张煦，秦国鹏，胡晓菲
（中交一航局第四工程有限公司，天津 300456）
摘要：神华黄骅港联合办公楼体育馆工程平面呈椭圆形，长向跨度46 m、短向跨度34 m，主体为钢筋混凝土框架，屋面为张弦梁结构，共设置9榀张弦梁主梁。鉴于本工程特点，利用有限元软件Midas gen进行仿真模拟计算，对张弦梁的吊装及张拉施工具有一定的指导意义。
关键词：张弦梁；Midas gen；有限元；仿真模拟；预应力
神华黄骅港联合办公楼体育馆位于河北省渤海新区，坐落在沧州市区以东约90 km的渤海之滨，是黄骅港口装卸企业神华黄骅港务有限公司的后方配套设施之一。平面投影呈椭圆形，长轴跨度46 m，短轴直径为34 m，主体为钢筋混凝土框架，屋面为张弦梁钢结构。短轴方向由9榀张弦梁主梁组成，长轴方向为次梁结构，主梁端板底高程16.5 m，最高点高程为18.8 m。体育馆结构示意见图1。
张弦梁结构是一种由刚性构件上弦、柔性拉索、中间连以撑杆形成的混合结构体系，其结构组成为一种新型自平衡体系，是一种大跨度预应力空间结构体系，也是混合结构体系发展中的一个比较成功的创造。张弦梁结构具备承载能力高、使用荷载作用下的结构变形小、结构稳定性强、制作运输施工方便，且具有良好的应用前景。
图1 体育馆结构示意
屋面张弦梁钢结构上弦为矩形，截面尺寸为600×300×12×20，材质为Q345B；下弦张拉索为121×Φ5双保护层PE钢索，材质为Fptk=1 770 MPa镀锌钢丝；上弦和下弦之间采用钢管Φ180×8撑杆铰接连接，主梁采用固定支座，焊接固定在混凝土环梁预埋钢板上。屋面主梁最大跨度32.6 m，单榀梁设计最大重量约11.0 t。
Midas Gen是基于三维的通用建筑结构分析和优化设计系统。其强大的计算分析功能，既能满足常规建筑的计算设计要求，也能很好的完成对混合结构、特种结构的分析设计，为用户提供结构分析和解决方案。
2.1 制作地面拼装胎架
单榀张弦梁上弦在工厂整体加工成型后送现场组装。先将场地进行整平，夯实，并浇筑C20混凝土地面（20 cm厚），以满足拼装胎架的要求。在施工场地内搭设张弦梁安装胎架，胎架主结构采用100×100方钢，次结构采用60×60方钢，材质均为Q235B，各节点均为焊接连接。为了避免影响腹杆的焊接，胎架立柱设置在张弦梁相邻节点的中部，且支撑上弦的立柱为了组装和脱模方便，设置两侧牛腿。胎架结构示意如图2。
图2 胎架结构示意
胎架底板下的场地须平整，具有足够的承载力和稳定性，在拼装焊接安装过程中胎架不得发生倾斜现象。为防止刚性平台胎架变形，胎架旁设置胎架观察点，如有变化应及时调整，待稳定后方可进行焊接。
胎架放置时须测量高程，保证几个胎架上顶面在组装焊接过程中保持水平。胎架相互连接形成刚性平台，平台铺设后，进行X、Y的投影线、放高程线、检验线及支点位置，形成田字形控制网，然后竖胎架直杆，根据支点处的高程设置胎架模板及斜撑。胎架设置与相应的钢梁设计配套、胎架高度最低处应能满足全位置焊接所需的高度。
2.2 仿真模拟
使用有限元计算软件Midas Gen，按照设计图纸建立结构的整体模型，构件规格、边界条件等均和图纸保持一致，采用施加初拉力的方法来达到施加预应力的目的，按照要求的张拉顺序（在地面拼装时进行第一次张拉，屋面钢结构组装完成后分五步对称对屋面张弦梁进行第二次张拉。）对整个施工过程进行仿真模拟计算。
首先对张弦梁在胎架上拼装时进行第一次张拉的结构位移、结构应力和拉索索力进行了仿真计算，分析。第一次张拉到设计张拉力的30 %，保证吊装过程中单榀桁架稳定。然后对屋面张弦梁结构安装完毕尚未进行第二次张拉时的结构位移、结构应力和拉索索力进行了仿真计算，分析。最后分步骤对屋面张弦梁结构进行第二次张拉的结构位移、结构应力和拉索索力进行了仿真计算，分析。
1）第一次张拉仿真模拟
按照施工图纸要求，每榀张弦梁在胎架上组装并进行第一级张拉后进行模拟分析进行，得出结构最大位移为14.1 mm，最大应力为17.7 MPa。
2）吊装完成后仿真模拟
在张弦梁及钢结构次梁吊装完成后，分析整个结构体系受力变化情况，确保后期对屋面结构施工提供有效参数。
整个屋架形成整体结构后，屋面中心处变形较大，张弦梁起拱约4.0 mm。
3）第二次张拉仿真模拟
屋面结构吊装完成后，分析第二次张拉后结构变形、最大张拉应力及对应的锁力，为张拉施工提供详细参数。结构成型以后，跨中最大上挠43 mm，挠跨比约1/760，结构成型以后，钢结构最大应力-98 MPa，应力较小。结构成型以后，拉索索力达到设计要求的预拉力值。
施工过程中和完成后，结构的位移和应力状态均达到设计要求。最终张拉力及变形如表1。
表1 钢索最终张拉力、伸长值及上挠值
钢索位置(自南向北) GL-5GL-4GL-3GL-2GL-1GL-2GL-3GL-4GL-5 钢索最终索力/kN155295385480480480385295155 每榀钢索伸长值/mm505355606359565451 最终每榀上挠最大值/mm-1522343935234-1
张弦梁编号如图3。
图3 吊装及张拉顺序
其施工顺序如下：
第一步：GL-5、GL-4两榀张弦梁第一级张拉完成后，用50 t汽车吊支设馆内进行吊装，GL-5就位后，填档GL-5与混凝土梁间的部分次梁。
第二步：用同第一步一样的方法，用50 t汽车吊站在馆内进行吊装GL-4，GL-4就位后，填档GL-4与GL-5间的部分次梁。
第三步：用同第一步一样的方法，用50 t汽车吊站在馆内进行吊装GL-3，GL-3就位后，填档GL-3与GL-4间的部分次梁。
第四步：用同第一步一样的方法，用50 t汽车吊站在馆内进行吊装GL-2，GL-2就位后，填档GL-2与GL-3间的部分次梁。
第五步：用同第一步一样的方法，用50 t汽车吊站在馆内进行吊装GL-1，GL-1就位后，安装GL-1与GL-2间的部分次梁。
第六步：考虑到汽车吊的起吊相碰问题，在吊装完GL-1后，进行北端GL-5的吊装，用50 t汽车吊站在馆内进行吊装GL-5，GL-5就位后，填档GL-5与混凝土梁间的部分次梁。
第七步：用同第六步一样的方法，进行北端GL-4的吊装，用50 t汽车吊站在馆内进行吊装GL-4，GL-4就位后，填档GL-4与GL-5间的部分次梁。
第八步：用同第六步一样的方法，进行北端GL-3的吊装，用50 t汽车吊站在馆内进行吊装GL-3，GL-3就位后，填档GL-3与GL-4间的部分次梁。
第九步：用同第六步一样的方法，进行北端GL-2的吊装，用50 t汽车吊站在馆内进行吊装GL-2，GL-2就位后，填档GL-2与GL-3间的部分次梁。
第十步：补档剩余的次梁。
张弦梁施工所用机械：张弦梁组装完成后最重11 t，跨度最大达为33.6 m，现有场地满足拼装和吊装要求，使用1台16 t汽车吊安装临时支撑胎架，组装张弦梁、安装撑杆、安装拉索。使用1台50 t汽车吊吊装单榀张拉弦梁。张弦梁施工工艺流程如图4。
图4 张弦梁施工工艺流程
张弦梁作为一种半刚性结构，其整体性的刚度由刚性构件截面尺寸和空间几何形体共同组成，且具有整体刚度和结构形成前刚度较弱等特点，因而需将张弦梁的施工过程单独进行分析。此外，张弦梁单位重量轻，在风荷载作用下容易发生较大的变形和振动，甚至导致预应力索松弛而使结构处于不稳定的状态。同时由于结构的跨度较大，且可能支承在不同结构上，异向位差问题突出。在风荷载和地震的作用下，张弦梁结构的支撑和节点连接也会出现不同于静力荷载作用时的性能和破坏特性。
在现在已有的关于张弦梁结构的稳定性分析和静力分析的理论研究中，主要是集中在理想状态下进行的。实际结构中出于自身的原因、加工安装使结构产生初始的缺陷和误差，对于其静力和稳定性的研究有着重要影响。
本工程通过仿真模拟得出张弦梁的结构变形，在钢结构加工时按照仿真计算结果对张弦梁上弦梁进行调整，确保张拉完成后满足设计要求。对张弦梁的施工起到了较好的指导作用。
参考文献：
[1] 崔佳. 钢结构基本原理[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008.
[2] 黄明鑫. 大型张弦梁结构的设计与施工[M]. 济南: 山东科学技术出版社, 2005.
[3] 房贞政. 预应力结构理论与应用[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2005.
Zhang Xu, Qin Guopeng, Hu Xiaofei
(No.4 Engineering Co., Ltd. of CCCC First Harbor Engineering Co., Ltd., Tianjin 300456, China)
Abstract：The gymnasium project of co-working building at Shenhua Huanghua Port is elliptical in plan, 46m in long span and 34m in short span. Reinforced concrete frame serves as main structure, beam string structure as the roofing, total 9 trusses of beam string girders are set here. In view of the characteristics of the project, a simulation calculation is made by using finite element software Midas gen. The research results work as a guide for the construction of hoisting and tensioning beam string structure.
Key words：beam string structure; Midas Gen; finite element; simulation; pre-stress
中图分类号：U653
文献标志码：A
文章编号：1004-9592（2017）03-0064-04
DOI: 10.16403/j.cnki.ggjs20170317
收稿日期：2016-12-26
作者简介：张煦（1982-），女，工程师，主要从事工程预算及管理工作。
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