工方案进行调整，成功地实现了张弦梁钢拉杆的设计预拉力施加和上弦失高的准确控制，使工程施工得以顺利进行，同时保证了工程质量。 二、讨论 2.1 设计结构形式的讨论 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。张弦梁结构是一种由刚性构件上弦、柔性拉索、中间连以撑杆形成的混合结构体系，其受力机理为通过在下弦拉索中施加预应力使上弦压弯构件产生反挠度，结构在荷载作用下的最终挠度得以减少，而撑杆对上弦的压弯构件提供弹性支撑，改善结构的受力性能。张弦梁结构体系简单、受力明确、结构形式多样、充分发挥了刚柔两种材料的优势，并且制造、运输、施工
8、简捷方便，因此具有良好的应用前景。我国首次使用张弦梁结构形式的工程是在 1999 年建成的上海浦东国际机场航站楼。 本工程设计中，张弦梁的柔性拉索采用 40mm 的钢棒拉杆，不同于传统意义上的预应力钢丝束拉索；钢棒拉杆区别于钢丝束的最大特点是既可以受拉又可以承压，这种拉索在以风荷载为主的工况作用下和存在较大振动荷载作用的工况下，可以避免在突然出现上弦受拉、下弦受压时下弦拉索退出工作的情况(称为“压力效应”)下，保证结构的使用安全。传统张弦梁使用钢丝束拉索时，一般采用加大拉索预应力来抵抗压力效应，但应该注意的是：如果采用加大预应力的方法保证拉索在上述两种工况下不退出工作，相应地拉索中预应力必然较
9、大。而结构中的预应力过大，在没有风荷载作用和振动荷载作用的工况下，实际是人为地加大了结构的负担，这会对结构产生不利影响。这个特性也是张弦梁结构的主要缺点之一。使用钢棒拉杆便可以充分利用钢棒的抗压性能，因此也就不存在需要加大预应力而增加结构负担的问题。 此外，从预应力施加工艺上看，一般的张弦梁柔性拉索的预拉力采用带压力表的千斤顶等工具施加，此种工艺在预应力施加方面比较成熟，便于控制，而本工程设计采用通过旋拧拉杆杆端螺母而产生杆内拉力的方法，该方法与高强螺栓连接施加预拉力的方法类似。 本工程设计也存在着一定的不足之处，即在平面张弦梁设计中，未在其竖向撑杆下端设置平面外稳定索等撑拉构件，同时其在平面
10、外的刚度又不足以抵抗外界荷载的影响而使其自身保持平面外稳定，致使单榀张弦梁在平面外成为了一个瞬变体系，尤其是本工程是一个地铁高架站站房，车辆进出站时存在着较大的振动荷载，这种荷载通过站台和立柱结构传递至屋架，随时有可能造成屋架在平面外的扭转变形甚至失稳。施工过程中设计对结构体系的调整即增加了竖向撑杆的侧向支撑，解决了这一缺陷。然而，对于一个普通的采用张弦梁屋架的结构而言，在张弦梁竖向撑杆下端设置平面外稳定索等撑拉构件使其形成单向张弦梁空间结构是设计者较容易想到的稳定方案，但就本工程而言，由于其结构的特殊性，致使其无法按照上述稳定方案实施。具体原因为：本工程为地铁站房，屋架上设有接触网吊杆，其位
11、置正好布置于张弦梁竖向撑杆侧向平面内，如果设置平面外稳定索必然与其发生冲突，即便勉强设置稳定索，其与接触网吊杆的冲突也会给人的视觉感官以不舒服的感觉。而最终采用的增加竖向小撑杆的方案是将小撑杆加在了接触网吊杆倒八字杆以内，即达到了张弦梁平面外稳定的目的，又避免了与吊杆发生冲突，同时也比设置平面外稳定索的方案相对经济，不失为一个即经济又实用的设计方案。 2.2 现场施工方案的讨论 张弦梁张拉前的零状态需要参照设计的张拉后的初始态和结构荷载进行确定，采用逆迭代法。张弦梁结构零状态分析逆迭代法的基本思想是：首先给张弦梁假设一零状态几何 (通常第一步迭代就取初始态态的形状)，然后在该零状态几何上施加预
12、应力及相关结构荷载，并采用分析软件求出对应的结构变形后的形状，将其与初始态形状比较，如果差别比较微小，就可以认为此时的零状态就是要求的放样状态，如果差别超过一定范围，则修正前一步的零状态几何。并再次进行迭代计算，直到求得的变形后形状与初始态形状满足要求的精度。这种方法是一种数值分析的方法在有限元分析软件中的应用，在此不对其进行深入讨论。使用逆迭代法确定张弦梁的零状态是张弦梁施工中经常用到的一种方法。只有准确确定了张弦梁的零状态，才能在施工放样加工时，确定拱梁的下料尺寸以及预留拱值等参数，保证张弦梁初始态的顺利实现。 关于张弦梁的施工工艺，从目前已建张弦梁结构工程的施工程序来看，通常是采用每榀张
13、弦梁张拉完毕后进行整体吊装就位，而本工程的张弦梁施工程序采用散件吊装，高空拼接、固定，最后张拉。这种高空散件拼装的方法是在施工现场无法进行吊装或无拼装场地的情况下，将下好料的散件在高空操作平台上直接定位、对接拼装、落位的一种安装方式。高空散件拼装的施工难度较大，施工精度较难控制，因此在杆件拼装时会产生相对较大的误差，正如施工中产生的竖向撑杆下端水平位移，就是因为施工误差过大引起，而这种施工精度的失控必然会对张弦梁的随后张拉产生不利影响。除此之外，即便忽略高空拼接施工产生的较大误差，按照高空拼接后张弦梁可以正常张拉考虑，施工中对上拱梁拱值以及钢拉杆应力的控制也较为困难，具体表现在两个方面：一是钢
14、拉杆张拉工艺的选择和控制，这个问题将在后续的讨论中进一步阐述；二是由于张弦梁每一榀张弦梁之间均采用刚性系杆连接，当任一榀张弦梁进行张拉起拱时，必然会通过系杆向两边传递应力，对邻近的张弦梁拉杆拉力以及拱梁起拱值产生影响，因此想准确控制每榀张弦梁的上拱值和拉杆拉力，需要在梁张拉时预先考虑两侧的梁榀张拉起拱时对其产生的影响，计算并留出余量，如此一来，就增加了张弦梁张拉起拱控制的复杂性。而采用地面张拉起拱，而后吊装的方案可以避免这个问题的产生，同时可以避免高空拼装产生精度失控现象，有利于张拉过程的顺利完成。 本工程钢拉杆的张拉设计采用通过旋拧拉杆杆端螺母施加扭矩而产生杆内拉力的工艺。这种工艺和高强螺栓
15、连接时施加预拉力的工艺原理相同，因此扭矩拉力转换关系可以参照计算，即按照 T= KPd 计算(各参数含义见工程实例)。由于高强螺栓连接在钢结构工程中应用广泛，其预拉力施加工艺相对较为成熟，因此只需要参照此工艺进行本工程钢拉杆的张拉工艺设计即可。但这种工艺由于扭力施加工具以及被施加扭矩的螺帽及螺杆材料性能、加工精度等因素的的不同，最终确定的扭矩拉力转换关系计算式中 K 的取值不同，该值需要在大面积张拉施工开始前采用试验标定的方法进行标定。本工程 K 值标定方案为采用钢拉杆现场粘贴应变片测力，同时采用预置式扭矩扳手施加扭矩的方法进行 K 值的试验标定。具体方法是采用预先假设 K 值(按 0.2 取
16、值)进行扭矩拉力转换计算，采用四级加载施加预拉力，即 25%P50%P75%P100%P。每级加载完成后进行拉杆拉力以及拱梁上拱值记录：前三级加载按照计算扭矩进行设定控制，并记录杆件的拉力值；最后一级加载根据拉力显示进行主控制，根据前三级加载时扭矩和测得的拉力关系调整并设定最后一级加载时的扭矩值(注意不是按照 K= 0.2 计算)，设定最后一级加载扭矩值时可适当放大，保证拉杆最终拉力大小在 100%P110%P 之间；加载结束后复核拉力和设计起拱值。现场选择 4 根钢拉杆进行标定试验，按照试验方案测得类似如下检测数据： 直径 40mm 钢拉杆扭矩拉力关系数据表 钢拉杆扭矩上拱值关系数据表 实践
17、证明：这种钢拉杆张拉工艺完全可以采用公式 T= KPd 根据拉杆拉力计算扭矩，且扭矩系数 K 值可以通过试验标定，而后再用于大面施工；张弦梁的上拱值随着扭矩的施加遵循一定的上升规律，完全可以通过扭矩值来控制上拱值的大小。 结束语 张弦梁结构及其施工工艺的采用，在我国国内历史尚浅，且涉及也相对较少。本文通过对一个张弦梁工程实例的介绍及讨论，深入浅出的阐述了工程实例中遇到的问题及解决办法，为今后类似的工程施工积累了宝贵的经验，极具参考价值。 参考文献 1黄明鑫，大型张弦梁结构的设计与施工M，山东科学技术出版社，2005. 2 尚仁杰, 吴转琴, 周建锋等，预应力钢结构中拉杆的张拉和检测方法J，建筑技术，2008，,38(12). 作者简介：耿闯，工程师，全国一级注册结构工程师，2005 年 8 月参加工作，毕业于石家庄铁道学院，北京交通大学工程硕士在读。
