74 m大跨度张弦梁钢结构屋盖施工关键技术

李昌驭 乔文俊 徐 伟

1.南京市建筑安装工程质量监督站 南京 210007；2.江苏建科建设监理有限公司 南京 210008；3.中建三局集团有限公司（沪） 上海 200129

1 工程概况

南京国际博览中心二期工程的1#、2#展馆采用单层张弦梁钢结构屋盖，屋盖整体倾斜，角部大悬挑，整个屋盖结构支承于下部混凝土柱上，单个展厅的钢屋盖结构共有18 榀张弦梁，单榀张弦梁自重约84.7 t，间距9 m，跨度74 m，垂跨比1∶18.5，每个展馆由2 部分屋面组成（图1），屋盖纵向中部存在高差，屋面飞出馆外的部分采用斜支撑悬挑。

图1 单个展馆屋盖平面示意

张弦梁的上弦为单坡双H型钢直梁，梁高1.2 m，主截面为1 200 mm×400 mm×24 mm×35 mm，梁截面为2 根工字型钢由横板在上下翼缘拼接而成；预应力拉索由1 670 MPa级PESφ7 mm×301规格镀锌钢丝组成，外包高密度聚乙烯（HDPE）护层，索体两端可调，索头采用冷铸锚。为了尽量突出展馆内的大空间，张弦梁拉索的垂直高度仅4 m，拉索的撑杆分为上下2 段，上段为受力段，下段为装饰段（图2），上下2 段的总长度均为4.2 m，使得等长的撑杆结合拉索的弧线，在视觉上极具韵律性[1-3]。

图2 单榀张弦梁结构单元示意

2 工厂加工及质量控制

有限元分析结果表明，张弦梁应力在支座区域最大，所有熔透焊缝均为一级焊缝，由于支座处含有拉索的斜向穿孔，加劲板多，工厂内加工应注意保证焊接质量，尤其对于隐蔽焊缝，做好焊缝检测。

展馆中央的高低屋面重叠部位，立面上采用1 榀张弦桁架衔接高低屋面，桁架自重约220 t，如完全通过拉索抬起桁架，则张拉索力过大，将造成张弦梁支座区域的应力超过屈服应力，故对张弦桁架，采用工厂内加工预起拱25 mm的措施，以减小支座应力。

深化设计的找形分析完成后，构件之间的位置关系就已经精确形成且唯一，包括张弦梁总长、梁底插耦位置、受力段撑杆的长度、拉索总长、索夹在拉索上的位置。对张弦梁的整体长度应在加工中进行全过程控制，74 m跨度的误差应控制在-5～+10 mm之内，以保证梁体在两端支座埋板上的准确就位，以及插耦位置和索夹的对应关系。

撑杆的垂直度直接决定观感质量，如果撑杆不垂直，将显著影响展馆建筑效果，撑杆垂直度主要由深化设计建模分析的精度决定，同时施工中应控制好张拉力、上下节点初始位置、张拉伸长值3 个因素，本工程采用两端张拉工艺，有助于避免撑杆向一个方向倾斜[4-6]。

撑杆与张弦梁的连接，靠撑杆插入梁底的2 片耳板间（插耦）来实现，插耦间隙精度应严格控制，间隙过大，对撑杆起不到平面外的约束作用，撑杆将有外摆趋势；间隙过小，撑杆难以插入，且工厂内如果不能加工到位，出现间隙不足，施工现场的作业人员往往会采用火焰纠正来扩大间隙，对质量产生影响。工厂内应保证撑杆插入后，每侧间隙＜1.5 mm。

3 钢梁吊装及质量控制

张弦梁体系的构件进场做好配套工作，包括主梁、次梁、撑杆、支座、索夹、拉索等构件，对现场做好交底，保证现场安装有条不紊的进行。

张弦梁两端支座下的混凝土独立柱，截面形状为椭圆形，截面尺寸1 000 mm×2 000 mm，由于张弦梁及屋面板自重由两端支座承担，柱顶局部压应力大，重点保证柱体垂直度、钢筋绑扎、混凝土浇筑质量，柱体垂直度须在埋板安装时校核到位，同时保证浇筑过程不跑模，保证固定铰支座位于柱顶正中（图3），使得独立柱轴心受力。

图3 混凝土独立柱顶的张弦梁（固定铰）支座

从便于运输角度考虑，每根长74 m的张弦梁均分为3 段进场，吊装时在胎架上对接拼装，对接焊缝均为一级焊缝，每跨采用2 处双拼胎架（图4）。双胎架较之单胎架，既增加了稳定性，也方便拉索从双胎架中间提升吊装。

图4 张弦梁中间一段吊装

考虑到馆内运输通道，张弦梁垂直跨度方向摆放，采用1 500 kN汽车吊，起吊过程中旋转90°至安装方向，卡马对中后，普通螺栓加点焊临时固定，之后吊车松钢丝绳不松钩，次梁随主梁同步安装，待两侧次梁就位固定后，吊车松钩，梁上下翼缘及腹板的对接焊缝正式焊接，高空焊接采用防风布，保证CO2气体保护效果。

在张弦梁腹板上张贴反光观测标识，采用全站仪检测张弦梁的安装位置、标高，除高低跨处的桁架大梁外，不考虑安装起拱。张弦梁安装与张拉偏差控制指标：混凝土独立柱垂直度为1/300；支座平面位置长边方向20 mm、短边方向10 mm；标高±10 mm；跨度-10～+20 mm；跨中挠度≤30 mm；拉索撑杆垂直度1/200。

4 索起吊、安装及质量控制

4.1 拉索进场检查

由于拉索在无应力状态下安装，为保证索夹的安装位置，同时为消除非弹性因素对钢索长度的影响，拉索的长度和索夹位置标识控制均应在设计预张力的应力状态下下料，虽然制索在工厂内完成， 但拉索与撑杆的空间姿态关系是在深化设计中得到计算和控制的，对拉索厂家应进行交底，拉索进场重点检查拉索长度、预张拉记录及索体表面索夹位置的标识，成品拉索长度≤100 m时，索长偏差≤20 mm。

4.2 索夹安装

索夹由2 个半球形的铸钢件组成，半球内壁铸有凸起的条纹，以增加包裹拉索的摩擦力，在拉索展开后，根据索体表面的标识安装索夹，由4 颗螺栓固定，由于索体外包的聚乙烯护套既有一定硬度，又有一定的弹性，需要对4 颗螺栓进行反复拧紧。

4.3 拉索吊装

将拉索在地面上顺梁方向展开，从双拼胎架中间穿过，两端由汽车吊吊起，采用钢丝绳、千斤顶牵引索头（图5），穿过张弦梁两端支座的斜向张拉孔中就位，调整上半截撑杆，使得索夹进入撑杆凹槽，穿过张弦梁支座的张拉孔中就位，待两侧各榀装完，张拉本榀。

图5 拉索由吊机、钢丝绳、千斤顶牵引穿入支座

5 索张拉及质量控制

张拉采用双控原则，以控制变形为主，张拉力控制为辅，设计张拉索力每榀不等，最小值2 240 kN，最大值3 450 kN，每榀张弦梁张拉前，按照两侧均有2 榀张弦主梁及次梁安装到位的前提下，方可张拉本榀梁，张弦梁一端支座固定，一端自由滑动，全部张弦梁张拉完毕后，将滑动支座固定。自由端的支座两侧焊限位铁，约束平面外位移，同时支座底和柱顶埋件之间涂抹黄油，实现自由滑动端。

张拉时，随着拉应力的增加，钢索有一个自适应过程，经过自平衡而使内力重分布后， 形状也随之改变，张拉由地面指挥，两端同步，采用分级对称、缓慢加速、同步加载的原则，分五级张拉程序：预紧→20%→40%→60%→80%→100%，每级持荷时间为2 min，保证应力和变形均匀增加，同时观察撑杆垂直度，发现偏摆较大时，可将索力卸掉，适当移动索夹位置后，重新张拉[7,8]。

张拉时，将张弦梁跨中节点竖向位移作为首要变形控制参数（图6），在跨中下方地面设置激光铅直仪进行监测。结果表明，除11轴大桁架梁自重较大外，其余张弦梁张拉完即脱离胎架，与设计相符。经过对多道梁自由端支座的观测，未见滑动，表明张弦梁未发生肉眼可见的轴向变形。

图6 张拉完成的初始态（下段装饰撑杆尚未安装）

胎架卸载时，对胎架是卸载，对张弦梁体系实际是加载，梁自重及结构荷载开始由张弦梁体系承受，观测表明，梁跨中竖向挠度最大3 mm，11轴上拱23 mm，与深化设计的计算结果吻合较好（表1）。

表1 张弦梁跨中节点竖向位移

6 索力监测

对于张弦空间结构，由于数榀张弦桁架之间存在相互影响，在施工前通过计算分析，循环逆迭代，得到每一榀张弦梁拉索的设计张拉力，从而做到一次张拉到位，避免循环张拉。

拉索张拉前，在张拉端的锚垫板和螺母之间安装穿心式压力传感器（索力计），拉索张拉后，拉索的内力传递到压力传感器，传感器内部安装有高灵敏度弦式应变计，根据传感器的受压面积和应变可得到传感器所承受的压力，张拉索力误差应≤10%的设计索力，索力实测值与设计值相比，满足偏差要求。

7 结语

南京国际博览中心工程为大跨钢结构屋盖，施工难度较大，针对主结构加工、安装、张拉中遇到的相关问题，通过采取各种技术措施，使得问题得以有效的解决。

通过对索力及扰度监测验证，结果均符合设计及规范要求，撑杆垂直度等观感效果良好，收到了良好的工程效果，具有良好的社会效益和经济效益。