平面张弦梁结构施工技术研究
摘要：随着经济、科技的快速发展，国内外建造了很多大型的建筑结构。由于自身的优点，张弦梁结构作为一种张拉大跨度空间结构被用于越来越多的大型建筑。本文结合张弦梁结构自身的一些特点和对其它大跨度空间结构施工技术，对预应力张弦梁结构在施工关键技术进行了探讨。
关键词：张弦梁，施工技术，支撑
由日本教授M.Saitoh于80年代提出的张弦梁结构是一种新型杂交屋盖结构形式，是通过撑杆将拱(梁)和索杂交而成。它充分发挥了拱型结构的受力优势同时充分利用索材的高抗拉强度，使结构集受力合理、施工快捷、形式简洁、造型新颖等众多优点于一身。由于自身的优点，张弦梁结构作为一种张拉大跨度空间结构被用于越来越多的大型建筑。顾名思义，这种结构最初是由“将弦进行张拉，与梁组合”这一基本形式而得名，随着对这种结构体系的深入研究和理解，又出现了一些其他形式，但各种形式的张弦结构在组成上具有共同特点那就是均通过撑杆连接抗弯构件（如梁，拱）和抗拉构件（如索），通过在抗拉构件上施加预应力，减轻压弯构件负担的自平衡体系。
一、引言
较大跨度的预应力张弦梁结构在施工过程中表现出诸多技术和力学问题，主要包括：
1.索端节点部位厚板与铸钢件的焊接；
2.张弦梁在吊装及吊装过程中结构及构件的稳定性计算；
3.设置临时支撑的最佳布置及对结构安全的影响；
4.拆撑过程中的安全问题及计算；
5.结构的成型问题及计算；
6.结构的整体提升方法及设计计算；
7.对结构进行必要的实时监测等。
二、平面张弦梁制作工程中的索端节点部位厚板与铸钢件的焊接
对焊缝进行分类，重点攻克铸钢件与80钢板坡口节点设计及焊接工艺要求，焊接材料选择，采用CO2半自动气体保护焊的方法，编制合理的焊接程序，控制焊接变形和消除焊接应力，成功的解决了铸钢件与80厚钢板焊接的难题；并且在不采用“伽马源”检测的情况下，采用超声波和X光拍片分层的探伤工艺，对出厂焊缝进行了100%无损检测，保证了焊接质量。
三、结构构件吊装过程分析
3.1吊点的选择及原则
在决定张弦梁结构的吊装方案时，吊点的选择和吊点的分布是首先要考虑的问题。例如一平直的简支梁结构，要将其吊装到设计标高与两柱头连接，其吊点的选择和吊点的分布要保证起吊后的梁在自重作用下两端的轴向相对变形等于或接近零，这样吊装到设计位置的梁就能准确的就位，不会超长也不会缩短。依据这个原则，吊点的选择要满足下面两条：
1.吊件两端的轴向相对变形等于或接近零
2.吊件的变形和弯矩分布比较均匀，且数值最小
这样可以最大限度的保证吊装过程的安全进行。如果吊件的截面沿轴向是变化的或结构自重分布不均匀，则吊点的选择按上述原则通过有限元结构分析软件计算确定。一般情况下，吊绳与吊件轴线之间有一定的夹角(通常在45~60)，吊绳水平分力会对构件产生轴向压力，计算时要考虑到它们的影响。
3.2平面外的屈曲分析
在制定吊装方案时，确定吊点及其分布，对于张弦梁结构仅凭经验是不够的，必须通过必要的分析和计算才能确定。最重要的是在起吊过程中，结构在保证平面内稳定条件下，不发生平面外失稳。平面内稳定主要是验算上弦构件的局部失稳或强度破坏。平面外失稳是一个整体失稳破坏，与吊点的多少和分布有密切关系。吊点愈多，愈不会发生平面外失稳。当张弦梁结构的上弦为桁架结构时，平面外整体稳定计算是一个比较复杂的问题，可把桁架模拟成实腹式构件进行简化分析，也可应用ANSYS有限元软件计算其平面外特征值，来评价结构平面外的稳定性能。
四、临时支撑和永久支撑的相互作用
4.1拆撑过程的关键问题
大多数结构都存在结构安装完毕后，临时支撑拆除的问题，简单的称为拆撑过程。对拆撑过程而言，有三大组成要素：永久结构、临时结构和千斤顶。相对于安装过程而言，永久结构已经形成一个整体，刚度较大，同时相对于使用期荷载而言，结构在拆撑过程中的安全储备较大，但是由于拆撑造成的内力重分配会对结构的局部受力产生较大的影响，因此永久结构在拆撑过程中的分析也是一个关键的问题。
对临时结构而言，同样存在和永久结构面临的拆撑过程中内力重分配对结构局部构件产生的影响较大的问题。拆撑的方案也直接影响临时支撑结构的设计。同时支撑的刚度会对拆撑过程中永久结构产生影响。因此对这些问题都必须给予很高的重视。
拆撑过程通常也是千斤顶卸载的过程。当千斤顶布置较多时，卸载只能分批进行。这样先行卸载的千斤顶荷载会转移到其它千斤顶上，从而对后卸载的千斤顶的安全性分析就显得非常重要。因此拆撑过程中，永久结构的安全性分析、临时结构的安全性分析、临时结构和永久结构的相互作用分析及千斤顶的安全性分析就构成了拆撑过程的关键性问题。
4.2临时结构对永久结构作用的安全性分析
设置临时支撑几乎是所有大跨度钢结构安装过程中必然要遇到的问题，但临时支撑柱的存在，从结构的整体讲是改善了其受力性能，但也改变了结构的设计受力状态，可能造成临时支撑点处及附近区域的内力加大，引起安装过程中结构构件的破坏。
在有临时支撑的情况下，拱脚的水平推力和竖向反力将大大的降低。但在临时支撑柱顶附近的桁架构件，其内力分布与设计状态则完全不同，必须进行验算以确保结构在增加临时支撑后的安全。如果拿掉临时支撑，拱脚的水平推力和竖向反力将大大的加大。
4.3拆撑过程中永久结构和临时结构的相互作用分析
在结构成型过程中，必然要设置一些临时支撑。待全部构件安装就位后，就得拆掉所有的临时支撑。拆除临时支撑的过程，是结构受力逐渐转移和重分布的过程。拿掉最后一根临时支撑后，即结构完全进入设计状态。
五、平面张弦梁(柔性)结构的成形问题
预应力钢结构是实现大跨度和超大跨度结构的最好形式之一。通过给结构施加预应力，可以调整结构内力幅值并改善结构内力分布，进而达到提高结构刚度的目的。预应力钢结构的设计与预应力钢结构的施工联系十分的紧密。
预应力钢结构可分为两种形式：一是完全由预应力提供结构刚度的结构形式，如索穹顶、索网结构等；另一种是预应力增加结构刚度的形式，如张弦梁结构、弦支穹顶结构等。前一种的施工过程是由机构变为结构的过程，由于结构刚度柔性，必须考虑几何非线性的影响。第二种形式属于混合结构形式，可以参照常州体育馆的分析方法。
对于索穹顶结构和张拉整体结构及膜结构等典型的空间张拉结构体系，其成型方法及计算是这些结构施工过程中的主要问题。这些结构的预应力在施工过程中存在很大的相关性，因此使施工预应力和设计预应力完全符合存在很大的难度。因此合理的预应力施加顺序和结构成形顺序将极大的改进这些结构的施工效果。
六、结构整体提升设计及计算
近年来，大跨度钢结构的施工整体提升项目愈来愈多，如北京西客站巨型桁架、北京首都国际机场四机位库、上海大剧院、深圳市民中心、广州新白云国际机场10号机库、澳门多功能体育馆主桁架等。在提升过程中，应重点解决两个问题，一是被提升的结构和提升柱不应该遭受损伤和破坏，二是提升系统的设计和计算。一般情况下，结构工程师应根据结构的受力特点对提升系统提出要求，并验算结构及提升柱的强度、刚度和稳定性。
整体提升过程可分为三个阶段，第一阶段是结构脱离胎架，第二阶段是结构匀速提升，第三阶段是结构落位。很显然，首末两个阶段比较重要，它直接涉及到提升力的大小变化对提升柱与结构安全的影响，因为在结构脱离胎架和落位的过程中，提升点离开胎架和结构落到设计标高的先后顺序会引起提升力的较大变化，可以形象把这两个阶段比喻为飞机的起飞和降落，而第二阶段可比喻为飞机的平稳飞行。
在脱离胎架阶段.为了安全起见可以选择逐步小行程循环提升的原则，可以选择提升力小的点优先提升，最后再提升提升力大的点。不过，在落位阶段，先落提升力大的点，再落提升力小的点，落位与提升过程正好相反。
为了防止在提升过程中由于提升点不同步对结构强度和稳定性的影响，需进行不同步验算。各提升点位移差的出现会使结构的受力状态发生改变，因此需要计算在可能出现的位移差的情况下的结构的受力情况，以确保提升过程中结构安全可靠。
参考文献：
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