大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系及施工技術(shù)

文／鄭文科、杜春來、宋宇飛、張?zhí)┖?北京城建集團有限責(zé)任公司 北京 100088

引言：

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，我國的建筑越來越趨向于高層、大空間、大跨度。采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)和空間鋼結(jié)構(gòu)組合而成的大跨預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式。大跨預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)體系是以預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架、網(wǎng)殼、索網(wǎng)索拱和斜拉體系為主體，其最大優(yōu)點是充分利用預(yù)應(yīng)力索的高抗拉強度，將預(yù)應(yīng)力作用在索索上，使得索具產(chǎn)生與外力作用相反的變形，并在受力前對其施加預(yù)應(yīng)力，可以局部或全部消除外荷載下的彎曲或拉應(yīng)力，從而改善結(jié)構(gòu)的總體力學(xué)性能[1]。這種結(jié)構(gòu)具有受力合理、剛度大、重量輕、制造、安裝簡便等優(yōu)點，經(jīng)過十余年的發(fā)展和發(fā)展，已廣泛用于大跨度、大柱網(wǎng)、大跨度、大柱網(wǎng)等領(lǐng)域，并引起了世界各國科學(xué)技術(shù)和工程界的廣泛關(guān)注，其發(fā)展前景十分廣闊。

1.大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的特點

大跨預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是一種由高強度、耐腐蝕、耐疲勞鋼素和多種空間鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合而形成的一種新型結(jié)構(gòu)，它將彈性鋼素和剛性鋼質(zhì)結(jié)合在一起，為廣大空間的施工提供了一種既實用又經(jīng)濟的施工方法。將現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用于大跨空間鋼結(jié)構(gòu)，不僅豐富了大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的外形，還充分體現(xiàn)了它的先進性、合理性和經(jīng)濟性[2]。

（1）能使結(jié)構(gòu)的受力狀況發(fā)生變化，使結(jié)構(gòu)剛度、內(nèi)力分布及位移完全符合設(shè)計者的要求；

（2）預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以用作組裝預(yù)制件（單元桿或組合件）的一種方法，例如弓形預(yù)應(yīng)力鋼；

（3）在使用了預(yù)應(yīng)力技術(shù)后，合理地布置纜繩，可以形成一種混雜的空間結(jié)構(gòu)，也可以形成一種新型的空間結(jié)構(gòu)，它的鋼材指標(biāo)可以較原有結(jié)構(gòu)或普通結(jié)構(gòu)顯著地減少。這種“雜交”結(jié)構(gòu)形式可以有效地改善結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，減小結(jié)構(gòu)的內(nèi)力峰值，使結(jié)構(gòu)剛度得到增強，技術(shù)經(jīng)濟效果顯著；

（4）利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，可以形成索拱等新型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)型式。

2.大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

目前，大跨度空間結(jié)構(gòu)主要施工方法有高空滑移法、高空散裝法、分條（塊）吊裝法、整體提升法、整體吊裝及整體頂升法等。

2.1 高空散裝法

高空散裝法是一種采用臨時支架，將構(gòu)件和節(jié)點在高空中直接組裝起來，然后在裝配完成后卸下支架，適合于各種不采用焊接方式的建筑。高空散裝施工方法主要有懸挑式和全托架式兩種：懸挑式拼裝是指為節(jié)約支承而對某些結(jié)構(gòu)進行懸挑拼裝；整體支撐技術(shù)是將一段或一節(jié)段的整體拼裝在支架上，或在空中以網(wǎng)狀整體拼裝。

圖1 高空散裝法

2.2 高空滑移法

高空滑移法是將已分條組裝好的部件置于滑道上，再由滑板的一端滑到指定的另一端，并將其組裝為一體。其方法有單條滑動和逐條累積滑動兩種。單條滑移法是把條形單元從鐵軌的一端按順序滑到另一端，再進行拼裝，也就是一條一條地滑動，一條一條地把它連接起來。逐條累計滑行是將一個單一的條形單元向前滑動一段距離，然后將另一條單元與另一條單元相連接，再將兩條單元同時移動一段距離，再將三條單元與另一條單元相連接，直到最后一條單元被接上。目前，大跨鋼結(jié)構(gòu)的施工方法多為逐條累積滑移。

圖2 單條滑移法

圖3 逐條累積滑移法

2.3 分條（分塊）吊裝法

分條（分段）吊裝也被稱為分段安裝。分段（分段）吊裝法是將某一建筑物分成幾個條形或塊形單元，在地面上進行拼裝，然后用起重機將其吊至指定的部位進行整體拼裝。它的優(yōu)勢是，條形構(gòu)件是在地上組裝，所以高空作業(yè)較少，安裝支架也較少，而且可以充分利用已有的吊裝設(shè)備，所以更經(jīng)濟。該方法適合于結(jié)構(gòu)整體劃分后，結(jié)構(gòu)的剛度、受力狀態(tài)變化不大的鋼屋蓋。

2.4 整體吊裝法

整體吊裝法是將在工地上組裝好的結(jié)構(gòu)，然后用起重機將其運到指定的地方。采用整體吊裝方法，既能保證幾何尺寸精度，又能保證焊接質(zhì)量，既可以在現(xiàn)場和室外組裝，而且還可以和其它施工工藝同時進行，縮短工期。但該方法對吊裝能力和工人的技術(shù)要求很高。

圖4 整體吊裝法

2.5 整體提升法和整體頂升法

整體吊裝法是將結(jié)構(gòu)桿按設(shè)計要求就地組裝，然后通過吊裝裝置將結(jié)構(gòu)整體吊裝到設(shè)計高度并安裝到位。采用整體吊裝方法，可采用結(jié)構(gòu)柱作為臨時吊裝支撐，或采用鋼管支撐或網(wǎng)架吊裝。與整體吊裝法相同，整體吊裝法也是就地組裝，區(qū)別在于，頂升法采用的是將千斤頂置于構(gòu)件下方，采用結(jié)構(gòu)柱子等作為頂升支架，而吊裝法的起重裝置則是安裝在結(jié)構(gòu)的上部，由吊桿或鋼絲繩牽引而起。升降式與升降式的共同優(yōu)勢在于，可以將房屋面板、天棚、電氣及采暖、通風(fēng)設(shè)施等置于最佳位置，可大幅降低工程投資。整體提升法適用于有周邊支承點或支承網(wǎng)架，整體頂升法則適用于支點較少的點支承網(wǎng)架的安裝。

圖5 整體提升法

圖6 整體頂升法

3.大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系

3.1 預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架是將現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)和網(wǎng)格化技術(shù)相結(jié)合而形成的一種新型預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力采用兩種方法：一種是在網(wǎng)架周圍設(shè)置相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力，來對張拉預(yù)應(yīng)力索施加內(nèi)力作用；另一種通過網(wǎng)格結(jié)構(gòu)支座的高差使之強行調(diào)整就位，來使網(wǎng)格結(jié)構(gòu)建立預(yù)加應(yīng)力。

圖7 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架

3.2 索穹頂結(jié)構(gòu)

索拱結(jié)構(gòu)是由美國建筑師R·B·Fuller 在1962年提出的張拉總體概念：盡量減小壓力狀態(tài)，并保持持續(xù)的張拉狀態(tài)。之后美國工程師 Levy 針對亞特蘭大奧運主會場喬治亞圓頂結(jié)構(gòu)，對結(jié)構(gòu)外剛度不足、容易失穩(wěn)的方案進行了完善和改進。

索穹頂是采用索、桿、膜等輕質(zhì)、高強度的新型結(jié)構(gòu)，具有較大的創(chuàng)新性和獨特性，是一種新型的結(jié)構(gòu)。索拱結(jié)構(gòu)多采用預(yù)應(yīng)力鋼絲繩，其壓桿數(shù)量少、長度小，能最大限度地發(fā)揮鋼的抗拉強度，提高了結(jié)構(gòu)的高效性[3]。

由于索拱結(jié)構(gòu)中使用了大量的預(yù)應(yīng)力鋼索，由于其壓桿數(shù)量較少，且長度較短，因此能夠最大限度地發(fā)揮其抗拉強度，因此具有很高的施工效率。自20世紀(jì)晚期開始，由于其造型新穎、構(gòu)思巧妙、受力合理、造價低廉、施工速度快而深受廣大建筑工程人員的青睞，目前已廣泛用于大跨度、超大跨度建筑的屋面設(shè)計，成為國內(nèi)外建筑領(lǐng)域的一個重要課題。索穹頂按其幾何拓撲形態(tài)可劃分為Levy型、Geiger 型、Kiewitt 型、鳥巢型、混合型等多種形式。

3.3 張弦梁結(jié)構(gòu)

張弦梁結(jié)構(gòu)是近幾年出現(xiàn)的一種新型結(jié)構(gòu)形式，張弦梁是一種具有自穩(wěn)性的預(yù)應(yīng)力平衡結(jié)構(gòu)，其作用于張弦梁上的預(yù)應(yīng)力能夠在不影響支撐和地基的情況下，在其內(nèi)部實現(xiàn)對預(yù)應(yīng)力的均衡。張弦梁結(jié)構(gòu)因其抗壓、抗彎性能較好而具有較大的剛度，因此其在不規(guī)則風(fēng)荷載下的外形穩(wěn)定性能也較好。

張弦梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括上弦鋼梁、撐桿和下弦索體三個部分，張弦梁結(jié)構(gòu)是通過張拉下弦索體來實現(xiàn)對鋼梁的向上集中；在垂直加載下，鋼結(jié)構(gòu)的受力特點由相似的簡支梁變?yōu)槎嗫邕B續(xù)梁，張弦梁結(jié)構(gòu)通過對索內(nèi)施加的預(yù)應(yīng)力來控制剛性構(gòu)件的彎矩大小和分布位置，從而提高結(jié)構(gòu)的承載能力，使得截面利用效率更高，經(jīng)濟性更好。同時張弦梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和節(jié)點的種類更少，方便相關(guān)構(gòu)件的制作、加工以及運輸，從而加快施工速度和降低成本。

3.4 索桁結(jié)構(gòu)

索桁張拉結(jié)構(gòu)主要是將預(yù)應(yīng)力作用在索體上，一般分為三種結(jié)構(gòu)，即索穹頂、輪輻式和無內(nèi)環(huán)索桁結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力鋼索桁架的主要特征是用撐桿將承壓構(gòu)件（如梁、拱）與抗拉構(gòu)件（如弦線）相結(jié)合，以對抗截面彎矩。預(yù)加載索桁架主要由上弦、下弦和撐桿組成。上弦和撐桿為剛性構(gòu)件，下弦為柔性桿。預(yù)應(yīng)力索桁架根據(jù)布置特點分為平面和立體兩大類。

圖8 索穹頂結(jié)構(gòu)

圖9 索桁結(jié)構(gòu)示意圖

3.5 索拱結(jié)構(gòu)

為改善拱結(jié)構(gòu)的不足之處，將索與拱結(jié)合產(chǎn)生了一種新型的索拱組合結(jié)構(gòu)，與純拱結(jié)構(gòu)相比，索拱結(jié)構(gòu)具有剛度大、承載力高以及拱腳水平推力較小等優(yōu)點。索有三種不同的布置方式，分別為：弦張式索拱結(jié)構(gòu)的布索方式、弦張式索拱、車輻式索拱結(jié)構(gòu)的布索方式，索拱在靜載荷下的受靜力要好于純拱形，并且索拱結(jié)構(gòu)在相同的剛度水平下比純拱結(jié)構(gòu)更高[4]。

3.6 索網(wǎng)（膜）結(jié)構(gòu)體系

索網(wǎng)是一種具有負曲率、相互正交、曲率相反的兩組纜索相互疊加而成的具有負曲率的彎曲表面。通常纜繩是由高強度鋼繩構(gòu)成，它是利用纜繩的軸向作用力來抵御外部載荷的。索網(wǎng)結(jié)構(gòu)能夠比較經(jīng)濟地實現(xiàn)較大的跨度，目前已經(jīng)成為大跨建筑的主要結(jié)構(gòu)形式之一。由于其受力合理、造型多變、受力效率高、可顯著降低鋼材用量、容易達到綠色建筑發(fā)展的目的，因此在建筑結(jié)構(gòu)中已廣泛應(yīng)用。索網(wǎng)結(jié)構(gòu)屋頂覆蓋材料若采用膜材，則形成索膜結(jié)構(gòu)。

由中國鐵建國際集團承建的主持卡塔爾世界杯的盧塞爾體育場，便是世界上同類型索網(wǎng)體系中跨度最大、懸挑距離最大的索網(wǎng)屋面單體建筑。體育場頂部采用膜結(jié)構(gòu)、屋面采用索網(wǎng)結(jié)構(gòu)、墻壁使用V 柱、桁架以及墻布，然后屋頂和立面結(jié)構(gòu)通過巨大的壓環(huán)連接在一起。屋頂部分采用索網(wǎng)和膜面系統(tǒng)組成。屋面膜結(jié)構(gòu)面積達56300 平方米，是目前最大的膜結(jié)構(gòu)。由于卡塔爾地處沙漠地區(qū)，常伴隨著風(fēng)沙侵襲，屋面采用了高性能PTFE 聚四氟乙烯膜結(jié)構(gòu)。

圖10 盧塞爾體育場俯視圖

3.7 整體張拉結(jié)構(gòu)體系

整體張拉結(jié)構(gòu)是一種由一組不連續(xù)的受力構(gòu)件和一系列受拉構(gòu)件構(gòu)成的自平衡結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。張拉結(jié)構(gòu)因其造型優(yōu)美、結(jié)構(gòu)輕盈、受力清晰等優(yōu)點而受到人們的重視和重視。在此基礎(chǔ)上，提出了一種具有較好抗彎性的環(huán)狀張拉件，并得到了工程界的廣泛關(guān)注。在建筑物的前面和后面，可以形成一個環(huán)形的走廊，里面有一個內(nèi)部的通道。作為張拉整體結(jié)構(gòu)，在確定了節(jié)點的位置和拓撲關(guān)系后，首先要解決的問題是如何找到一個符合設(shè)計要求的初始預(yù)應(yīng)力分布。具有預(yù)應(yīng)力提供剛度，壓力位于拉力內(nèi)部的特點。

4.大跨度空間結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)測控制

現(xiàn)代大型鋼結(jié)構(gòu)工程由于其施工過程龐大、復(fù)雜、施工方法和技術(shù)復(fù)雜，因此在施工中發(fā)生危險的可能性要高于普通建筑。但在現(xiàn)代大規(guī)模鋼結(jié)構(gòu)施工中，一旦出現(xiàn)安全事故，其后果將極其嚴(yán)重，不僅經(jīng)濟損失、人員傷亡，而且還會產(chǎn)生嚴(yán)重的社會影響[5]。在施工過程中，由于設(shè)計不合理，施工方法不合理，施工方法不合理，驗算不正確，材料質(zhì)量或制作上的問題，施工過程中的不規(guī)范操作，都可能造成施工安全事故。

由于現(xiàn)代大型、復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)工程在施工階段的受力分析還不夠完善，為了保證其安全性和精確度，必須對整個施工過程進行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)問題，并采取相應(yīng)的措施，以保證工程的安全、有序進行。施工監(jiān)控是指利用技術(shù)手段對施工各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)控，并對施工中影響施工安全的各種因素的發(fā)展和變化狀況進行控制，以達到對施工質(zhì)量和安全等方面的要求。

結(jié)語：

本文對大跨預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的施工工藝與系統(tǒng)作了簡要的介紹，并對其優(yōu)缺點、適用條件等進行了分析，最后提出了大跨預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控的基本方法。結(jié)合工程實例，論述了施工監(jiān)控的主要內(nèi)容與方法。同時，還闡述了大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工管理中存在的問題及相應(yīng)解決措施。最后以卡塔爾世界杯盧塞爾體育場為例，對大跨預(yù)應(yīng)力鋼索網(wǎng)拱結(jié)構(gòu)體系進行了詳細分析，闡述了施工監(jiān)控的方法。本文還論述了工程項目管理方面的問題，對管理工作的要點做了具體講解、分析，為工程施工提供了參考依據(jù)。

大型空間鋼結(jié)構(gòu)的施工工藝非常關(guān)鍵，其施工方案的合理、施工工藝的科學(xué)、安全、經(jīng)濟都要得到保證。當(dāng)前，我國某些大型空間鋼結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)從傳統(tǒng)的建筑方式向多學(xué)科、綜合化、高科技方向發(fā)展，對傳統(tǒng)建筑技術(shù)提出了空前的困難與挑戰(zhàn)。為此，廣大科研、設(shè)計、施工單位必須共同努力，研究開發(fā)新的、更科學(xué)的施工工藝，以適應(yīng)日益增長的需求。