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鋼管混凝土張弦結構的設計與施工

作者：丁大益等    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
摘 要: 以鋼管混凝土梁和鋼索組成的張弦結構，充分利用了二者的受力特點(diǎn)，在工程中取得了良好的應用效果。本文結合工程實(shí)例，簡(jiǎn)要論述鋼管混凝土張弦結構的設計過(guò)程，通過(guò)對比分析對設計和施工過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題，如結構選型、節點(diǎn)連接、混凝土澆筑等進(jìn)行了較為深入地論述，最
    摘 要: 以鋼管混凝土梁和鋼索組成的張弦結構，充分利用了二者的受力特點(diǎn)，在工程中取得了良好的應用效果。本文結合工程實(shí)例，簡(jiǎn)要論述鋼管混凝土張弦結構的設計過(guò)程，通過(guò)對比分析對設計和施工過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題，如結構選型、節點(diǎn)連接、混凝土澆筑等進(jìn)行了較為深入地論述，最終得到了一些有益的結論。
    關(guān)鍵詞: 張弦結構 鋼管混凝土 節點(diǎn) 混凝土澆筑

    張弦結構作為一種自平衡體系，它能發(fā)揮鋼索抗拉強度高和梁（桁架）抗壓（拉）性能好的特點(diǎn)，結構受力合理，能夠實(shí)現較大的跨度。近年來(lái)，隨著(zhù)建筑技術(shù)的發(fā)展和張弦梁、張弦桁架的較廣泛應用，不斷積累經(jīng)驗，又出現了其它類(lèi)型的張弦結構，如張拉筒殼等[1]。張弦結構屋面通常較輕，在基本風(fēng)壓較大的地區，有時(shí)甚至需要加大屋面的自重，以保證張弦結構的拉索在風(fēng)吸力作用下不退出工作。在張弦結構中適當地應用鋼管混凝土構件充當壓桿，不但可以充分利用鋼管混凝土的受力特點(diǎn)，同時(shí)也增加了結構抵抗負風(fēng)壓的能力，降低了工程造價(jià)。
    本文擬首先對鋼管混凝土張弦結構的受力機理進(jìn)行簡(jiǎn)要論述，而后結合中國建筑科學(xué)研究院新建風(fēng)洞實(shí)驗室屋面張弦結構，論述其設計中的主要問(wèn)題，對比分析上部分別為箱型鋼梁或矩形鋼管混凝土梁的張弦結構的受力特點(diǎn)和用鋼量指標，最后針對設計和施工過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題，總結得出了一些可供相關(guān)結構設計參考的結論。
    一．鋼管混凝土張弦結構受力機理
    張弦結構是用撐桿連接上部抗彎受壓構件和下部受拉構件（索），通過(guò)一端固定，一端允許水平滑移來(lái)建立預應力，從而形成的自平衡結構。其上部構件可以是拱形箱梁、拱形桁架或其它截面形式。在施工狀態(tài)（成形狀態(tài)）下上部受彎曲應力，成形后在正常荷載（荷載狀態(tài)）下上部主要表現為軸心受壓，承受壓應力，但在實(shí)際工程中由于各種荷載工況的不同作用，上部往往還存在有彎曲應力，因此上部的強度和穩定應力應按照壓彎構件校核。
    鋼管混凝土利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過(guò)程中的相互作用，即鋼管對其核心混凝土的約束作用，使混凝土處于復雜應力狀態(tài)之下，從而使混凝土的強度得以提高，塑性和韌性性能得到改善。同時(shí)，由于混凝土的存在，可以延緩或避免鋼管過(guò)早地發(fā)生局部屈曲，從而可以保證其材料性能的充分發(fā)揮。此外，在鋼管混凝土的施工過(guò)程中，鋼管還可以作為澆筑其核心混凝土的模板，加快了施工進(jìn)度。[2]鋼管混凝土截面一般僅應用于柱－壓彎為主要受力特征的桿件，張弦梁的上弦受力方式接近于柱，因此，將鋼管混凝土構件應用于張弦梁的上弦是符合其受力特點(diǎn)的。


    荷載效應組合遵照線(xiàn)性規則，即結構的初始剛度在任何荷載工況下必須相同，因為預應力結構中的預應力作為恒載始終作用于結構中，進(jìn)行荷載效應組合會(huì )導致預應力重復計算，因此采用荷載預組合作為荷載工況施加于結構中。
    2.2分析模型和計算軟件
    有限元分析采用三維的整體模型，模型中包含了全部的張弦結構體系構件，同時(shí)考慮了下部混凝土結構的共同作用。張弦梁一端支座約束三方向水平力，釋放三方向彎矩，另一方向約束兩方向水平力，釋放三方向彎矩和X向水平力。
    采用韓國Midas公司的建筑結構用有限元分析設計軟件（版本MIDAS－Gen 6.9.1）分析，同時(shí)采用Sap2000對結果進(jìn)行校核。
    2.3靜力性能
    （1）纜索初始預拉力的確定
    預應力鋼結構一般通過(guò)對結構中的鋼纜索或鋼絞線(xiàn)施加預拉力來(lái)實(shí)現，預拉力的施加過(guò)程和方式要視結構類(lèi)型和荷載狀態(tài)來(lái)確定。結構中所施加的纜索（鋼絞線(xiàn)）預拉力既決定結構的受力狀態(tài)，也決定結構整體的剛度和動(dòng)力特性，是整個(gè)結構剛度的重要來(lái)源。若使用預應力不當或過(guò)量則會(huì )對結構產(chǎn)生有害的結果，因此如何確定預應力鋼結構體系的預拉力值非常重要。
    預應力索一般分為三種狀態(tài)：1)零狀態(tài)，索施加預應力前的索段施工放樣狀態(tài)，即結構成形的起始狀態(tài)；2)初始狀態(tài)，結構在自重和預應力作用下的平衡狀態(tài)，為結構承載變形的起始狀態(tài)；3)荷載狀態(tài)，即結構承載后的平衡狀態(tài)。索（鋼絞線(xiàn)）的工作狀態(tài)決定結構的工作狀態(tài)。索的初始預拉力不是一個(gè)恒定的值，它同結構的幾何形態(tài)、初始剛度、荷載狀況和吊裝條件相關(guān)，纜索（鋼絞線(xiàn)）預拉力值的確定必須通過(guò)結構的整體有限元分析來(lái)完成，并應使結構在各種可能的荷載工況作用下均處于良好的受力狀態(tài)，具有良好的動(dòng)力特性。
    綜上所述，結構設計階段索預拉力值確定的原則是：1)在初始狀態(tài)下（吊裝狀態(tài)），施加預拉力必須保證結構不能有過(guò)大的反變形、桿件不能失穩和破壞；2)在荷載狀態(tài)下纜索不失效，在地震反應下不退出工作。索的實(shí)際預應力一般控制在0.15P~0.4P（P為索的破斷載荷）之間，以防止錨固端松弛的不利現象發(fā)生。本工程纜索的初始預拉力為150kN（邊榀60kN）。
    （2）主要構件的內力和應力

    （3）結構位移
    位移控制指標：張弦梁跨中豎向變形+1/300(DL+WL),-1/300(DL+LR)。實(shí)際計算結果分別為-15mm、-60mm，均滿(mǎn)足控制指標。最大水平位移為14mm。由于鋼管混凝土構件的應用，使得結構自重增加，保證了張弦梁的下弦索在任何工況下均有良好的工作狀態(tài)，結構位移方向均向下。
    （4）線(xiàn)性屈曲穩定分析
    在恒載作用下，隨半跨活荷載增加分析結構線(xiàn)性屈曲穩定，當荷載臨界系數達到20.7時(shí)，邊榀張弦梁出現平面內屈曲，此時(shí)結構的整體穩定性能良好，說(shuō)明結構具有足夠安全可靠性[3]。
    采用了鋼管混凝土構件作為張弦梁的上弦，使得張弦梁具有更好的剛度，保證了結構的整體穩定性。圖1為結構的一階屈曲模態(tài)結果。
    （5）幾何非線(xiàn)性穩定分析
    經(jīng)幾何非線(xiàn)性分析，結構在自重、活荷載、風(fēng)荷載和溫度變化下，無(wú)穩定問(wèn)題。張弦梁上弦內力不大，受力比較均勻，隨荷載增加，非線(xiàn)性不明顯。圖二為張弦桁架最高點(diǎn)節點(diǎn)位移（水平位移Dx，豎向位移Dz，其中Dz的方向為豎直向下）在恒載作用下隨半跨活荷載倍數增加的關(guān)系曲線(xiàn)。鋼管混凝土構件的使用，使得結構整體具有更好的剛度，使得結構基本無(wú)非線(xiàn)性狀態(tài)。


    三．關(guān)鍵問(wèn)題討論
    1.上部采用鋼箱梁與矩形鋼管混凝土梁的分析對比
    結構選型時(shí)設想了多種結構形式，因結構跨度不大，屋面為壓型鋼板材料，自重較輕，可以采用實(shí)腹變截面鋼梁或平面鋼桁架，其做法簡(jiǎn)單，也便于施工。但下部的鋼筋混凝土框架剛度較大的優(yōu)勢沒(méi)有充分發(fā)揮，于是考慮采用更為輕巧的結構形式，張弦梁便是其中的一中類(lèi)型。
    采用普通張弦梁的做法，按照上弦為鋼管混凝土構件的張弦梁應力比指標，同樣保證結構的線(xiàn)性屈曲穩定和非線(xiàn)性穩定，保證結構的變形控制指標，計算分析得出上弦箱型梁截面為□400x400x18。理論用鋼量為130208kg，按覆蓋面積計算為40.19kg/m2。
    以上分析可以看出，其用鋼量指標幾乎增加了一倍。矩形鋼管混凝土構件作為張弦梁上弦，雖然在混凝土澆筑方面增加了施工難度，但總體上結構選型合理，具有很好的技術(shù)經(jīng)濟指標。
    2.關(guān)鍵節點(diǎn)設計
    索球鉸節點(diǎn)見(jiàn)圖6，設計采用通過(guò)撐桿加錐頭用高強度螺栓同索球連接，傳力直接明確，便于施工，但高強度螺栓的要求較高。固定支座同混凝土柱頂預埋件用錨栓連接，將節點(diǎn)板伸入鋼管混凝土梁內，澆筑核心混凝土后，整個(gè)節點(diǎn)域的整體性增強，充分保證了節點(diǎn)域的強度，見(jiàn)圖7。檁條采用矩形鋼管，兼作縱向系桿，連接節點(diǎn)見(jiàn)圖8?；瑒?dòng)支座選用北京交通大學(xué)設計制造的抗震可動(dòng)鋼支座，纜索錨具熱鑄成形。


    3.弧形鋼管混凝土梁內混凝土施工
    鋼管混凝土梁的受力狀態(tài)雖然和普通柱類(lèi)似，但由于其水平放置給混凝土的澆筑帶來(lái)了不便。張弦梁預設了兩種吊裝方案，一是在地面拼裝張弦梁，澆筑混凝土待其達到設計強度后，張拉下弦索，張弦梁整體起吊；二是在高空柱頂拼裝張弦梁，安裝檁條，張拉下弦索使結構達到初始狀態(tài)，而后在高空澆筑混凝土，待其凝固后，二次張拉下弦索，最終滿(mǎn)足荷載狀態(tài)的要求。第一種方案，混凝土在地面澆筑，便于控制質(zhì)量，但起吊張弦梁的風(fēng)險較大；第二種方案，張弦梁的拼裝較簡(jiǎn)單，但下弦索須分兩階段張拉，混凝土在高空澆筑，難度大。
    經(jīng)比較、分析計算后，選擇第二種方案實(shí)施。
    施工模擬計算得出結構初始狀態(tài)下的下弦拉索內力為32kN，此時(shí)張弦梁脫離胎架。鋼管內混凝土澆筑后二次張拉下弦索，其內力為168kN（邊榀為75kN），跨中最大頂點(diǎn)豎向位移為25.6mm，張拉端的水平位移為-4.6mm。實(shí)際施工狀態(tài)測量的張弦梁變形值與以上計算值基本吻合。
    鋼管混凝土柱內混凝土的施工有導管澆筑法、泵送頂升法和手工逐段澆筑法，采用無(wú)收縮混凝土。以上方法是針對豎向構件而設定，對于跨度30m、矢高1.5m的圓弧水平鋼管并不適用。為此結合本工程的實(shí)際條件，采用導管澆筑和手工分段澆筑法。即在30m跨的圓弧鋼管上均勻開(kāi)5個(gè)Φ150的圓孔，分6段用導管對稱(chēng)送入混凝土，用附著(zhù)在鋼管外部的振搗器振搗，外部振搗器的位置隨混凝土的澆筑高度加以調整，待混凝土全部澆筑完畢初凝前，再用壓力灌漿的方法壓入高強度的CGM灌漿料。鋼管的分段和澆筑混凝土示意圖見(jiàn)圖9。施工完成后，檢驗管內混凝土的澆筑質(zhì)量符合《矩形鋼管混凝土結構技術(shù)規程》（CECS 159:2004）相關(guān)的施工驗收技術(shù)要求。

    四.結語(yǔ)
    1.鋼管混凝土張弦結構充分發(fā)揮了鋼管混凝土的受力特點(diǎn)、節點(diǎn)連接方便、經(jīng)濟效果好。
    2.本工程的索球鉸節點(diǎn)，固定支座節點(diǎn)和檁條連接節點(diǎn)等經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明是方便、有效、可靠的。
    3.弧形鋼管混凝土構件的混凝土澆筑是施工中的重要步驟，本文施工方法可供參考。
    4.張弦梁結構并非適用于任何建筑，對于跨度大、恒荷載小而負風(fēng)壓大的結構一般不適用。由于施工方面的原因，大跨度張弦梁宜慎重采用鋼管混凝土構件作為其上弦梁。


    參考文獻
    [1] 丁大益,劉威. 四川省博物館采光天棚張拉筒殼設計[J]. 空間結構,2007,13(3):47-52.
    [2] 韓林海. 鋼管混凝土結構－理論與實(shí)踐[M]. 北京：科學(xué)出版社,2004.
    [3] 陸賜麟,尹思明,劉錫良. 現代預應力鋼結構[M]. 北京：人民交通出版社,2008.
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