双向弦支结构预应力全过程施工分析及节点设计

1工程概况

某交通枢纽中心屋面采光顶的钢结构形式为双向弦支结构，平面为等边三角形，长边边长为67.2?m，两条等边边长均为47.5m。 屋面采光顶的钢结构（图1）由三角形的长边边桁架、两条等边的边箱梁、上层的双向焊接箱形钢梁、中间撑杆、下部双向钢拉杆、支座（单向滑动和双向滑动）组成。弦支梁的钢梁截面为□300×100×35×35，其余上层钢梁截面为□300× 100×20×20，钢梁间距在3.0~4.7m，竖向撑杆采用热轧圆钢管180×12，各榀弦支梁矢高均不相等，在2.3~3.5m空间形态接近于切割的多边形钻石。

图1 采光顶三维图

本工程钢拉杆双向分布，每个方向各为3榀，分 别为沿轴线号（正向）A、B、C的三榀张弦梁，沿轴线号（负向）–A、–B、–C的三榀张弦梁，钢拉杆编号如图2所示。钢结构支座为单面弧形压力支座及成品球形钢支座。

图2 钢拉杆编号

2 钢屋盖结构体系及材质

钢梁、撑杆采用的材质均为Q355B。钢拉杆为建筑用UU型非等强合金钢杆体，杆体强度级别为550级，屈服强度 R _eH ≥550 MPa，抗拉强度 R _m ≥750 MPa。 钢拉杆（GLG–1~GLG–7、GLG–10~GLG–16，共14根）的直径为80 mm，理论屈服荷载不小于2138 kN，理论破断荷载不小于2915kN，其他钢拉杆（GLG–8、GLG–9、GLG–17、GLG–18，共4根）的直径为50mm，理论屈服荷载不小于810 kN，理论破断荷载不小于1104 kN。张拉可调节端均设置在边跨钢拉杆，靠近支座处，以方便张拉。

3 预应力施工全过程

3.1 预应力施工全过程技术要点

本工程屋面采光顶双向弦支结构预应力施工技术要点体现在以下几个方面。

（1）钢构件制作和施工安装，如钢构件、钢拉杆（含张拉端）、撑杆制作及现场安装。当钢拉杆生产加工过程中无法达到的精度或产生的误差宜在施工过程中通过相关的技术手段进行弥补。

（2）施工顺序，尤其是预应力张拉顺序。张拉结构施工技术设计的主要内容就是确定预应力过程的次序、步骤、采用的机械设备、每次预应力过程的张拉量值，同时控制结构的形状变化，因为结构的形状是与预应力相匹配的。

（3）合理预应力过程的速率，在每一阶段预应力过程中，结构都经历一个自适应的过程，结构会经过自平衡而使内力重分布，形状也随之改变，所以预应力过程的监控十分重要。

（4）荷载施加过程，在后续的结构施工过程中，如屋面荷载、悬挂荷载的施加步骤和方法，要尽量保证比较均匀、对称、匀速地施工，避免出现过大的集中荷载。

3.2 施工过程的预应力找力分析难点

（1）结构形式。本采光顶结构平面为三角形，且长边支撑在大跨度边桁架上，与常规结构有差别，钢拉杆力分布也有所差别。

（2）边桁架变形影响。作为采光顶结构支座的边桁架，跨度达到67.2?m，其自身结构挠度会引起采光顶处钢拉杆结构内力的变化，会造成钢拉杆内力不均匀，增加了施工阶段钢拉杆找力分析的难度，同时也会造成结构变形的不均匀。

（3）预应力过程中的变形合理控制。钢拉杆力需要考虑张拉阶段的脱架要求，又要考虑张拉完成后的反拱不能过大，同时，也要考虑张拉完成后，安装檩条、屋面玻璃后挠度的尽量合理。除控制竖向位移外，还应控制施工阶段的支座水平位移。

3.3 采光顶施工过程主要安装顺序

采光顶钢屋盖施工过程主要安装步骤：搭满堂脚手架→安装边桁架→安装箱形钢梁→安装撑杆、撑杆下部铸钢节点及钢拉杆→张拉钢拉杆，双向张弦结构在张拉完成后形成整体结构刚度→施工阶段脱架→钢梁完全脱架后，再次张拉，确认钢拉杆拉力→安装檩条及屋面玻璃。

3.4 分析软件和荷载条件

本工程结构形式为双向张弦结构，考虑其复杂程度，采用有限元软件SAP2000版进行施工过程模拟分析。箱形钢梁、撑杆及钢拉杆均采用框架梁单元，其中撑杆将两个方向的惯性矩释放，钢拉杆将两个方向的惯性矩及扭矩释放，仅受拉力，钢拉杆压力限值设为0。

施工支架采用GAP单元模拟，缝宽为0。荷载条件为现场采购的结构构件实际自重，本工程采光顶的檩条+玻璃的自重为0.75 kN/m2，考虑节点重量，自重乘以1.1的放大系数。

支座约束：边桁架支座（三角形平面两个角点）及三角形两侧与钢拉杆相交处支座（每侧边各三个支座）约束y向及竖向位置，三角形平面的另一个角点约束3个平动，其他钢梁的支座均为竖向约束。张弦梁支座和拉索节点为铰接。

3.5 钢拉杆张拉顺序

钢拉杆张拉遵循分阶段、对称、分级、缓慢匀速及同步加载的原则。本工程钢拉杆双向分布，且接近正交，共六榀。考虑尽量减少张拉引起撑杆的偏移，并考虑张拉先后顺序对钢拉杆力影响，本工程钢拉杆的张拉顺序分为三批次，前两批次从短跨向长跨张拉，两个批次各为3次对称张拉，每次采用4台顶张拉。 为防止采光顶天窗因施工阶段脱架引起的钢拉杆拉应力松弛，按设计要求，再张拉一遍确认钢拉杆拉力，第三批次的张拉力为脱架后的钢拉杆拉力，张拉顺序同第一批次的张拉顺序。

3.6 张拉过程计算分析

钢拉杆张拉应考虑分批张拉相互间的影响，为防止张弦梁在钢拉杆张拉时出现结构的局部或整体失稳，需采用分批对称张拉，同时有效地防止撑杆偏位。 根据采光顶的施工安装顺序，结合钢拉杆张拉顺序，进行迭代计算，确定分三批次张拉比较合适，第一批次张拉力约为0→90%总张力，第二批次张拉力90%→100%的张拉力，第三批次为张拉确认计算拉力。

具体如下：安装钢屋面的上弦钢梁、撑杆、钢拉索；第一批次张拉，由两侧向中间张拉；第二批次张拉，由两侧向中间张拉；第三批次张拉，重复第二批次的张拉顺序，张拉力为第二批次张拉完成后钢拉杆的内力；张拉完成后，安装檩条及屋面板。分批次张拉过程中的钢拉杆拉力以及张拉过程中拉索索力变化情况见表1。

表1 分批次张拉过程中的钢拉杆拉力变化

从表1可以看出，在安装完檩条及屋面玻璃后的索力为958 kN，远小于钢拉杆的破断力2915 kN。

通过分析施工过程中的结构竖向位移可以看出，第一批次张拉结束后，撑杆处的竖向位移均为向上，最大为4.5mm，第二批次张拉结束后，撑杆处的向上最大位移为6.1mm，均为向上，说明在张拉完成后，撑杆处的已经脱架。

第三批次张拉，仅为防止脱架引起的钢拉杆拉索拉力松弛。

在拆除支撑后，位移有明显变化，边桁架由于跨度较大，且作为三角形采光顶的支座，边桁架（三角形采光区）在自重作用下，在边桁架跨中处最大达到了231.6mm，在安装完檩条及屋面玻璃后，在跨中处最大达到312.9mm，同时会引起三角形采光顶区域相应变形。边桁架应预起拱100mm，来减少边桁架的变形。

经预起拱后，下挠量为212.9mm，规范容许值268.8mm，变形在容许值范围以内。

从计算结果表可以看出，在安装完檩条及屋面板后增加的竖向位移（相对于拆除支撑后的位移）增加了约81.3mm，说明檩条和玻璃自重对竖向位移增加幅度较小，同时说明，三角形区域结构刚度较大，钢拉杆的张拉力能满足要求。

现场施工阶段的位移测量时，需考虑边桁架起拱的影响，建议用节点相对位移来衡量。

在安装完成屋面玻璃后，钢梁、撑杆及钢拉杆的应力比均小于0.65，从计算结果看，预应力对三形角采光顶钢梁受力有较好改善作用。

从施工过程分析结果看，钢拉杆GLG–8和GLG–17支座节点的水平位移最大，为–19.92mm，远小于支座允许滑动值60mm，满足要求。

4 节点设计

节点设计应满足受力形式与模型假定一致的基础上，还应考虑美观要求。钢拉杆与撑杆的连接节点采用燕尾式的铸钢节点，与钢拉杆连接4个耳板相交处采用弧形曲面过渡，撑杆下节点与上部耳板两侧有肋板进行加强，上部耳板平面内方向与受力较大钢拉杆平行，耳板厚度均为35mm，材料为G20Mn5N，从现场安装后效果来看，节点美观、轻盈，撑杆与钢拉杆连接典型连接节点做法如图3所示。

图3 撑杆与钢拉杆连接典型节点

节点采用有限元分析，在最大轴力的荷载组合下，铸钢节点的最大应力小于钢材屈服应力，处于弹性阶段。按等比例荷载加载（最大轴力控制荷载组合），铸钢节点破坏时约为3.5倍最大轴力控制荷载，大于《空间网格结构技术规程》要求的3倍，可满足强节点的要求。

5 结束语

本研究对双向弦支结构施工全过程进行计算分析，并给出了钢拉杆张拉顺序、拉力值、施工过程中的变形值、施工完成后钢构件的应力比、支座位移值。钢拉杆张拉力与张拉顺序能保证在张拉完成后，钢屋盖关键点能主动脱架，同时较好控制了施工阶段上拱值。施工阶段的支座位移，得到较好控制，远小于支座允许的滑动限值。典型节点的深化设计做法能满足工程需要，受力形式与模型假定相一致，具有明确可靠的传力路线和构造保证，节点设计新颖、美观轻盈。