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钢管混凝土张弦结构的设计与施工

作者：丁大益等    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
摘 要: 以钢管混凝土梁和钢索组成的张弦结构，充分利用了二者的受力特点，在工程中取得了良好的应用效果。本文结合工程实例，简要论述钢管混凝土张弦结构的设计过程，通过对比分析对设计和施工过程中的关键问题，如结构选型、节点连接、混凝土浇筑等进行了较为深入地论述，最
    摘 要: 以钢管混凝土梁和钢索组成的张弦结构，充分利用了二者的受力特点，在工程中取得了良好的应用效果。本文结合工程实例，简要论述钢管混凝土张弦结构的设计过程，通过对比分析对设计和施工过程中的关键问题，如结构选型、节点连接、混凝土浇筑等进行了较为深入地论述，最终得到了一些有益的结论。
    关键词: 张弦结构 钢管混凝土 节点 混凝土浇筑

    张弦结构作为一种自平衡体系，它能发挥钢索抗拉强度高和梁（桁架）抗压（拉）性能好的特点，结构受力合理，能够实现较大的跨度。近年来，随着建筑技术的发展和张弦梁、张弦桁架的较广泛应用，不断积累经验，又出现了其它类型的张弦结构，如张拉筒壳等[1]。张弦结构屋面通常较轻，在基本风压较大的地区，有时甚至需要加大屋面的自重，以保证张弦结构的拉索在风吸力作用下不退出工作。在张弦结构中适当地应用钢管混凝土构件充当压杆，不但可以充分利用钢管混凝土的受力特点，同时也增加了结构抵抗负风压的能力，降低了工程造价。
    本文拟首先对钢管混凝土张弦结构的受力机理进行简要论述，而后结合中国建筑科学研究院新建风洞实验室屋面张弦结构，论述其设计中的主要问题，对比分析上部分别为箱型钢梁或矩形钢管混凝土梁的张弦结构的受力特点和用钢量指标，最后针对设计和施工过程中的关键问题，总结得出了一些可供相关结构设计参考的结论。
    一．钢管混凝土张弦结构受力机理
    张弦结构是用撑杆连接上部抗弯受压构件和下部受拉构件（索），通过一端固定，一端允许水平滑移来建立预应力，从而形成的自平衡结构。其上部构件可以是拱形箱梁、拱形桁架或其它截面形式。在施工状态（成形状态）下上部受弯曲应力，成形后在正常荷载（荷载状态）下上部主要表现为轴心受压，承受压应力，但在实际工程中由于各种荷载工况的不同作用，上部往往还存在有弯曲应力，因此上部的强度和稳定应力应按照压弯构件校核。
    钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对其核心混凝土的约束作用，使混凝土处于复杂应力状态之下，从而使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能得到改善。同时，由于混凝土的存在，可以延缓或避免钢管过早地发生局部屈曲，从而可以保证其材料性能的充分发挥。此外，在钢管混凝土的施工过程中，钢管还可以作为浇筑其核心混凝土的模板，加快了施工进度。[2]钢管混凝土截面一般仅应用于柱－压弯为主要受力特征的杆件，张弦梁的上弦受力方式接近于柱，因此，将钢管混凝土构件应用于张弦梁的上弦是符合其受力特点的。


    荷载效应组合遵照线性规则，即结构的初始刚度在任何荷载工况下必须相同，因为预应力结构中的预应力作为恒载始终作用于结构中，进行荷载效应组合会导致预应力重复计算，因此采用荷载预组合作为荷载工况施加于结构中。
    2.2分析模型和计算软件
    有限元分析采用三维的整体模型，模型中包含了全部的张弦结构体系构件，同时考虑了下部混凝土结构的共同作用。张弦梁一端支座约束三方向水平力，释放三方向弯矩，另一方向约束两方向水平力，释放三方向弯矩和X向水平力。
    采用韩国Midas公司的建筑结构用有限元分析设计软件（版本MIDAS－Gen 6.9.1）分析，同时采用Sap2000对结果进行校核。
    2.3静力性能
    （1）缆索初始预拉力的确定
    预应力钢结构一般通过对结构中的钢缆索或钢绞线施加预拉力来实现，预拉力的施加过程和方式要视结构类型和荷载状态来确定。结构中所施加的缆索（钢绞线）预拉力既决定结构的受力状态，也决定结构整体的刚度和动力特性，是整个结构刚度的重要来源。若使用预应力不当或过量则会对结构产生有害的结果，因此如何确定预应力钢结构体系的预拉力值非常重要。
    预应力索一般分为三种状态：1)零状态，索施加预应力前的索段施工放样状态，即结构成形的起始状态；2)初始状态，结构在自重和预应力作用下的平衡状态，为结构承载变形的起始状态；3)荷载状态，即结构承载后的平衡状态。索（钢绞线）的工作状态决定结构的工作状态。索的初始预拉力不是一个恒定的值，它同结构的几何形态、初始刚度、荷载状况和吊装条件相关，缆索（钢绞线）预拉力值的确定必须通过结构的整体有限元分析来完成，并应使结构在各种可能的荷载工况作用下均处于良好的受力状态，具有良好的动力特性。
    综上所述，结构设计阶段索预拉力值确定的原则是：1)在初始状态下（吊装状态），施加预拉力必须保证结构不能有过大的反变形、杆件不能失稳和破坏；2)在荷载状态下缆索不失效，在地震反应下不退出工作。索的实际预应力一般控制在0.15P~0.4P（P为索的破断载荷）之间，以防止锚固端松弛的不利现象发生。本工程缆索的初始预拉力为150kN（边榀60kN）。
    （2）主要构件的内力和应力

    （3）结构位移
    位移控制指标：张弦梁跨中竖向变形+1/300(DL+WL),-1/300(DL+LR)。实际计算结果分别为-15mm、-60mm，均满足控制指标。最大水平位移为14mm。由于钢管混凝土构件的应用，使得结构自重增加，保证了张弦梁的下弦索在任何工况下均有良好的工作状态，结构位移方向均向下。
    （4）线性屈曲稳定分析
    在恒载作用下，随半跨活荷载增加分析结构线性屈曲稳定，当荷载临界系数达到20.7时，边榀张弦梁出现平面内屈曲，此时结构的整体稳定性能良好，说明结构具有足够安全可靠性[3]。
    采用了钢管混凝土构件作为张弦梁的上弦，使得张弦梁具有更好的刚度，保证了结构的整体稳定性。图1为结构的一阶屈曲模态结果。
    （5）几何非线性稳定分析
    经几何非线性分析，结构在自重、活荷载、风荷载和温度变化下，无稳定问题。张弦梁上弦内力不大，受力比较均匀，随荷载增加，非线性不明显。图二为张弦桁架最高点节点位移（水平位移Dx，竖向位移Dz，其中Dz的方向为竖直向下）在恒载作用下随半跨活荷载倍数增加的关系曲线。钢管混凝土构件的使用，使得结构整体具有更好的刚度，使得结构基本无非线性状态。


    三．关键问题讨论
    1.上部采用钢箱梁与矩形钢管混凝土梁的分析对比
    结构选型时设想了多种结构形式，因结构跨度不大，屋面为压型钢板材料，自重较轻，可以采用实腹变截面钢梁或平面钢桁架，其做法简单，也便于施工。但下部的钢筋混凝土框架刚度较大的优势没有充分发挥，于是考虑采用更为轻巧的结构形式，张弦梁便是其中的一中类型。
    采用普通张弦梁的做法，按照上弦为钢管混凝土构件的张弦梁应力比指标，同样保证结构的线性屈曲稳定和非线性稳定，保证结构的变形控制指标，计算分析得出上弦箱型梁截面为□400x400x18。理论用钢量为130208kg，按覆盖面积计算为40.19kg/m2。
    以上分析可以看出，其用钢量指标几乎增加了一倍。矩形钢管混凝土构件作为张弦梁上弦，虽然在混凝土浇筑方面增加了施工难度，但总体上结构选型合理，具有很好的技术经济指标。
    2.关键节点设计
    索球铰节点见图6，设计采用通过撑杆加锥头用高强度螺栓同索球连接，传力直接明确，便于施工，但高强度螺栓的要求较高。固定支座同混凝土柱顶预埋件用锚栓连接，将节点板伸入钢管混凝土梁内，浇筑核心混凝土后，整个节点域的整体性增强，充分保证了节点域的强度，见图7。檩条采用矩形钢管，兼作纵向系杆，连接节点见图8。滑动支座选用北京交通大学设计制造的抗震可动钢支座，缆索锚具热铸成形。


    3.弧形钢管混凝土梁内混凝土施工
    钢管混凝土梁的受力状态虽然和普通柱类似，但由于其水平放置给混凝土的浇筑带来了不便。张弦梁预设了两种吊装方案，一是在地面拼装张弦梁，浇筑混凝土待其达到设计强度后，张拉下弦索，张弦梁整体起吊；二是在高空柱顶拼装张弦梁，安装檩条，张拉下弦索使结构达到初始状态，而后在高空浇筑混凝土，待其凝固后，二次张拉下弦索，最终满足荷载状态的要求。第一种方案，混凝土在地面浇筑，便于控制质量，但起吊张弦梁的风险较大；第二种方案，张弦梁的拼装较简单，但下弦索须分两阶段张拉，混凝土在高空浇筑，难度大。
    经比较、分析计算后，选择第二种方案实施。
    施工模拟计算得出结构初始状态下的下弦拉索内力为32kN，此时张弦梁脱离胎架。钢管内混凝土浇筑后二次张拉下弦索，其内力为168kN（边榀为75kN），跨中最大顶点竖向位移为25.6mm，张拉端的水平位移为-4.6mm。实际施工状态测量的张弦梁变形值与以上计算值基本吻合。
    钢管混凝土柱内混凝土的施工有导管浇筑法、泵送顶升法和手工逐段浇筑法，采用无收缩混凝土。以上方法是针对竖向构件而设定，对于跨度30m、矢高1.5m的圆弧水平钢管并不适用。为此结合本工程的实际条件，采用导管浇筑和手工分段浇筑法。即在30m跨的圆弧钢管上均匀开5个Φ150的圆孔，分6段用导管对称送入混凝土，用附着在钢管外部的振捣器振捣，外部振捣器的位置随混凝土的浇筑高度加以调整，待混凝土全部浇筑完毕初凝前，再用压力灌浆的方法压入高强度的CGM灌浆料。钢管的分段和浇筑混凝土示意图见图9。施工完成后，检验管内混凝土的浇筑质量符合《矩形钢管混凝土结构技术规程》（CECS 159:2004）相关的施工验收技术要求。

    四.结语
    1.钢管混凝土张弦结构充分发挥了钢管混凝土的受力特点、节点连接方便、经济效果好。
    2.本工程的索球铰节点，固定支座节点和檩条连接节点等经过实践证明是方便、有效、可靠的。
    3.弧形钢管混凝土构件的混凝土浇筑是施工中的重要步骤，本文施工方法可供参考。
    4.张弦梁结构并非适用于任何建筑，对于跨度大、恒荷载小而负风压大的结构一般不适用。由于施工方面的原因，大跨度张弦梁宜慎重采用钢管混凝土构件作为其上弦梁。


    参考文献
    [1] 丁大益,刘威. 四川省博物馆采光天棚张拉筒壳设计[J]. 空间结构,2007,13(3):47-52.
    [2] 韩林海. 钢管混凝土结构－理论与实践[M]. 北京：科学出版社,2004.
    [3] 陆赐麟,尹思明,刘锡良. 现代预应力钢结构[M]. 北京：人民交通出版社,2008.
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