□中国建筑第八工程局华北分局  宋耿友 

［摘要］本文介绍了中关村航空科技园项目双向张弦梁预应力的施工仿真模拟。由于该工程张弦梁跨度较大，且为双向张弦梁，受力形式复杂，索力控制难度大，故有必要进行施工模拟，以了解在张拉过程中拉索应力、钢结构应力及主要结构的位移变化，一方面可以查看在预应力作用下结构的安全性，另一方面可以为施工监测提供理论的位移、应力值，检查施工效果。

1.工程概况

中关村航空科技园项目一期工程2号航空科研中心屋面采光顶由双向张弦梁、钢结构屋盖、玻璃屋面组成。张弦梁的长向跨度为47.55m，短向跨度为44.1m，跨中点矢高4.2m，高跨比为1/11。张弦梁上弦为钢箱梁，其规格尺寸为400mm×500mm×20mm。下弦为高钒索，曲线形式为圆弧，索体直径为88mm。每榀张弦梁上下弦之间采用9根竖向撑杆进行支撑，撑杆规格尺寸为φ194mm×10mm。撑杆与上弦钢箱梁通过万向节点相连，下端通过双向索夹节点与钢索相连。屋盖结构布置如图1所示。
 

 

图1  双向张弦梁轴侧示意图

2.工程特点与难点

2.1受力复杂，索力控制难度大

与单向张弦梁不同，双向张弦梁由于共用屋盖角点部位的4根撑杆，两个方向索的受力在一定程度上会互相传递和影响。因此整个体系中任何一根钢索的索力发生变化时，不仅同方向钢索的索力会受到很大影响，而且另外一个方向钢索的索力也会随之变化。针对屋盖体系这种受力特点，预应力施加的精确性就显得尤为重要。

2.2撑杆垂直度控制难度大

 

  图2  张弦梁及其撑杆示意图

 

3.预应力施工过程模拟

基于以上工程特点及难点，有必要对预应力施工过程进行仿真模拟计算。计算采用Midas Gen有限元分析软件，建立计算模型，根据预应力的张拉方案，确定张拉流程，并查看各阶段的索力、屋盖的应力和位移。

 

 

图3  拉索编号示意图

（1)张拉流程

①张拉ZXL-1a、ZXL-1b、ZXL-2a、ZXL-2b至张拉力的10%，即拉索的预紧。计算时考虑胎架的支撑作用，胎架为只受压单元；

②张拉ZXL-2a、ZXL-2b至张拉力的50%；

③张拉ZXL-1a、ZXL-1b至张拉力的50%，此施工步完成，张弦梁与支撑胎架脱离；

④张拉ZXL-1a、ZXL-1b至张拉力的80%；

⑤张拉ZXL-2a、ZXL-2b至张拉力的80%；

⑥张拉ZXL-2a、ZXL-2b至张拉力的95%；

⑦张拉ZXL-1a、ZXL-1b至张拉力的95%；

⑧张拉ZXL-1a、ZXL-1b、ZXL-2a、ZXL-2b至张拉力的105%。（考虑实际张拉过程中的张拉力损失，索力超张拉5%）。

（2）索力计算结果

各阶段索的理论张拉力如表1所示：

表1  各张拉阶段索力的理论值（kN）

（3）等效应力

上弦钢箱梁在各阶段的等效应力如表2所示。其中最大应力主要位于拉索端部与钢梁连接处，最大值出现在张拉的第8步，为90Mpa，小于Q345B的屈服强度，结构是安全的。

表2  各阶段钢结构等效应力理论值（MPa）

张拉阶段	1	2	3	4	5	6	7	8
钢结构等效应力/Mpa	48	69	61	84	74	80	81	90

（4）位移计算结果

屋盖部分在各阶段的最大位移如表3所示。其中竖向、水平位移指在某张拉阶段屋盖的最大位移值：下挠主要出现在屋盖中部，原因是其重力作用；上挠主要出现在屋盖四周上弦，原因是拉索的张拉使撑杆带动上弦发生上移。X向和Y向的最大位移主要出现在中部撑杆底端。监测关键点位移如图4所示。

 

表3  各阶段位移理论值（mm）

张拉阶段		1	2	3	4	5	6	7	8
竖向位移	下挠	-20	-17	-7	-6	-8	-9	-10	-11
	上挠	3	1	10	26	37	44	50	54
水平位移	X向	3	3	6	12	20	24	27	30
	Y向	3	3	5	14	20	22	27	30
关键点竖向位移	1	0	0	9	26	36	41	49	54
	2	0	0	9	20	36	44	49	54

 

图4  关键点位置示意图

4.结语

(1)双向张弦梁结构受力复杂，双向索力相互影响，在设计、施工等方面均比单向张弦梁难度大，故有必要对施工过程进行模拟。

(2)在实际施工中，按照计算出的索力进行张拉，同时进行应力和位移的监测。通过比较，发现监测结果与模拟计算结果吻合较好，工程施工的准确性和安全性得到保证。

参考文献：

[1] 刘志. 新型的结构体系-双向张弦梁结构[J]. 四川建材， 2006(6):197-199.

[2] 张晶. 某双向张弦粱结构的设计与分析[J]. 建筑技术开发， 2011(1):1-2.

[3] 杨志刚. 深圳市福田交通综合枢纽换乘中心双向预应力张弦梁结构施工[J]. 建材世界2011，2(1):89-91，99.

[4] 刘晟 薛伟辰. 大跨度预应力张弦梁施工控制技术研究[J]. 建筑结构，2009(5):49-53.