建筑结构 建筑结构 Building Structure ISSN 1002-848X CN 11-2833/TU 《建筑结构》网络首发论文 题目： 张弦梁-弦支宫顶杂交结构预应力张拉技术研究 作者： 黄思聪，雷世界，杨晓，惠存，胡涛 DOI: 10.19701/j.jzjg.ZJ240052 网络首发日期： 2025-01-10 引用格式： 黄思聪，雷世界，杨晓，惠存，胡涛.
张弦梁-弦支弯顶杂交结构预应力张拉 技术研究[J/OL].建筑结构.doi.org/10.19701/jzjig.ZJ240052 n<i中国扣例 网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶 段. 录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件. 排版定稿指录用定稿按照期 刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码. 整期汇编定稿指出 版年、卷、期、页码均已确定的印剧或数字出版的整期汇编稿件. 录用定稿网络首发稿件内容必须符合《出 版管理条例》和《期刊出版管理规定》的有关规定：学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编 辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他行为：稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、 出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等. 为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容， 只可基于编辑规范进行少量文字的修改. 出版确认：纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司签约，在《中国 学术期刊（网络版》出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷 出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿. 因为《中国学术期刊（网络版）》是国家新闻出 版广电总局批准的网络连续型（ISSN2096-4188，CN11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首 发论文视为正式出版. 网地首发时间 : 225-01-10:29:14网增首发增址: hp./tak.cakinshartad1233.TU:21250109 1542.014 DOI: 10.19701/jzjg.ZJ240052 张弦梁-弦支穹顶杂交结构预应力张拉技术研究* 黄思聪1.24.5，雷世界3，杨晓1245，惠存3，胡涛1.45 （1陕西省建筑科学研究院有限公司，西安710082：2北京工业大学建筑工程学院，北京 100124：3中原工学院智能建造与建筑工程学院，郑州450007：4陕西省“四主体一联合”大 跨空间结构校企联合研究中心，西安710082：5西安市大跨空间结构智能建造工程技术研究中 心，西安710082) 摘要：针对萍乡市奥体中心体育馆屋盖张弦梁-弦支穿顶余交结构预应力张拉，提出了适用于该类结构的施工方 案. 为研究该结构张拉成形过程中的结构性能，分析其在张拉过程中杆件应力及节点位移的变化情况，进行了详 细的施工过程模拟分析，并根据模拟结果对结构进行了施工过程监测. 结果表明，张弦梁部分网壳应力分布较为 均匀，其位移变化由中间向两侧逐渐由正值减小为负值，呈现出中部拱起两侧凹陷的形状. 弦支弯顶部分同一环 内长轴方向的杆件应力与节点位移均大于短轴方向，且随着环杆由内而外同一环杆长轴与短轴方向应力值相差越 明显，而节点位移则是越靠近内环相差越大. 模拟分析结果与现场监测结果吻合较好，验证了预应力张拉方案的 合理性. 关键词：张弦梁：弦支弯顶：施工过程分析：数值模拟分析：模拟监测对比 中图分类号：TU394文献标识码：A *陕西省重点研发计划项目（2022LL-JB-11），陕西省建设科技计划项目（2022-K13）. 第一作者：黄思聪，硕士研究生，工程师，主要从事大跨空间结构方面研究工作，Email：469398984@qq.. 通信作者：惠存，博士，副教授，主要从事大跨空间结构方面研究工作，Email：hcun@zuL.edu.cn. [引用本文]黄思聪，雷世界，杨，等，张弦梁-弦支穿项杂交结构预应力张拉技术研究[D建筑结 构 2025 55(3). HUANG Sicong LEI Shje YANG Xiao etal. Research on prestressed tensioning technology of beam string-susended dm hbd stcture[]uilding Stte 2055(3) Research on prestressed tensioning technology of beam string-suspended dome hybrid structure HUANG Sicong/2A5 LEI Shije YANG Xiao12As HUI Cun? HU Tao/.4s (1 Shaanxi Academy of Building Science Co. Ltd. Xi'an 710082 China: 2 School of Architecture and Civil Engineering Zhongyuan University of Technology Zhengzhou 45o007 China: 4 Shanxi Province’s Four Subjects and One Union Large-Span Spatial Structure School-Enterprise Joint Research Center Xian 710082 China; 5 Xi'an Engineering Research Center of Large-span Spatial Structures Intelligent Construction Xian 710082 China) Abstract: Aiming at the prestressed tension of bam string-susendd dome hybrid structure roof of Pingxing Olympic Sports Center Gymnasium a construction scheme suitable for this kind of structure was proposed. In order to study the structural perfomance of the structure during the tension forming process the changes of bar stress and node displacement during the tension process were analyzed. The detailed construction process simlation analysis was caied out and the construction process of the structure was monitored according to the simulation results. The results show that the stress distribution fthe reticulated shellftheeamstring isrelativelyunifo an thedislacement change gadually dreases from positive to negative from the middle to both sides showing the shape of the depression on both sides of the middle arch. The bar stress and node displacement in the long axis direction of the same ring in the suspended dome are greater than those in the short axis direction and as the ring rod is from the inside out the difference between the stress values of the long axis and the short axis direction ofthe same ring rod is more obvious while the node displacement is closer to the inner ring the difference is greater. The simulation analysis results are in good agreement with the field monitoring results which verifies the rationality of the prestressed tensioning scheme. uoqns ssfjeue uogeqns feuamu rssfjeue sood oogonnsuos ouop pudsns Sus meaq spuonay monitoring parison 0引言 的合理性. 张弦梁-弦支穹顶杂交结构作为一种大跨度预 张弦梁-弦支弯顶杂交结构是融合了张弦梁与 应力钢结构，具有良好的受力性能及变形特征，广 弦支宫顶的预应力空间结构，两种结构之间通过单 泛应用于大型体育场馆的建设中l-21，由于其结构的福桁架相连，减小了外荷载对支座水平推力和位移 成型是一个逐渐变化的过程，结构跨度越大，其施 的影响. 由于国内外对此种结构体系在张拉施工过 工难度也愈加复杂. 因此，探索张弦梁-弦支穹顶杂 程中的研究极少，故进行相关张拉施工工程研究具 交适宜的施工方法，并对施工的整个过程开展数值 有重要工程应用价值. 模拟，以此获取每一个施工步骤的控制指标，有着 本文以萍乡市奥体中心体育馆结构工程为应 极为重要的科学意义. 用背景，建立有限元模型，分析该结构在张拉施工 针对张弦结构的张拉施工过程，相关学者在工 过程中杆件应力及节点位移的变化情况，并根据模 程实践的基础上进行了大量的研究. 股志祥以检 拟计算结果对部分杆件与节点进行施工过程监测， 察官学院体育中心网球馆为研究对象，通过施工过 以此探究张弦梁-弦支穹顶杂交结构体系在张拉施 程仿真模拟，分析了不同张拉级别及张拉顺序对结 工成形过程中的内力与位移变化规律. 构的影响，确定了实际张拉工序，结合现场索力监 1工程概况及分析模型 测从而保证了工程施工质量. 董泽采用有限元软 萍乡市奥体中心项目结构屋盖平面呈椭圆形， 件建立了某体育馆结构分析模型，并对施工仿真中 由内场弦支穹顶、外场网壳、外围张弦梁等组成： 分批分阶段张拉施工展开研究，揭示了张拉过程中 外围的张弦梁通过单福平面桁架与中心的弦支穹 各阶段各批次张拉时结构的位移及索力的变化规 顶相连，屋盖整体支撑于主体结构上. 中心的弦支 律. 周国军等均利用非张拉方法进行预应力施工， 穹顶长轴跨度76.5m，短轴跨度67.5m，平面形状为 此方法成功解决了某机场张弦梁预应力施工中的 八边形，由4道环索与径向斜拉索、竖支撑、环向 难点. 聂桂波等通过缩尺模型试验，探究了不同 杆等组成：外围张弦部位最大长度36m，由7福张 张拉方案对弦支穹顶结构的影响，从面确定了最优 弦结构单层网壳组成，包括拉索、竖撑杆、网壳等： 的张拉方案. 张国军等口、秦杰等以某羽毛球馆弦 屋盖其余部位为单层网壳. 该钢结构屋盖施工现场 支宫顶屋盖为研究对象，通过预应力施工过程中对 见图1. 索力进行监测并结合有限元软件分析了结构节点 位移与拉索内力的变化规律，验证了张拉方案的合 理正确性. 姜正荣等提出了交替提升内拉环与张 拉最外圈斜索的施工优化方法，有效减小了索穹顶 结构张拉施工过程中的索杆内力. 刘红波等提出 一种含滚轴的滚动式撑杆下节点，通过张拉施工全 过程模拟分析与现场监测，预应力损失是传统撑杆 下节点的50%. 郭佳民等提出了一种正向施工模 拟分析法，并进行缩尺模型试验，结果表明，张拉 过程的理论值与实测值吻合良好，证明了该方法安 图1钢结构屋盖施工现场 全可行. 张永坡等[2、赵欣等3]、秦成文等4、陈 项目采用有限元软件MIDASGen进行建模分 丰等分别以不同工程为背景，对工程结构全过程 析，以保证结构施工过程及后续使用的安全性. 其 张拉施工进行模拟分析与现场监测，验证了结构采 主体钢结构分为上部屋盖及下部混凝土结构两部 用的计算模型和张拉方案的可行性. 陈由檀口6、张 分，本文只对上部屋盖中拉索预应力张拉过程进行 月强等通过对不同结构的预应力张拉过程进行 分析. 完成几何模型的构建之后，根据实际情况合 施工模拟分析，确定了合理的初始张拉力和张拉顺 理设定结构的边界条件，其中上部屋盖整体支承于 序，准确控制结构变形和内力，使整体结构顺利安 下部混凝土结构支撑柱上，为避免因支座滑移对结 装就位. 邓晖等18、姜始平[9以厚街体育馆椭圆形 构造成不利影响，体育馆屋盖支座采用固结方式， 弦支穹顶屋盖为研究对象，通过将张拉施工中的模 通过简化后将支座约束施加在已经构建好的几何 拟计算与现场监测进行对比，验证了张拉施工方案 模型之上. 其中结构模型中拉索设置为只受拉单元， 网壳与撑杆均使用梁单元，网壳杆件之间的节点设 羊SE 置刚接，撑杆上下节点、径向拉索与上部网壳之间 均采用铰接. 网壳与撑杆材质选用Q355B，底部混 凝土梁柱采用C40，拉索采用锌-5%铝-稀土合金镀 层高钒索，钢绞线强度采用1670MPa和1770MPa， 具体见表1. 张弦梁-弦支穹顶杂交结构有限元模型、 拉索布置及剖面图见图2、3. 表1拉索材料参数 图3结构剖面图 有效微直面 部位 规格 材质 2施工方案及施工过程阶段划分 /mm² 2.1施工方案 1-4图径索 sr-1s D30 600 1770组热镇高 由于本工程所涉及的预应力钢结构为张弦梁 第1图环素 HS1 D30 600 机钢纹线 弦支穹顶结构. 该工程结构形式新颖，可参考的施 弦支 第2图环素 HS2 D30 600 工经验不足，施工难度较大. 因此为使本工程达到 穿项 第3围环索 HS3 D40 1160 1670组热镇高 设计要求，体育馆弦支弯顶部分采用“分块吊装累 第4围环案 HS4 D68 3320 机钢纹线 积提升”的方式施工，其余钢结构屋盖采用“分块 1670组热镇高 吊装”的方式施工，拉索安装穿插到钢结构安装过 张驻梁 LS1-LS7 D50 1790 机钢纹线 程中. 待屋盖及马道安装完后，先张拉外场张弦梁， 后张拉内场弦支穹顶，以径向索作为主动索控制索 力变化，环向索为被动索，最后屋盖卸载. 2.2施工过程阶段划分 萍乡市奥体中心体育馆预应力张拉采用分级 张拉的方式，其中张弦梁结构施加预应力的方法为 分两级进行拉索单端张拉，第一级张拉至索力设计 值的50%，第二级张拉至索力设计值的100%. 弦 (a）屋差整体 支穹顶结构采用张拉径向索的方法施加预应力，并 且分两级张拉完成，第一级由外圈向内圈张拉至设 LSI LS2 计值的70%，第二级由内圈向外圈张拉至设计值的 LS3 100%，最后根据现场监测的数据进行微调索力. LS4 根据此结构的张拉施工方案，将结构张拉施工 HS4 HSI 过程划分为16种工况进行施工仿真分析. 弦支弯 HS LS5 顶各拉索（图2（b））最终预应力值为：HS1、HS2、 LS6 HS3、HS4的索力分别为260、310、510、1380kN； LS7 JS1、JS2、JS3、JS4的索力分别为145、180、230、 350kN：张弦梁部分预应力态下最优初始预应力均 (b)拉索布置 为350kN. 本次施工仿真分析，主要求解张弦梁与 弦支弯顶在整个张拉施工过程中各个工况下的杆 单程架 件内力与节点位移的变化规律. 工况划分如表2所 示. 张支守项 张张梁 (c）张弦梁-弦支骂顶结构 图2结构有限元模型 表2预应力张拉工序 应力MP 张拉力比例 572.58 工况 工况说明 479.01 125.80 % 402.23 1 50 LSI与LS7 第级张拉 385.45 L98EE 2 50 LS2 与LS6第一级张拉 291.89 3 50 LS3 与 LS5 第一级张拉 245.19 4 50 LS4第一级张拉 15154 100 LS4第二级张拉 104.7%6 57.98 6 100 LS3 与 LS5 第二级张拉 图5张拉完成后径向拉索与环向拉索应力云图/MPa 7 100 LS2 与 LS6 第二级张拉 由图4可知，在张拉完成后，整个上部网壳的 8 100 LS1 与 LS7 第二级张拉 应力分布基本呈对称结构，应力值在（-160.87MPa， 9 70 JS4第一级张拉 143.03MPa）之间. 内场弦支宫顶部分，网壳应力最 10 70 JS3第一组张拉 大值位于最外环杆件且为受压状态，但靠近张弦梁 11 70 JS2 第一级张拉 侧的杆件应力较小，且大多数杆件处于受拉状态. 12 70 JSI第一级张拉 张弦梁部分网壳并未出现明显应力集中处，说明张 13 100 JSI第二级张拉 拉成型态的张弦梁网壳应力分布较为均匀. 由于整 14 100 JS2第二级张拉 个张拉分为多个施工阶段，具体杆件随张拉阶段的 15 100 JS3第二级张拉 变化规律，还需要进一步分析. 16 100 JS4 第二级张拉 根据图5得到整个结构拉索应力呈对称分布. 3施工过程模拟结果及分析 在内场弦支穹顶部分，环向拉索应力明显高于径向 施工过程模拟中的荷载主要考虑结构自身自 拉索，应力最大值位于第三圈环向拉索长轴处，从 重和拉索的初拉力，计算时自重系数取1.0，初拉力 第三环往两侧应力逐渐减小，第一环应力最小. 并 根据设计图纸中的拉索内力进行模拟选取，使结构 且由长轴向短轴，应力呈逐渐减小的趋势，面径向 进行模拟后最终成型态的拉索内力与设计内力一 拉索应力变化规律与环向拉索恰好相反，应力大小 致. 由长轴到短轴呈逐渐增大的趋势. 主要是由于内场 3.1应力分析 为椭圆形弦支弯顶结构，长轴和短轴上的径向拉索 该结构由上部网壳、撑杆、径向索、环索与环 通过索夹与环向拉索连接时夹角不同导致的. 张弦 梁组成，上部网壳应力随着下部拉索的预应力收紧 梁部分拉索应力分布相对均匀，应力值在 而变化. 径向拉索、环向拉索与撑杆组成结构下部 （57.98MPa，151.54MPa）之间，处于受拉状态. 的索杆体系，其中径向拉索与环向拉索只承受拉应 为进一步分析杆件应力随张拉施工工序改变 力，而撑杆承受压应力. 通过有限元软件进行施工 的变化规律，根据结构对称性的特点和模拟计算结 仿真分析，得到上部网壳、径向拉索与环向拉索在 果，对弦支穹顶长轴方向和短轴方向部分杆件进行 张拉施工成型后的应力云图，如图4、5所示 研究. 杆件选取位置见图6，有限元分析得到的张 弦结构和弦支穹顶结构测杆应力变化曲线如图7和 115.40 图8所示. SL28 60.15 32.52 00 2.75 RGLT 5126 -77 99 105.62 133.24 160.87 图4张拉完成后上部网壳应力云图/MPa 图6杆件选取位置
