张建，丁海祥，于乃鹏

（南通五建控股集团有限公司，江苏 南通 226400）

1 张弦梁结构

张弦梁结构的概念由日本大学的M.Saitoh教授在20世纪80年代初首先提出，该结构充分利用高强索的强抗拉性改善整体结构受力性能，成为受力合理、制造运输方便、施工简单的自平衡体系，是具有良好应用价值和应用前景的新型空间结构形式。大跨度张弦梁结构具有结构跨度大、节点构造复杂、施工精度要求高等特点。施工方法选择的好坏将直接影响工程质量、施工进度、施工成本等技术经济指标。张弦梁示意见图1。

图1 张弦梁示意

2 工程概况

如东文体中心位于如东县新城区东北片区，掘苴河以东，龙腾路以南，中间横穿东西向的长江路、南北向解放路。地处如东县新城核心地带，建成后为如东县地标性建筑。本工程由体育馆、全民健身中心、文化馆、博物馆、图书馆5个单体建筑组成，总建筑面积88 080.2 m2。其中，体育馆建筑面积 23 145 m2，地上3层，地下1层，建筑高度27 m。体育馆屋盖平面尺寸约为 180 m×130 m，屋盖结构最高点标高23 m。体育馆主体为钢筋混凝土框架结构，屋盖为钢结构单层网壳结构，屋盖钢结构采用张弦梁+正交网格结构。体育馆篮球场屋盖最大跨度达 56 m，大跨度梁采用张弦梁结构，拉索采用强度不低于 1 670 MPa高强度钢丝束，规格Ф5×265、Ф5×151，最大索力设计 2 345 kN。 体育馆钢结构总用钢量为1 200 t。

3 重难点分析及对策

3.1 重难点分析

本工程最大特点为体育游泳馆内大跨度张弦梁结构（图2），下方设计有高钒索对其进行反向顶力；体育馆上方大跨张弦梁总长最大 56 m，整榀重量 28.2 t，吊装最高高度 21.3 m（图3）。游泳馆上方大跨张弦梁总长最大 42 m，整榀重量 24 t，吊装最高高度19.3 m。张弦梁存在着长度长、重量重等难点，在构件分段、运输、现场拼接、吊装、精度等方面有着极高的要求。

图2 体育馆平面示意

图3 体育馆剖面

3.2 施工对策

针对体育馆大跨度张弦梁结构长度长、重量重的施工难点，在钢结构深化设计阶段，将整根梁分段优化，减少单根构件的运输长度及起吊重量。根据2016年新颁布的 《超限运输车辆行驶公路管理规定》及强制性国家标准《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》中钢构件公路运输总长最大需控制在16 m内的规定并结合实际工况需要，将单根构件分段最大长度控制在14.8 m以内（图4）。

图4 大跨度张弦梁分段示意

3.3 施工工艺

3.3.1 张弦梁吊装顺序

张弦梁结构吊装由西南侧篮球馆开始，350 t履带吊沿着环形道路行走，依次向南再向东北游泳馆的顺序进行外场吊装。外场吊装的同时篮球馆内场100 t汽车吊同时进行施工。

（1）外场吊装顺序

①350 t进场于篮球馆南侧完成拼装，开始吊装南侧外场钢屋盖结构。吊装方式按照柱→梁的顺序依次吊装。相邻结构吊装完成后优先连接成整体，形成初步稳定结构。

②350 t履带吊继续吊装东侧及北侧外场钢屋盖结构。大于14 m的钢梁于地面堆场拼装成整根后整根吊装。

③游泳馆大跨度钢梁总长 35 m（小于 14 m的三段钢梁于地面拼装成整体），将铸钢件及钢索组成整体吊装。钢索于地面初步预张拉30%的索力，使得该 35 m跨钢梁具备一定的刚度，严控整体吊装时大梁变形量。大跨度钢梁最大重量24 t（含铸钢件及钢索），350 t履带吊 R=48 m，Q=26 t＞24 t，满足吊重分析。

④350 t履带吊同样方式继续吊装北侧游泳馆钢屋盖结构。

（2）内场吊装顺序

100 t汽车吊由东侧驶入体育馆内场，开始吊装两侧钢柱和梁。另配置25 t汽车吊于内场地面拼装上方56 m大跨度钢弦梁。吊装56 m大跨度张弦前，必须完成609钢管临时支撑的安装，支撑间设置型钢拉接，保证支撑稳定性。然后进行大跨度张弦梁结构的吊装，篮球馆上方大跨度张弦梁结构由南向北依次进行吊装。大跨钢梁截面为Bo×800 mm×300 mm×20 mm×25 mm，最大长度 26 m，最大重量14.1 t，100 t汽车吊 R=15 m，Q=14.5 t＞14.1 t， 满足吊重分析。

3.3.2 大跨度钢梁吊装计算验证

（1）计算假定：采用梁单元模拟；钢丝绳采用只受拉索单元模拟；钢丝绳交汇点（吊点）与钢梁重心投影面重合；钢丝绳交汇点施加铰接约束；为避免吊装过程结构形成应力，导致计算不收敛，模拟中钢丝绳下端X、Y向采用刚度无限小的节点弹性支撑进行约束。

（2）荷载考虑：构件仅承受自重 D，考虑节点部位的自重增大效应，取自重放大系数1.3。

（3）荷载组合：荷载基本组合为1.2D；荷载标准组合为1.0 D。

（4）钢丝绳直径选取：根据计算结果，吊绳选用《重要用途钢丝绳》（GB/T8918-2006）6×19+1 纤维芯钢丝绳，钢丝绳直径d=24.5 mm，单股吊绳破断力36.244 t，四点吊装，取其中三点参与受力计算，Gmax=28t钢梁吊装时，单根钢丝绳受力 9.3 t。

取安全系数K=6，钢丝绳起吊角度为 45°，三根吊绳容许拉力：P=Sb/K=3×36.244/6=181.22 kN＞1.44×93.33 kN=134.4 kN。所选吊绳满足受力要求。

3.4 钢结构吊装分段支撑体系的设计

3.4.1 重难点分析

游泳馆钢索位于大跨钢梁正下方，可将钢索与钢梁同时吊装到位（图5）。为保证钢梁吊装时刚度，通过预张拉30%的索力，以增强张梁本身刚度，钢梁就位安装完成后再补拉钢索至设计索力（图6）。

但是，体育馆张弦梁钢索位于相邻2根大跨钢梁之中，通过钢拉杆反顶，无法将钢索和钢梁同时安装。且根据结构图纸及设计模型分析，本工程体育馆内大跨度的张弦梁结构在钢索张拉前，若下方无支撑架体系，将发生超出结构允许的下挠变形。

图5 游泳馆钢索和钢梁整体安装

图6 游泳馆张弦梁分两次张拉

3.4.2 施工对策

体育馆大跨度张弦梁结构钢梁吊装完成后，由于钢索未安装，根据计算56 m大跨度钢梁会产生超出设计允许的下挠变形。为减少变形量，在体育馆大跨钢梁吊装前，设置609钢管临时支撑体系设置于钢梁分段下方。609钢管之间拉设 Hw300型钢角焊缝围焊拉接，并设置横向撑杆及剪刀撑，保证结构稳定；609管支撑底部设置路基箱，防止沉降，保证大跨钢梁精度。

3.5 钢索张拉施工

3.5.1 重难点分析

本工程钢索主要位于体育馆及游泳馆大跨度张弦梁下方，以增强整体刚度。体育馆LS1索力设计 847～1 084 kN（2 095～2 345 kN），LS2 索力设计371～697 kN（994～1 364 kN）。 游泳馆 LS3 索力设计 453～464 kN（744～854 kN），LS4 索力设计 612～656 kN（1 174～1 272 kN）。

钢索张拉的索力、设备等均需专业计算并有针对性配置，以保证钢索张拉完成后达到设计要求的索力。钢索张拉时需特别搭设专用操作平台，供钢索张拉专业人员就位操作，以及安放张拉设备。

3.5.2 张弦梁张拉模拟分析验证

（1）张拉施工方案

结合设计文件以及现场施工条件，整体安装顺序从右边往左分区域(A-B-C)施工，确定实际施工步骤如下：

A区拉索张拉方式采用单端张拉，张拉顺序为E轴至L轴，依次张拉。张拉过程中由索力和变形同时控制，依据施工模拟计算结果控制拉索索力以及主梁跨中位移。

待A区域施工完成，进行B区域施工。张弦梁钢结构、拉索在胎架上拼装安装完成后，对拉索进行预张拉30%以形成刚度。B区拉索张拉采用两端张拉的方式，张拉顺序为 E轴至K轴。张拉过程中依据施工模拟的计算结果控制拉索索力及主梁跨中位移。

待B区域施工完成，进行C区域施工。C区拉索张拉采用两端张拉的方式，张拉顺序为 E轴至G轴。张拉过程中依据施工模拟的计算结果控制拉索索力及主梁跨中位移。

（2）施工模拟计算

本工程采用结构计算软件 SAP2000，依据设计图纸以及相关设计资料进行建模并计算，计算内容如下：

①模拟张拉成型状态，使拉索轴力同设计初张力接近，得到结构起拱变形量。

②对未安装胎架的B区域和C区域的张弦梁计算其吊装过程，设置吊点，计算吊装过程的结构挠度，同时对结构构件进行吊装过程中的强度验算。

③模拟张弦梁的张拉过程。由张拉成型状态得到预应力荷载（以温度荷载的形式体现），将其施加至拉索，模拟拉索的张拉过程。得到拉索轴力及张弦梁跨中竖向位移。

施工最终态的拉索索力与设计索力对比如表1所示。最大误差0.7%，满足要求。

各关键点施工最终态位移与设计位移对比如表 2所示，最大差值-22 mm，满足要求。

3.5.3 张拉设备

针对本工程结构形式及钢索体系的特点，设计专用张拉工装。液压油泵、标定千斤顶、油管线路、操作程序等均需提前进行实验及检测，实验通过后方可应用于本项目索张拉工程。

3.6 消失模铸钢件加工工艺

3.6.1 重难点分析

根据设计要求，由于钢结构与钢索相关节点在张拉时承受较大索力影响，该节点钢结构均采用铸钢件节点，以保证张拉过程中及张拉后的结构变形及应力均在设计要求之内。

本工程铸钢件数量较多 （各类型号 104个），造型复杂多变，同一型号外形近似而不相同，浇筑过程中形状设计与保持，完成后的曲面检查验收难度大。铸钢件为钢结构与钢索受力相连的关键节点，如何保证内在质量、外观尺寸，为本工程施工实施的关键。

表1 索力对比/kN

表2 位移对比/mm

3.6.2 施工对策

根据本工程铸钢件特点，在计算复核的基础上，采用先进的消失模工艺进行铸钢件制作。铸造前，采用ProCAST软件对铸造工艺进行仿真模拟，确定最优最合理的铸件浇冒系统及浇铸工艺参数；钢水炼制采用两台 30 t精炼炉和 5台10 t中频炉，浇注前对钢水化学成分进行检测，利用数控自动浇注机一次浇注成型，铸件脱膜后，采用200 t热处理炉进行正火+回火热处理，采用喷砂、抛丸、机加工等方法进行铸件外表面处理，确保外观质量达到设计要求。

4 结语

如东县体育中心建设工程大跨度张弦梁结构，结构体系复杂、施工精度要求高、实施难度大。结构施工前，项目部对施工全过程进行模拟计算，并结合BIM技术进行全过程施工模拟，制定了科学可行的施工方案，施工过程中加强工艺及质量监控，无论是进度、质量还是安全方面都全面有序实现了既定目标，为大跨度张弦梁结构施工技术方面积累了施工经验。