CN111622425A - 一种张弦梁结构及其施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种张弦梁结构，包括：张弦梁一端设置的固定铰接支座(1)及张弦梁另一端设置的可变支座(2)，固定铰接支座(1)为其所在的一端在拼装时与下部支承结构可靠连接形成，可变支座(2)可改变约束方式，保证张弦梁在张拉阶段可沿水平向自动滑动，并且调整可变支座，使约束方式从自由滑动改为固定铰接完成张拉阶段。还提供了张弦梁结构施工方法，配合可改变约束方式的张弦梁支座和针对性的施工过程监控表格，张弦梁原位拼装和张拉的方案对施工场地占用小；张拉可分多级一次完成，张拉工装利用效率高，构件强度利用效率更高，有利于减小拉索和上弦等主要受力构件的截面，改进支座约束方式，做法简单，成本很低，带来很好的实用效果。

Description

一种张弦梁结构及其施工方法
技术领域
本发明涉及建筑结构及施工领域，特别是涉及一种张弦梁结构及其施工方法。
背景技术
张弦梁结构包含上弦刚性构件、矢高方向的竖直撑杆和下弦柔性拉索，通过施加预应力使拉索张紧、结构整体具备一定的几何刚度，进而可以承担外加荷载。这种结构自重轻、承载力高、构件密度低，在体育馆、展览馆等大跨度建筑领域具有广泛的适用性。
张弦梁的受力形态可以分为张拉施工阶段(以下称张拉阶段)和张拉完成后的承受外加荷载阶段(以下称受荷阶段)。这两个阶段中，张拉施工方案、特别是张弦梁两端支座与下部支承结构之间的连接方式，对结构的几何形态和竖向刚度影响很大。通常有两种方案：
第一种方案：先在操作平台上将张弦梁拼装完毕并预张拉，使结构具备满足整体移动的刚度，然后将张弦梁整体吊装或滑移就位，两端支座与下部支承结构形成固定铰接，再进行补充张拉至预期索力。
第二种方案：高空原位拼装并实施张拉，张弦梁支座一端为固定铰接，另一端设成品滑动支座，使其可沿水平向自由滑动。滑动支座的允许滑动量满足结构两个阶段的最大变形需求。
第一种方案对张弦梁拼装和整体移动的场地要求高。整体吊装时需要至少两台大吨位吊车配合作业，滑移就位时滑道和牵引设施的设计、施工工程量大。张弦梁两端支座为固定铰接，补充张拉阶段一部分预应力被与支座相连的下部支承结构所抵消(对支承结构来说，也增加了不利的水平荷载)，必须施加更大的预应力才能得到预期的上弦起拱量和结构整体刚度，拉索设计截面也会因此增加。
第二种方案始终保持张弦梁的一端支座可滑动，与第一种方案相比，施加相同水平的预应力可得到更大的向上起拱量，但由于滑动支座释放了水平向约束，在受荷阶段结构的竖向挠度将更大，对控制变形不利。当下弦拉索出现平面外的微小偏转时，滑动支座无法约束拉索偏转引起的伸长趋势，使下弦存在平面外失稳的风险，需要增设垂直于张弦梁平面的稳定索。另外，由于张拉阶段和受荷阶段滑动支座的移动方向相反，成品滑动支座的预留滑动量很大，增加了产品设计难度和造价。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，对于下部支承结构为多跨框架或其他侧向刚度较大结构形式的张弦梁，提供一种新的张弦梁结构以及新的施工解决方案，在施加相同预应力的前提下，可以使张弦梁得到更大的起拱量，同时减少受荷状态的竖向挠度和支座水平位移，提高拉索预应力和截面构件的利用效率。
本发明的目的在于提供一种新的张弦梁结构，包括：
张弦梁一端设置的固定铰接支座(1)以及张弦梁另一端设置的可变支座(2)，所述固定铰接支座(1)为其所在的一端在拼装时与下部支承结构可靠连接形成，所述可变支座(2)可改变约束方式，保证所述张弦梁在张拉阶段可沿水平向自动滑动；拉张完成后，调整可变支座，使约束方式从自由滑动改为受荷阶段的固定铰接约束。
优选地，所述可变支座(2)包括：成品支座底板(21)、下部支承结构顶板(22)、实现可变支座(2)临时滑动的摩擦介质上层聚四氟乙烯板(23)和下层聚四氟乙烯板(24)、设置在上层聚四氟乙烯板(23)和下层聚四氟乙烯板(24)之间的润滑硅脂层(25)以及防转动临时支撑(26)，所述上层聚四氟乙烯板(23)和下层聚四氟乙烯板(24)设置在成品支座底板(21)和下部支承结构顶板(22)之间。
优选地，所述成品支座底板(21)的中心线与所述下部支承结构顶板(22)的中心线之间预留一定的间隙形成负向偏移，预留作为预留滑动量或滑动距离。
优选地，所述上层聚四氟乙烯板(23)和下层聚四氟乙烯板(24)均为3mm厚。
优选地，所述防转动临时支撑(26)的设置用于为避免滑动过程中铰接支座发生转动，所述防转动临时支撑(26)加焊在成品支座底板(21)和下部支承结构顶板(22)之间，所述防转动临时支撑(26)不少于4道，尺寸为宽度70mm×厚度6mm。
优选地，当结构张拉至满足数值模拟的目标值时，所述可变支座(2)与下部支承结构顶板(21)的中心线基本重合，此时将防转动临时支撑(26)通过气割拆除，将外露的所述上层聚四氟乙烯板(23)和所述下层聚四氟乙烯板(24)边缘切割干净，对成品支座底板(21)与下部支承结构顶板(22)之间采用一级全熔透焊缝连接，形成固定铰接支座(1)进行约束。
优选地，对于张弦梁跨度较小、自重较轻的情况，实现支座临时滑动的摩擦介质所述上层聚四氟乙烯板(23)和下层聚四氟乙烯板(24)采用φ6圆钢或小直径钢珠的滚动摩擦方式，滚动摩擦系数比滑动摩擦系数更小，然而缺点是圆钢和钢柱与平面接触面积太小，结构自重作用下局部压应力集中，容易发生塑性变形，圆钢和钢柱变形后会大大影响滑动效果，因此适用于张弦梁跨度较小、自重较轻的情况。
本发明的目的还在于提供一种新的张弦梁结构施工方法，配合可改变约束方式的张弦梁支座(以下称可变支座)和针对性的施工过程监控表格，包括如下步骤：
步骤1，采用SAP2000软件，预先对拟定的施工方案进行数值模拟，确定结构各阶段的目标数据，制定专用监控表格；
步骤2，现场实施，跨中设置临时支承胎架，高空原位拼装所述张弦梁；
步骤3，将相邻两榀张弦梁同时拼装，所述两榀张弦梁的上弦之间设置平面外的水平刚接系杆；
步骤4，所述张弦梁两端均为成品铰接支座，一端在拼装时与下部支承结构可靠连接，形成固定铰接支座(1)作为约束；另一端调整为可变支座(2)，保证其在张拉阶段可沿水平向自由滑动；
步骤5，在固定铰接端对拉索施加预应力，随着索力加大，上弦起拱量和可变支座端滑动量逐渐增大，过程中将结构响应的实时数据录入表格进行监控。分级张拉，直至索力和结构变形满足数值模拟的目标值；
步骤6，调整可变支座(2)，使约束方式从自由滑动改为固定铰接，张拉阶段完成；
步骤7，安装附属结构构件和屋面围护，结构进入受荷阶段，张弦梁两端支座保持固定铰接，利用外围多跨框架的抗侧刚度约束大跨部分的竖向变形。
优选地，所述步骤5的录入表格为施工过程监控表，所述录入表格用于监控结构从高空拼装、张拉到承受少量外加荷载阶段的变化，主要内容包括拉索内力和结构变形，实测数据与理论数据的偏差限值，拉索内力按8％控制，结构变形按5％控制。
优选地，所述录入表格包括：拉索内力实测表、结构变形实测表和结构响应数据汇总监控表，所述拉索内力实测表读取张拉端油泵压力表上的读数，再通过公式转换得到拉索内力，为便于复核，要求每一级张拉都在表格中保留油表实时照片；所述结构变形实测表的监测内容包括滑动端下部支承结构形心、滑动端支座形心、固定端下部支承结构形心、固定端支座形心和张弦梁撑杆端部销轴孔心；所述结构响应数据汇总监控表将拉索内力实测表和结构变形实测表的两表实测内容汇总至所述结构响应数据汇总监控表中，与计算机数值分析的目标值进行对比，实时掌握对每一步施工阶段的结构响应，如出现超出限值的异常情况应及时停止施工，并根据数据制定调整方案。
本发明的有益效果：
1、通过改变支座约束方式，实现更大起拱量、更小竖向挠度、构件强度利用效率更高的张弦梁原位施工方案。
2、张拉阶段可自由滑动，受荷阶段变为固定铰接的张弦梁支座。
3、包含结构变化监测内容、计算机数值分析目标值和结构变化偏差限值的施工过程监控表，专用的施工过程监控表格内容直观全面，要求明确，可以使现场监控工作更加有序高效。
4、张弦梁原位拼装和张拉的方案对施工场地占用小；张拉可分多级一次完成，张拉工装利用效率高。
5、因为更好的控制了张弦梁的变形，所以构件强度利用效率更高，有利于减小拉索和上弦等主要受力构件的截面。
6、采用双层聚四氟乙烯板涂油脂的方案改进支座约束方式，做法简单，成本很低，带来很好的实用效果。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：
附图1为根据本发明实施例的张弦梁结构(单榀)的结构示意图；
附图2为根据本发明实施例的可变支座结构示意图；
附图3为根据本发明实施例的拉索内力实测表；
附图4为根据本发明实施例的结构变形实测表；
附图5为根据本发明实施例的结构响应数据汇总监控表。
具体实施方式
参见图1-2，本实施例新的张弦梁结构，包括：张弦梁一端设置的固定铰接支座1以及张弦梁另一端设置的可变支座2，固定铰接支座1为其所在的一端在拼装时与下部支承结构可靠连接形成，可变支座2可改变约束方式，保证张弦梁在张拉阶段可沿水平向自动滑动，拉张完成之后，调整可变支座，使约束方式从自由滑动改为受荷阶段的固定铰接约束。可变支座2包括：成品支座底板21、下部支承结构顶板22、实现可变支座2临时滑动的摩擦介质上层聚四氟乙烯板23和下层聚四氟乙烯板24、设置在上层聚四氟乙烯板23和下层聚四氟乙烯板24之间的润滑硅脂层25以及防转动临时支撑26，上层聚四氟乙烯板23和下层聚四氟乙烯板24设置在成品支座底板21和下部支承结构顶板22之间。成品支座底板21的中心线与下部支承结构顶板22的中心线之间预留一定的间隙形成负向偏移，预留作为预留滑动量或滑动距离。
上层聚四氟乙烯板23和下层聚四氟乙烯板24均为3mm厚。防转动临时支撑26的设置用于为避免滑动过程中铰接支座发生转动，防转动临时支撑26加焊在成品支座底板21和下部支承结构顶板22之间，防转动临时支撑26不少于4道，尺寸为宽度70mm×厚度6mm。
当结构张拉至满足数值模拟的目标值时，可变支座2与下部支承结构顶板21的中心线基本重合，此时将防转动临时支撑26通过气割拆除，将外露的上层聚四氟乙烯板23和下层聚四氟乙烯板24边缘切割干净，对成品支座底板21与下部支承结构顶板22之间采用一级全熔透焊缝连接，形成固定铰接支座1进行约束。
对于张弦梁跨度较小、自重较轻的情况，实现支座临时滑动的摩擦介质上层聚四氟乙烯板23和下层聚四氟乙烯板24采用φ6圆钢或小直径钢珠的滚动摩擦方式，滚动摩擦系数比滑动摩擦系数更小，然而缺点是圆钢和钢柱与平面接触面积太小，结构自重作用下局部压应力集中，容易发生塑性变形，圆钢和钢柱变形后会大大影响滑动效果，因此适用于张弦梁跨度较小、自重较轻的情况。
本实施例还涉及一种新的张弦梁结构施工方法，配合可改变约束方式的张弦梁支座(以下称可变支座)和针对性的施工过程监控表格，包括如下步骤：
步骤1，采用SAP2000软件，预先对拟定的施工方案进行数值模拟，确定结构各阶段的目标数据，制定专用监控表格；
步骤2，现场实施，跨中设置临时支承胎架，高空原位拼装所述张弦梁；
步骤3，将相邻两榀张弦梁同时拼装，所述两榀张弦梁的上弦之间设置平面外的水平刚接系杆；
步骤4，所述张弦梁两端均为成品铰接支座，一端在拼装时与下部支承结构可靠连接，形成固定铰接支座1作为约束；另一端调整为可变支座2，保证其在张拉阶段可沿水平向自由滑动；
步骤5，在固定铰接端对拉索施加预应力，随着索力加大，上弦起拱量和可变支座端滑动量逐渐增大，过程中将结构响应的实时数据录入表格进行监控，分级张拉，直至索力和结构变形满足数值模拟的目标值；
步骤6，调整可变支座2，使约束方式从自由滑动改为固定铰接，张拉阶段完成；
步骤7，安装附属结构构件和屋面围护，结构进入受荷阶段，张弦梁两端支座保持固定铰接，利用外围多跨框架的抗侧刚度约束大跨部分的竖向变形。
步骤5的录入表格为施工过程监控表，录入表格用于监控结构从高空拼装、张拉到承受少量外加荷载阶段的变化，主要内容包括拉索内力和结构变形，实测数据与理论数据的偏差限值，拉索内力按8％控制，结构变形按5％控制。
参见附图3，表示为拉索内力实测表。读取张拉端油泵压力表上的读数，再通过公式转换得到拉索内力。为便于复核，要求每一级张拉都在表格中保留油表实时照片。
参见附图4，表示为结构变形实测表。监测内容包括滑动端下部支承结构形心、滑动端支座形心、固定端下部支承结构形心、固定端支座形心和张弦梁撑杆端部销轴孔心。以同一坐标系下，各监测点的X、Y、Z坐标反应结构在各阶段的变形趋势。
参见附图5，为结构响应数据汇总监控表。将拉索内力实测表和结构变形实测表的两表实测内容汇总至本表中，与计算机数值分析的目标值进行对比，实时掌握对每一步施工阶段的结构响应。如出现超出限值的异常情况应及时停止施工，并根据数据制定调整方案。
本实施例：
1、通过改变支座约束方式，实现更大起拱量、更小竖向挠度、构件强度利用效率更高的张弦梁原位施工方案。
2、张拉阶段可自由滑动，受荷阶段变为固定铰接的张弦梁支座。
3、包含结构变化监测内容、计算机数值分析目标值和结构变化偏差限值的施工过程监控表，专用的施工过程监控表格内容直观全面，要求明确，可以使现场监控工作更加有序高效。
4、张弦梁原位拼装和张拉的方案对施工场地占用小；张拉可分多级一次完成，张拉工装利用效率高。
5、因为更好的控制了张弦梁的变形，所以构件强度利用效率更高，有利于减小拉索和上弦等主要受力构件的截面。
6、采用双层聚四氟乙烯板涂油脂的方案改进支座约束方式，做法简单，成本很低，带来很好的实用效果。
虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。

Claims (10)

1.一种新的张弦梁结构，其特征在于包括：
张弦梁一端设置的固定铰接支座(1)以及张弦梁另一端设置的可变支座(2)，所述固定铰接支座(1)为其所在的一端在拼装时与下部支承结构可靠连接形成，所述可变支座(2)可改变约束方式，保证所述张弦梁在张拉阶段可沿水平向自动滑动；拉张完成后，调整可变支座，使约束方式从自由滑动改为受荷阶段的固定铰接约束。
2.根据权利要求1所述的一种新的张弦梁结构，其特征在于所述可变支座(2)包括：成品支座底板(21)、下部支承结构顶板(22)、实现可变支座(2)临时滑动的摩擦介质上层聚四氟乙烯板(23)和下层聚四氟乙烯板(24)、设置在上层聚四氟乙烯板(23)和下层聚四氟乙烯板(24)之间的润滑硅脂层(25)以及防转动临时支撑(26)，所述上层聚四氟乙烯板(23)和下层聚四氟乙烯板(24)设置在成品支座底板(21)和下部支承结构顶板(22)之间。
3.根据权利要求2所述的一种新的张弦梁结构，其特征在于：所述成品支座底板(21)的中心线与所述下部支承结构顶板(22)的中心线之间预留一定的间隙形成负向偏移，预留作为预留滑动量或滑动距离。
4.根据权利要求2所述的一种新的张弦梁结构，其特征在于所述上层聚四氟乙烯板(23)和下层聚四氟乙烯板(24)均为3mm厚。
5.根据权利要求2所述的一种新的张弦梁结构，其特征在于所述防转动临时支撑(26)的设置用于为避免滑动过程中铰接支座发生转动，所述防转动临时支撑(26)加焊在成品支座底板(21)和下部支承结构顶板(22)之间，所述防转动临时支撑(26)不少于4道，尺寸为宽度70mm×厚度6mm。
6.根据权利要求2所述的一种新的张弦梁结构，其特征在于当结构张拉至满足数值模拟的目标值时，所述可变支座(2)与下部支承结构顶板(21)的中心线基本重合，此时将防转动临时支撑(26)通过气割拆除，将外露的所述上层聚四氟乙烯板(23)和所述下层聚四氟乙烯板(24)边缘切割干净，对成品支座底板(21)与下部支承结构顶板(22)之间采用一级全熔透焊缝连接，形成固定铰接支座(1)进行约束。
7.根据权利要求2所述的一种新的张弦梁结构，其特征在于对于张弦梁跨度较小、自重较轻的情况，实现支座临时滑动的摩擦介质所述上层聚四氟乙烯板(23)和下层聚四氟乙烯板(24)采用φ6圆钢或小直径钢珠的滚动摩擦方式，滚动摩擦系数比滑动摩擦系数更小，然而缺点是圆钢和钢柱与平面接触面积太小，结构自重作用下局部压应力集中，容易发生塑性变形，圆钢和钢柱变形后会大大影响滑动效果，因此适用于张弦梁跨度较小、自重较轻的情况。
8.一种新的张弦梁结构施工方法，配合可改变约束方式的张弦梁支座和针对性的施工过程监控表格，其特征在于包括如下步骤：
步骤1，采用SAP2000软件，预先对拟定的施工方案进行数值模拟，确定结构各阶段的目标数据，制定专用监控表格；
步骤2，现场实施，跨中设置临时支承胎架，高空原位拼装所述张弦梁；
步骤3，将相邻两榀张弦梁同时拼装，所述两榀张弦梁的上弦之间设置平面外的水平刚接系杆；
步骤4，所述张弦梁两端均为成品铰接支座，一端在拼装时与下部支承结构可靠连接，形成固定铰接支座(1)作为约束；另一端调整为可变支座(2)，保证其在张拉阶段可沿水平向自由滑动；
步骤5，在固定铰接端对拉索施加预应力，随着索力加大，上弦起拱量和可变支座端滑动量逐渐增大，过程中将结构响应的实时数据录入表格进行监控。分级张拉，直至索力和结构变形满足数值模拟的目标值；
步骤6，调整可变支座(2)，使约束方式从自由滑动改为固定铰接，张拉阶段完成；
步骤7，安装附属结构构件和屋面围护，结构进入受荷阶段，张弦梁两端支座保持固定铰接，利用外围多跨框架的抗侧刚度约束大跨部分的竖向变形。
9.根据权利要求8所述的一种新的张弦梁结构施工方法，其特征在于：所述步骤5的录入表格为施工过程监控表，所述录入表格用于监控结构从高空拼装、张拉到承受少量外加荷载阶段的变化，主要内容包括拉索内力和结构变形，实测数据与理论数据的偏差限值，拉索内力按8％控制，结构变形按5％控制。
10.根据权利要求9所述的一种新的张弦梁结构施工方法，其特征在于：所述录入表格包括：拉索内力实测表、结构变形实测表和结构响应数据汇总监控表，所述拉索内力实测表读取张拉端油泵压力表上的读数，再通过公式转换得到拉索内力，为便于复核，要求每一级张拉都在表格中保留油表实时照片；所述结构变形实测表的监测内容包括滑动端下部支承结构形心、滑动端支座形心、固定端下部支承结构形心、固定端支座形心和张弦梁撑杆端部销轴孔心；所述结构响应数据汇总监控表将拉索内力实测表和结构变形实测表的两表实测内容汇总至所述结构响应数据汇总监控表中，与计算机数值分析的目标值进行对比，实时掌握对每一步施工阶段的结构响应，如出现超出限值的异常情况应及时停止施工，并根据数据制定调整方案。
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