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鋼管混凝土張弦結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工

作者：丁大益等    
時間：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(jié)構(gòu)，充分利用了二者的受力特點(diǎn)，在工程中取得了良好的應(yīng)用效果。本文結(jié)合工程實(shí)例，簡要論述鋼管混凝土張弦結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程，通過對比分析對設(shè)計(jì)和施工過程中的關(guān)鍵問題，如結(jié)構(gòu)選型、節(jié)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(jié)構(gòu)，充分利用了二者的受力特點(diǎn)，在工程中取得了良好的應(yīng)用效果。本文結(jié)合工程實(shí)例，簡要論述鋼管混凝土張弦結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程，通過對比分析對設(shè)計(jì)和施工過程中的關(guān)鍵問題，如結(jié)構(gòu)選型、節(jié)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(jié)論。
    關(guān)鍵詞: 張弦結(jié)構(gòu) 鋼管混凝土 節(jié)點(diǎn) 混凝土澆筑

    張弦結(jié)構(gòu)作為一種自平衡體系，它能發(fā)揮鋼索抗拉強(qiáng)度高和梁（桁架）抗壓（拉）性能好的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)受力合理，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的跨度。近年來，隨著建筑技術(shù)的發(fā)展和張弦梁、張弦桁架的較廣泛應(yīng)用，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，又出現(xiàn)了其它類型的張弦結(jié)構(gòu)，如張拉筒殼等[1]。張弦結(jié)構(gòu)屋面通常較輕，在基本風(fēng)壓較大的地區(qū)，有時甚至需要加大屋面的自重，以保證張弦結(jié)構(gòu)的拉索在風(fēng)吸力作用下不退出工作。在張弦結(jié)構(gòu)中適當(dāng)?shù)貞?yīng)用鋼管混凝土構(gòu)件充當(dāng)壓桿，不但可以充分利用鋼管混凝土的受力特點(diǎn)，同時也增加了結(jié)構(gòu)抵抗負(fù)風(fēng)壓的能力，降低了工程造價。
    本文擬首先對鋼管混凝土張弦結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理進(jìn)行簡要論述，而后結(jié)合中國建筑科學(xué)研究院新建風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室屋面張弦結(jié)構(gòu)，論述其設(shè)計(jì)中的主要問題，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(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和用鋼量指標(biāo)，最后針對設(shè)計(jì)和施工過程中的關(guān)鍵問題，總結(jié)得出了一些可供相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考的結(jié)論。
    一．鋼管混凝土張弦結(jié)構(gòu)受力機(jī)理
    張弦結(jié)構(gòu)是用撐桿連接上部抗彎受壓構(gòu)件和下部受拉構(gòu)件（索），通過一端固定，一端允許水平滑移來建立預(yù)應(yīng)力，從而形成的自平衡結(jié)構(gòu)。其上部構(gòu)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(yīng)力，成形后在正常荷載（荷載狀態(tài)）下上部主要表現(xiàn)為軸心受壓，承受壓應(yīng)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(yīng)力，因此上部的強(qiáng)度和穩(wěn)定應(yīng)力應(yīng)按照壓彎構(gòu)件校核。
    鋼管混凝土利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中的相互作用，即鋼管對其核心混凝土的約束作用，使混凝土處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)之下，從而使混凝土的強(qiáng)度得以提高，塑性和韌性性能得到改善。同時，由于混凝土的存在，可以延緩或避免鋼管過早地發(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(yīng)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(gòu)件應(yīng)用于張弦梁的上弦是符合其受力特點(diǎn)的。


    荷載效應(yīng)組合遵照線性規(guī)則，即結(jié)構(gòu)的初始剛度在任何荷載工況下必須相同，因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力作為恒載始終作用于結(jié)構(gòu)中，進(jìn)行荷載效應(yīng)組合會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力重復(fù)計(jì)算，因此采用荷載預(yù)組合作為荷載工況施加于結(jié)構(gòu)中。
    2.2分析模型和計(jì)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(jié)構(gòu)體系構(gòu)件，同時考慮了下部混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)用有限元分析設(shè)計(jì)軟件（版本MIDAS－Gen 6.9.1）分析，同時采用Sap2000對結(jié)果進(jìn)行校核。
    2.3靜力性能
    （1）纜索初始預(yù)拉力的確定
    預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)一般通過對結(jié)構(gòu)中的鋼纜索或鋼絞線施加預(yù)拉力來實(shí)現(xiàn)，預(yù)拉力的施加過程和方式要視結(jié)構(gòu)類型和荷載狀態(tài)來確定。結(jié)構(gòu)中所施加的纜索（鋼絞線）預(yù)拉力既決定結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，也決定結(jié)構(gòu)整體的剛度和動力特性，是整個結(jié)構(gòu)剛度的重要來源。若使用預(yù)應(yīng)力不當(dāng)或過量則會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有害的結(jié)果，因此如何確定預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系的預(yù)拉力值非常重要。
    預(yù)應(yīng)力索一般分為三種狀態(tài)：1)零狀態(tài)，索施加預(yù)應(yīng)力前的索段施工放樣狀態(tài)，即結(jié)構(gòu)成形的起始狀態(tài)；2)初始狀態(tài)，結(jié)構(gòu)在自重和預(yù)應(yīng)力作用下的平衡狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)承載變形的起始狀態(tài)；3)荷載狀態(tài)，即結(jié)構(gòu)承載后的平衡狀態(tài)。索（鋼絞線）的工作狀態(tài)決定結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。索的初始預(yù)拉力不是一個恒定的值，它同結(jié)構(gòu)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）預(yù)拉力值的確定必須通過結(jié)構(gòu)的整體有限元分析來完成，并應(yīng)使結(jié)構(gòu)在各種可能的荷載工況作用下均處于良好的受力狀態(tài)，具有良好的動力特性。
    綜上所述，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段索預(yù)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(yù)拉力必須保證結(jié)構(gòu)不能有過大的反變形、桿件不能失穩(wěn)和破壞；2)在荷載狀態(tài)下纜索不失效，在地震反應(yīng)下不退出工作。索的實(shí)際預(yù)應(yīng)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(xiàn)象發(fā)生。本工程纜索的初始預(yù)拉力為150kN（邊榀60kN）。
    （2）主要構(gòu)件的內(nèi)力和應(yīng)力

    （3）結(jié)構(gòu)位移
    位移控制指標(biāo)：張弦梁跨中豎向變形+1/300(DL+WL),-1/300(DL+LR)。實(shí)際計(jì)算結(jié)果分別為-15mm、-60mm，均滿足控制指標(biāo)。最大水平位移為14mm。由于鋼管混凝土構(gòu)件的應(yīng)用，使得結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)位移方向均向下。
    （4）線性屈曲穩(wěn)定分析
    在恒載作用下，隨半跨活荷載增加分析結(jié)構(gòu)線性屈曲穩(wěn)定，當(dāng)荷載臨界系數(shù)達(dá)到20.7時，邊榀張弦梁出現(xiàn)平面內(nèi)屈曲，此時結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性能良好，說明結(jié)構(gòu)具有足夠安全可靠性[3]。
    采用了鋼管混凝土構(gòu)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(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。圖1為結(jié)構(gòu)的一階屈曲模態(tài)結(jié)果。
    （5）幾何非線性穩(wěn)定分析
    經(jīng)幾何非線性分析，結(jié)構(gòu)在自重、活荷載、風(fēng)荷載和溫度變化下，無穩(wěn)定問題。張弦梁上弦內(nèi)力不大，受力比較均勻，隨荷載增加，非線性不明顯。圖二為張弦桁架最高點(diǎn)節(jié)點(diǎn)位移（水平位移Dx，豎向位移Dz，其中Dz的方向?yàn)樨Q直向下）在恒載作用下隨半跨活荷載倍數(shù)增加的關(guān)系曲線。鋼管混凝土構(gòu)件的使用，使得結(jié)構(gòu)整體具有更好的剛度，使得結(jié)構(gòu)基本無非線性狀態(tài)。


    三．關(guān)鍵問題討論
    1.上部采用鋼箱梁與矩形鋼管混凝土梁的分析對比
    結(jié)構(gòu)選型時設(shè)想了多種結(jié)構(gòu)形式，因結(jié)構(gòu)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)勢沒有充分發(fā)揮，于是考慮采用更為輕巧的結(jié)構(gòu)形式，張弦梁便是其中的一中類型。
    采用普通張弦梁的做法，按照上弦為鋼管混凝土構(gòu)件的張弦梁應(yīng)力比指標(biāo)，同樣保證結(jié)構(gòu)的線性屈曲穩(wěn)定和非線性穩(wěn)定，保證結(jié)構(gòu)的變形控制指標(biāo)，計(jì)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(jì)算為40.19kg/m2。
    以上分析可以看出，其用鋼量指標(biāo)幾乎增加了一倍。矩形鋼管混凝土構(gòu)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(jié)構(gòu)選型合理，具有很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。
    2.關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
    索球鉸節(jié)點(diǎn)見圖6，設(shè)計(jì)采用通過撐桿加錐頭用高強(qiáng)度螺栓同索球連接，傳力直接明確，便于施工，但高強(qiáng)度螺栓的要求較高。固定支座同混凝土柱頂預(yù)埋件用錨栓連接，將節(jié)點(diǎn)板伸入鋼管混凝土梁內(nèi)，澆筑核心混凝土后，整個節(jié)點(diǎn)域的整體性增強(qiáng)，充分保證了節(jié)點(diǎn)域的強(qiáng)度，見圖7。檁條采用矩形鋼管，兼作縱向系桿，連接節(jié)點(diǎn)見圖8。滑動支座選用北京交通大學(xué)設(shè)計(jì)制造的抗震可動鋼支座，纜索錨具熱鑄成形。


    3.弧形鋼管混凝土梁內(nèi)混凝土施工
    鋼管混凝土梁的受力狀態(tài)雖然和普通柱類似，但由于其水平放置給混凝土的澆筑帶來了不便。張弦梁預(yù)設(shè)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(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)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(jié)構(gòu)達(dá)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(jì)算后，選擇第二種方案實(shí)施。
    施工模擬計(jì)算得出結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)下的下弦拉索內(nèi)力為32kN，此時張弦梁脫離胎架。鋼管內(nèi)混凝土澆筑后二次張拉下弦索，其內(nèi)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(jì)算值基本吻合。
    鋼管混凝土柱內(nèi)混凝土的施工有導(dǎo)管澆筑法、泵送頂升法和手工逐段澆筑法，采用無收縮混凝土。以上方法是針對豎向構(gòu)件而設(shè)定，對于跨度30m、矢高1.5m的圓弧水平鋼管并不適用。為此結(jié)合本工程的實(shí)際條件，采用導(dǎo)管澆筑和手工分段澆筑法。即在30m跨的圓弧鋼管上均勻開5個Φ150的圓孔，分6段用導(dǎo)管對稱送入混凝土，用附著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(diào)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(qiáng)度的CGM灌漿料。鋼管的分段和澆筑混凝土示意圖見圖9。施工完成后，檢驗(yàn)管內(nèi)混凝土的澆筑質(zhì)量符合《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 159:2004）相關(guān)的施工驗(yàn)收技術(shù)要求。

    四.結(jié)語
    1.鋼管混凝土張弦結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了鋼管混凝土的受力特點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)連接方便、經(jīng)濟(jì)效果好。
    2.本工程的索球鉸節(jié)點(diǎn)，固定支座節(jié)點(diǎn)和檁條連接節(jié)點(diǎn)等經(jīng)過實(shí)踐證明是方便、有效、可靠的。
    3.弧形鋼管混凝土構(gòu)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(jié)構(gòu)并非適用于任何建筑，對于跨度大、恒荷載小而負(fù)風(fēng)壓大的結(jié)構(gòu)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(gòu)件作為其上弦梁。


    參考文獻(xiàn)
    [1] 丁大益,劉威. 四川省博物館采光天棚張拉筒殼設(shè)計(jì)[J]. 空間結(jié)構(gòu),2007,13(3):47-52.
    [2] 韓林海. 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)－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(xiàn)代預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)[M]. 北京：人民交通出版社,2008.
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