组合式张弦梁屋架施工技术

彭鹏辉 

[摘 要] 在施工大跨度张弦梁与桁架悬挑组合屋架的过程中，通过对深化设计、加工制作、 现场安装等施工工艺的改进，总结编制了大跨度张弦梁与桁架悬挑施工技术。屋架体系中的张弦梁结构作为柔性拉索和刚性杆件的结合体，悬挑桁架通过借力， 附加在张弦梁的两端， 各构件的内力通过不同阶段施工工序叠加， 使得结构内力在不同阶段重新分布，使得屋架各构件的性能都发挥到极致。建筑钢结构屋盖为多榀结构梁，每榀结构  梁施工过程会使结构经历不同初始几何态和预应力态，为了保证实际施工过程和结构设计初  衷吻合， 大跨度张弦梁与桁架悬挑组合屋盖施工技术对索体加载方式、加载次序及加载量级充分考虑，保证项目在实施前体系稳定，结构构件安全，各阶段内力变化均匀，结构性能变化有效掌握， 达到项目顺利实施的效果。

[关键词] 大跨度张弦梁 桁架悬挑组合  屋架

Construction technology of combined string beam truss

[Abstract] In the process of large span tension string beam and truss, the construction method is summarized and compiled through the construction technology of deep design, processing and field installation. As the structure of the string beam in the roof frame system is the combination of flexible cable and rigid rod. The cantilever truss is attached to the two ends of the string beam, and the internal force of each member is superimposed at different stages, making the internal force of the structure redistributed in different stages, making the performance of each component of the roof frame played to the extreme. Building steel structure roof for many truss structure beam, each truss structure beam construction process will make the structure through different initial geometry and prestress state, in order to ensure the actual construction process and structure design purpose, large span beam and truss cantilever combination roof construction technology on the cable body loading mode, loading order and loading magnitude of full consideration, ensure the project before the implementation system stability, structural safety, internal force change, structure performance change effectively, to achieve the effect of project smooth implementation.

[Key words] Large-span tension string beam, truss cantilever combination roof truss

1前言

随着社会的日益发展，在自我私有空间逐步扩大的同时，公共建筑空间如文化馆体育馆剧院等一些建筑的需求与日剧增，这些需求使得建筑结构体系不断挖掘，特别是无柱大空间屋盖结构，越来越备受人们关注。传统建筑体系不再能满足人类对建筑构造的需求，传统大空间屋盖结构只对柱内空间结构如跨度高度等方面研究应用比较深入，往往忽略柱外侧  空间区域的整体性研究与应用。大跨度张弦梁与桁架悬挑组合屋架是对建筑屋面的全新构思理念，不仅有效利用了建筑物柱内侧大跨度空间，而且增加了柱外上空屋盖区域的使用。同 时张弦梁与悬挑桁架以支座为支点相互借力，优化了结构受力情况，节约了材料，满足现代  建筑发展需要，提升了建筑体系的空间利用率。整个建筑的建筑元素艺术性与美感倍增，是一种适合于大空间结构的屋架体系。

2工艺原理

在组合式张弦梁屋架施工技术中，张弦梁作为主要内跨构件，以拉索、 撑杆和主梁构件组成，单榀组合屋架以支座为中心点，通过焊接方式连接张弦梁悬挑两侧， 结构构造简单，受力清晰，屋架构件性能都能发挥到极致。在张弦梁内部，张弦梁结构以刚 性上弦杆为基础，以 I 形撑杆为媒介传递竖向反力为上弦杆提供反竖向支承，以高强度钢绞线预应力拉索为调节构件。该技术在实施过程中， 通过结构优化，分段组合，多次张拉和协同吊装的方式实施。张弦梁作为组合屋架的主结构，地面拼装完成后， 以一端张拉的方式将拉索多次缓慢施加至60%预应力设计索力值，以双机抬吊方式起吊安装至屋面固定平稳牢固。悬挑桁架作为组合屋架的副构件，地面拼装完成后，以单机起吊方式吊装焊接在张弦梁结构两端，形成张弦梁   与悬挑桁架组合屋架。最后在以上工作检查达到规范质量要求后，在结构屋面上将拉索以一端张拉方式多次缓慢施加至 105%预应力设计索力值，整体结构形成一种自平衡封闭“力流”链，构造一个良好的自平衡体系。其中张弦梁拉索初张拉 60%设计索力值是满足吊装刚度和   构件在吊装过程不影响构件结构性能， 张弦梁拉索终张拉超张 5%设计索力值是考虑到结构长期徐变影响。

1—张弦梁拉索； 2—张弦梁主梁 1；3—张弦梁主梁撑杆 2；4—张弦梁拉索撑杆；

5—组合屋架支座立杆； 6—悬挑桁架腹杆；7—悬挑桁架下弦杆； 8—悬挑桁架上弦杆；

图 1大跨度张弦梁与桁架悬挑组合屋架示意图

3工艺流程

施工准备→张弦梁地面拼装→张弦梁拉索初张拉→张弦梁吊装→悬挑桁架拼装→悬挑桁架吊装安装→张弦梁拉索终张拉→屋面结构安装。

4操作要点

4.1施工准备

认真研究图纸。按照图纸利用 teakle 和 BIM 软件建模，深化分析，优化结构， 列明构 件三维几何参数，移动至数字化钢结构加工厂加工， 最后将加工完成的结构杆件运送至施工现场。 所用钢结构原材材料必须全数有合格的质量检测报告。 机械设备准备。将施工过程中用到吊机、油压泵、千斤顶、扭力扳手、电焊机等设备进行检测检查合格后运送至现场。 场地准备。拼装组合屋架的场地应先利用机械平整压实，中间铺设 300mm 碎石，上层  浇筑 C30 厚 300mm 带双层双向@200。8 钢筋混凝土层。确保场地坚实能承受张弦梁和桁架拼装时自重及起重吊车起重时承载力要求，特殊土层和场地应进行计算确定后实施。

4.2张弦梁地面拼装

钢构件质量检验合格后运输到拼装场地进行拼装，利用小型吊机和胎架作为张弦梁拼装 的辅助工具，吊机辅助构件搬运，为防止张弦梁因自重大而发生内部或局部沉降变形，胎架 作为支撑点，拼装时，胎架沿张弦梁长度以 4 米间距为宜稳定摆放，利用小型吊机将张弦梁主梁和张弦梁撑构件从梁中沿梁端依次均衡拼装，再将张弦梁两侧的支座立杆安装在张弦梁两端，各构件之间均通过高强螺栓连接。最后安装张弦梁拉索和拉索撑杆，安装拉索时利用放索盘、地滚和卷扬机将成盘的张弦梁拉索展开挂至张弦梁两端，再将拉索撑杆安装在拉索与张弦梁主梁撑杆和拉索之间。

图1 张弦桁架地面拼装

4.3张弦梁拉索初张拉

模拟验算确定拉索张拉值。 为保证双机抬吊协同作业时的吊装刚度，防止构件内部应  力变化不使张弦梁结构发生变化， 采用有限元分析软件 SAP2000V22.0.0 进行两阶段内力分析 计算。计算时考虑拉索预应力和 P- △效应的影响，通过模拟分析，确定一阶段张弦梁地面初张拉应至拉索设计值 60%为宜， 二阶段屋面终张拉拉索索力与设计初始态理论索力偏差控制在 5%以内，两阶段拉索撑杆垂直度偏差不大于 1/200。

张弦梁初张拉:拼装好的张弦梁准备预应力拉索张拉，拉索宜为高钒索，张拉时，检 查各杆件之间高强螺栓拧紧达到规范要求，张拉采用穿心式液压千斤顶 YCW-70B 型 2 台及 配套工具以 1 端张拉的方式，张拉过程中应多次缓慢张拉至 60%的索力， 偏差控制在 5%以 内，并安排专人检查各构件变化是否正常， 若出现异常，应立即停止张拉，待问题修复后可 继续实施。张拉过程中拉索索力变化必须均匀， 施工张拉采用索力控制为主，变形控制及撑杆垂直度控制为辅。

张弦梁吊装应采用双机协同吊装实施方式。 张弦梁结构自重重，地面初张拉完成后，吊  装采用 2 台大吨位汽车吊双机抬吊，起重机额定起重量应严格控制， 实际吊装重量不得大于  额定起重量的 75%，起吊点位必须根据专业空间钢结构系统 MIDASGen 软件分析确定， 防止杆件的结构性能被破坏。吊装过程中必须控制好两台大型机械的协同作业，起吊前必须试吊，起吊速度宜均匀缓慢，吊起至屋面后， 张弦梁支座立杆在距离结构柱顶抗震支座上方300-500mm 距离停留，不宜过低过高，待定位精确后，缓慢将张弦梁降至结构柱顶抗震支  座，并将立杆与抗震支座对准， 安装对位必须以定位轴线为准，进行临时固定，稳妥后，摘 去起重机吊钩，在测量工的测量监视下，利用千斤顶、倒链以及楔子等对其的轴线偏差以及 标高偏差进行校正，最终将支座立杆与抗震支座焊接，焊接时采用 NB-350 型焊机，多层多道施焊固定， 焊接结束进行修补、打磨和 UT 实验。

图2张弦梁吊装示意图

图3张弦梁吊装应力图

4.4 悬挑桁架拼装

在平整场地两侧实施桁架悬挑拼装，桁架拼装采用卧式拼装法，利用小型吊机和胎架作  为张弦梁拼装的辅助工具，拼装时，胎架以 4m 间距为宜稳定摆放，先拼装桁架上下弦杆，后 安装桁架中间腹杆，各构件之间采用焊接方式连接， 焊机使用 NB-350 型，实施过程多层多道施焊，形成最终固定， 焊接结束进行修补、打磨和 UT 实验。

4.5悬挑桁架吊装安装

单侧悬挑桁架单榀重量相对较轻，起吊是采用小型吊机，但必须满足吊装要求， 悬挑桁 架在张弦梁两侧先后起吊。吊机将悬挑桁架吊装缓慢吊装至张弦梁支座立杆外侧，利用高强 螺栓进行临时固定， 临时固定稳妥后，摘去起重机吊钩，在测量工的测量监视下，利用倒链 及楔子等对其的轴线偏差以及标高偏差进行校正，无误后，再将悬挑桁架与张弦梁支座立杆最终固定。

4.6张弦梁拉索终张拉

空中借助采用悬挂式操作平台，采用 2 台穿心式液压千斤顶 YCW-70B 型及配套工具一端张拉，将张弦梁拉索缓慢张拉至 索力设计值的 105%，不能超张拉，并安排专人检查各构件变化是否正常， 若出现异常，应立 即停止张拉，待问题修复后可继续实施。拉索张拉控制必须坚持以索力力控为主、变形控为 辅的原则。张拉过程中应该严格检测各构件的变形情况，防止不可逆的变形， 张拉过程中拉索索力变化宜均匀。

图 4 张弦梁拉索空中二次张拉

4.7 屋面结构安装

重复上述 ，组成张弦梁与悬挑桁架的组合屋架群，每跨内的檩条随每 榀组合屋架吊装完成先后安装，最后安装屋面板马道等构件，完成整个屋面系统组装，并对外漆损伤构件进行防腐防火面漆补漆处理。

5结论

随着社会的进步和发展， 公共类建筑日益增多，产生多样多变的建筑形式群体， 必然会  使大跨度钢屋面形式多样化， 一种大跨度张弦梁与桁架悬挑组合屋盖结构体系， 充分发挥了  张弦梁与桁架悬挑两种结构，三种“力流”之间的平衡体系（张弦梁自平衡体系，悬挑桁架自  平衡体系， 张弦梁与悬挑桁架组合平衡体系），在材料需求上达到降本， 在施工操作上简便快捷， 在质量保证上安全可靠，施工管理综合效益提高 10%；相比传统的单一钢结构屋面相比，工程成本降低 15% ，经济效益明显 ，具有很好的推广应用价值。

6 结语

组合屋架构造简单，组装简洁，安装方便；可实现流水连续作业，施工效率高，施工速度快；充分利用张弦梁和悬挑桁架的优势及相互借力的优势，整合了结构资源，增加了空间利用率；是一种适合于大空间结构的屋架体系，能满足建筑的需求，又能降低材料使用和施工成本。

参考文献：

【1】张弦梁屋盖的原位实验[J]. 史坚.中外建筑,2015

【2】大跨度张弦梁钢结构施工技术[J]. 陈刚;杜立春;李新发;程周兵.江苏建筑,2021(06)

【3】张弦梁结构施工关键技术仿真模拟应用研究[J]. 王彦宏.建筑结构,2019(S1)

【4】体育馆大跨度张弦梁分段安装关键施工技术[J]. 丁俊涛.建筑施工,2022(04)

【5】大跨度双向张弦梁结构预应力施工技术[J]. 许曙东;贺春林;张岭;王菲.施工技术,2014(14)

【6】预应力拉索张弦梁施工技术[J]. 陈胜;蒋超.四川建筑,2016