大跨度张弦桁架结构设计

大跨度张弦桁架结构设计

李钊

关键词：张弦桁架；结构设计；大跨度建筑

一、前言

随着我国社会经济的快速发展，建筑行业也有了突飞猛进的发展，越来越多的高层、大跨度工程拔地而起。在大跨度建筑工程建设过程中，施工人员一般都会采用张弦桁架结构来进行施工，使其在经济、美观的基础上达到质量要求。张弦桁架结构是近年来引进我国的一种新型结构，并且通过该结构已建立了多座建筑物。张弦桁架结构是一种独特的空间结构形式,它是“通过对弦进行张拉,以及将撑杆与梁按实际造型需求进行组合”,即基于结构的受力特性进行构造。这种自平衡结构体系既能尽量利用拱型结构受力特性,又能充分发挥索抗拉强度较高这一优点。具有使结构受力更合理、刚度更大等特点,可实现跨越更大跨度的目标,这种结构体系在国内外得到了广泛的应用。某市会展中心是采用张弦桁架结构建造而成的多跨度建筑工程，本文对此进行全面的分析。

某会展中心的主桁架上部是一个倒三角的立体钢管桁架，而其下部则是一根张拉钢索。其中采用俯瞰将其连接，从而形成了一个张弦桁架结构。这一结构的两端主要放在混凝土结构上，该结构的总体形象为鱼腹状。在安装的过程中，我们需要杆状的盖度为40m。在对其安装过程中由于建筑工程的混凝土工程已经竣工，因此我们不能够将大型机械设备引进进行施工，为了按期完成工程，我们必须要制定合适的安装方案。对该建筑工程进行全面分析之后，工程师们决定采用在地面拼接主桁架，然后连接节点，最后再将整个结构平行移动到需要施工的部位，因为这种方法能够有效的提高施工进度与工作效率。在安装的过程中，我们需要按照工程的施工特点将其分为东西两个部位进行安装。

二、模型的建立与对比

1、恒载标准值的分析

在实际工作中，工程师过着施工人员需要对工程的恒载标准值进行全面分析，其中屋面板的恒载标准值为0.5kN/m2，工程中设备的恒载标准值为0.3kN/m2，檩条以及水平支撑的恒载标准值为0.4kN/m2，桁架的自重达到0.6kN/m2。

2、建立并分析模型

通过对上述数据进行分析，结果发现在对建筑工程进行设计的过程中，我们可以不讲几何非线性因素考虑在其中，这就简化了工程的设计，提高了设计的合理性。为了对大跨度建筑工程进行合理的分析，我们需要将建筑的矢跨比、拉索数量以及预应力度进行合理分析，然后建立相应的模型，从而张弦桁架结构进行计算与分析。在对三种模型进行计算的过程中，设计人员需要将模型的设计荷载以及外力风的作用考虑在其中，然后以这两个因素来计算出桁架的变形量极其受力情况。

通过极端结果分析，大跨度建筑张弦桁架结构的杆件内力分布情况、位移情况以及用钢量主要取决于建筑的矢高，也就是说，矢跨比是大跨度建筑张弦桁架结构的重要影响因素。结构的矢跨比一般会控制在10~15之间，这样才能够保证其合理性。另外，在对结构进行设计的过程中，结构杆件的截面面积直接取决于拉索的数量，而这也就决定了钢材的用量。

三、大跨度建筑工程的设计方案

在设计过程中，设计者可以根据我国钢结构的设计要求以及现行的规范来进行设计，并且还可以将外界的影响因素考虑在其中。另外，还需要对钢件的截面面积、拉索的适量进行进一步分析，从而建立一个模型，并对其进行全面分析。

四、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。

（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。

五、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。

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。

六、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。

七、结语

由于本工程建设工期紧张，在选定了本工程结构体系后，虽然结构分析结果表明该结构是合理、可靠的，但在结构体系的优化设计上未能作深入研究.为此，根据已有的一些研究成果，建议对矢跨比~截面选择~腹杆数量和节点设计等几个方面作进一步的探讨，以推动大跨度张弦结构体系的应用与发展。

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]徐晓兵，苏波，马春艳.大跨度张弦桁架结构的施工模拟研究[J].四川建筑科学研究，2013（02）.