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： 张弦铝合金梁结构施工技术研究及应用 作者： 郭朋岗，候松，柳明亮，吴金志，王元清，周春娟，惠存，李瑾如 DOI: 10.19701/j.jzjg.ZJ240045 网络首发日期： 2025-01-09 引用格式： 郭朋岗，候松，柳明亮，吴金志，王元清，周春娟，惠存，李瑾如，张弦铝 合金梁结构施工技术研究及应用[J/OL].建筑结构. doi.org/10.19701/jzjg.ZJ1240045 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 : 225-01-09 17:393s 网络普发增址 : htpc.iat cski nes/rtid/11.233.T:.31250109.0933.02 DOI: 10.19701/j.jzjg.ZJ240045 郭朋岗123，候松4，柳明亮13，吴金志2，王元清，周春娟23，惠存4，李瑾如13 （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710082：4中原工学 院智能建造与建筑工程学院，郑州450007：5清华大学土木工程系，北京100084） 摘要：某考古工作大棚采用张弦铝合金梁结构，通过MIDASGen软件对该新型结构的施工全过程进行模拟，获 得其施工过程中的位移和应力发展过程，同时对结构关键部位进行位移和应力监测，并将实测数据与模拟结果 进行对比分析. 结果表明：模拟分析结果与现场实测数据吻合良好，证明了有限元模拟和施工方案的有效性： 该结构支座反力、构件应力和变形均满足规范要求：结构最大位移及内力均出现在施工过程中，可见应重视施 工过程中结构受力与施工完成状态的差异：与转换桁架相连部分铝合金拱梁在不同施工阶段的应力波动较大， 且最大位移发生在张弦铝合金梁结构的上端，在施工过程中应对该部位进行重点监测和控制，确保施工安全进 行. 关键词：张弦结构：铝合金：仿真分析：施工监测：施工模拟 中图分类号：TU745.2文献标志码：A *陕西省省级国有资本经营预算科技创新专项资金项目，陕西省住房城乡建设科技计划项目（2023-K37），陕西 省建筑科学研究院有限公司科研课题（2023-2-465）， 第一作者：郭朋岗. 博士研究生，工程师，主要从事大跨空间结构设计，Email：897668400@qq. 通信作者：惠存，博士，副教授，主要从事大跨空间结构研究，Email：hcun@zutedu.cn. [引用本文]郭朋岗，候松，柳明亮，等.张弦铝合金梁结构施工技术研究及应用[刀.建筑结构，2025 55（3）.GUO Penggang HU Sng LU Mingliang et al. Research and application f constrution techolgy of almium ally em string structure[J]. Building Structure 2025 55(3) Research and application of construction technology of aluminum alloy beam string structure ‘m1u OZ NV z u I s O ON LI Jinru* (1 Shanxi Academy of Building Scince Co. Ld. Xian 710082 China: 2 School of Architecture and Civil Engineering. Beijing University of Technology Beijing 100124 China: 3 Shaanxi Province's Four Subjects and One Union Large- span Spatial Structure School-Enterprise Joint Research Center Xian 710082 China: 4 School of Intelligent Construction and Civil Engineering Zhongyuan University of Technology Zhengzhou 450007 China: 5 Department of Civil Engineering Tsinghua University Beijing 10084 China) Abstract: An archaeological work greenhouse adopts the aluminum alloy beam string structure. The whole construction process of the new sruture was simlated by MIAS Gen sofware and the dislacmnt and stressdeelopment process in the construction process were obtained. At the same time the displacement and stress of the key parts of the structure were monitored and the measured data were pared with the silation results. The results show that the simulation analysis results are in good agreement with the field mesured data which proves the effectiveness of the finite element simulation and construction scheme. The bearing reaction force ponent stress and deformation of the structure meet the requirements of the code. The maximum dislacement and intemal force of the structure appear in the constrctin process. It can be seen that attention should be paid to the difference between the structural stress and the construction pletion state during the construction process. The stress of the aluminum alloy arch beam connected to the transfer truss fluctuates greatly in diferent construction stages andthe maximum displacement occurs at the upper end of the aluminum alloybeam sring stucture. In the costuctin process theky mnitoing and control should be caried ut to ensure h safety of the construction. Keywords: string structure; aluminum ally : simulation analysis; construction monitoring: construction simlation 0引言 由中间大棚及两个附属大棚组成，整体结构三维 钢材在建筑结构中得到了广泛应用，但钢结 轴测图如图1所示，其中两侧附属大棚采用铝合金 构存在自重大、易腐蚀和焊接量大等缺点川. 铝合 桁架结构，采用转换桁架与中间大棚连接，结构 金作为一种新型建筑材料，凭借重量轻、强度高、 中间大棚为本文重点研究对象，采用张弦铝合金 耐腐蚀性强、加工性能好、资源丰富等优势，在 梁结构形式，高度为20m，跨度为70m，为国内跨 大跨空间结构中得到了越来越广泛的应用2-3，目 度最大的预应力铝合金结构，由钢管混凝土柱、 前其主要应用形式以单层网壳为主，铝合金单层 铝合金拱梁、拉索、撑杆四部分组成，单福结构 网壳结构面外刚度较弱，对初始缺陷敏感. 为 示意如图2所示. 铝合金梁采用双腹板H型截面， 进一步提高铝合金材料在大跨空间结构中的应用 截面高度为500mm，是目前国内规格最大的弧形 潜力，将预应力拉索应用于铝合金结构，提出张 双腹板H型铝合金构件：钢管混凝土柱与铝合金 弦铝合金梁新型结构体系. 拱梁连接节点采用不锈钢转接件和环槽铆钉进行 近年来，已有学者对预应力铝合金结构展开 连接，避免金属间的电化学腐蚀：拉索采用热挤 研究. 孙敏洁等分析研究了拉索-铝合金预应力 聚乙烯拉索（PE索），结构主要构件信息如表1 组合网架的静力性能，得出在静力荷载作用下带 所示. 拉索结构具有较好的竖向刚度与承载能力. 宋欣 蓄通过对拉索-预应力组合网架静力与动力性能 中国大排 进行计算分析，得出铝合金作为网架的主要受力 转换架 材料有着较钢材更加优异的静力承载能力与抗震 性能. 周玲等采用ANSYS软件计算了全钢网架、 附属大棚 全铝网架与拉索-铝合金预应力组合网架的振动频 率，得出拉索-铝合金预应力组合网架振动特性优 于无拉索铝网架. 张莉1采用牛顿-拉弗森方法分 析确定结构的静力性能，得出钢索-铝合金组合结 图1整体结构三维轴测图 构具有自重轻、受力性能好和支座负担轻的优点， 在大跨度结构中更具优势. 目前将预应力铝合金 结构实际应用的工程还较少，李瑞雄等以上海 世博园温室花园热带雨林馆为工程背景，从方案 设计、结构选型等方面对新型张弦铝合金网格结 构体系屋盖进行了设计研究，并成功应用. 孙求 知等2针对合肥滨湖国际会展中心综合馆屋盖， 提出一种新型钢-铝组合张弦空间桁架结构体系， 组合桁架上弦杆采用铝合金型材，撑杆和拉索为 钢结构，形成铝合金主结构与屋盖围护系统一体 图2单程结构示意图 化设计. 刘小蔚等13以G60拉斐尔科创云廊屋盖 表1张弦铝合金梁结构主要构件信息 为背景工程，阐述结构设计过程中关键指标的设 构件 材质 f/mm 弹性脱量/MPa 计以及荷载取值的原则，通过应变能最小的原则 铝合金拱梁 6061-T6 DH500×350×12×16 7.0×10 开展屋盖结构找形的研究. 撑杆 Q355B 200x16 2.06×10 通过以上研究可以发现，目前铝合金材料应 拉索 PE索 $5×37 1.95×10 用形式以单层网壳为主，对于预应力铝合金结构 系杆 Q235B 150×75×3×3 2.010 研究规模较小，且应用该结构体系的实际工程也 注：DH500×350x12×16中DH代表双腹板H型截庭，500表示截 是寥塞无几，因此本文以某考古工作大棚为工程 面高度，350表示截面宽度，12表示腹板原度，16表示囊缘厚度. 背景，通过数值模拟与现场实测结合的方法，对 2施工工艺 张弦铝合金梁结构进行施工全过程分析，以期为 大跨度张弦梁结构常用施工方法有累积滑移 后续预应力铝合金结构的研究与应用提供参考. 法、提升法和胎架支撑法4. 根据本工程特点及 1工程概况 现场实际情况，结构安装选用“地面拼装、利用 某考古工作大棚位于陕西省西安市临潼区， 支架定点拼装块体，累积滑移形成大棚主体”的 安装方法. 其整体结构安装示意图如图3所示. P P 项推方向 图5滑移胎架及立柱设置现场 （2）滑移施工顺序：在场地西侧设置高空吊 装场地，结构中间区G～@轴（图3）为悬挑区域， 在此区域设置转换桁架，滑移轨道由西向东设置， 铝合金拱梁拼接安装支架设置在@~0轴（图3） 图3整体结构安装示意图 位置，0～轴（图3）每安装1福从安装平台向 2.1累积滑移施工过程 东滑移一个柱距，滑移完成后@轴进行原位安装： （1）滑移施工准备：拼装胎架设置（图4） 共计19福拱梁. 具体施工步骤如下： 在@轴与@轴位置（图3），胎架平台顶至底部高 步骤1：在①轴和轴铺设2条通长轨道，将 差约20m，平台长54m（长度至两端拉索连接点处 其与滑移预理件焊接连接，同时中部2个胎架顶端 附近），宽8.5m（宽度包含@轴、@轴各挑出的 铺设2条轨道，并布置顶推装置（图6（a））. 1.5m）：结构0~轴（图3）为悬挑区域，跨度 步骤2：在安装平台上拼装2福主拱梁（~ 为44m，若要实现滑移施工，需要增设临时立柱及 轴）及其间次结构，并对轴拱梁进行张拉， 滑移胎架，如图5所示，滑移胎架架体高7m左右， 将～轴共2福拱梁及其间次结构向前顶推5.5m 架体375×10的圆管作为柱，并设置横撑及斜撑 （1个柱距）（图6（b））. 以保证架体稳定，顶部铺设花纹钢板用于装置滑 步骤3：在安装平台上拼装轴拱梁及其间次 移设备. 临时立柱采用双Φ324x10钢柱，上端与 结构，对@轴拱梁进行张拉，张拉及拼装完成后 转换桁架连接，下端与柱脚连接. 根据钢结构大 将～轴共3福拱梁及其间次结构向前顶推5.5m 棚特点，滑移轨道设置在钢结构大棚的支座轴线 （1个柱距）（图6（c））. 上，第一类为~轴和0~轴（图3）的混凝 步骤4~17：依此类推，滑移0~轴共18福 土滑移梁，第二类为0~0轴（图3）的临时钢结 拱梁（图6（d））. 构滑移梁，滑移梁上铺设质量为43kg的钢轨，经 步骤18：在安装平台上拼装@轴拱梁及其间 验算，轨道及胎架支撑均可满足滑移施工过程中 次结构，最后对@轴、轴拱架进行张拉，完成 受力及变形要求. 整个拱架安装过程. 步骤19：安装支座，拆除@轴、@轴临时支 撑（图6（e））. 步骤20：安装两侧拱架结构，拆除临时滑移 胎架（图6（f））. 图4拼装胎架设置现场 上施工累积滑移工序建立施工分析阶段. 在模型 建立时，铝合金拱梁采用梁单元，撑杆采用桁架 单元，拉索采用只受拉单元，以添加初拉力荷载 的方式实现对拉索预应力的添加，结构构件特性 均与实际工程材料一致. 在模拟滑移施工阶段时， （a）施工步骤1 （b）施工步骤2 滑移方向为y轴正向，轨道平面外为x向，竖直方 向为z向（图6（a）），支座z向均固定，y 向释放. 将结构自重和预应力荷载设置为施工荷 载. 3.2计算结果与分析 大跨空间结构在滑移施工前，应根据滑移方 （c）施工步骤3 （d）施工步骤4 案对杆件内力、位移及支座反力进行验算. 根据 累积滑移施工顺序设置施工分析阶段，得到施工 过程中结构的最不利状态及结构最终施工状态， 结构的施工过程最不利状态和最终状态的结果如 图8、图9所示. 由图8、图9可知： （1）结构施工过程中最大拉应力为 （e）施工步骤19 (f)施工步骤 20 156.35MPa，最大压应力为-158.32MPa，均发生在 图6累积滑移安装示意图 与滑移转换桁架相连接的第一福张弦铝合金梁结 2.2张拉施工工艺 构的施工过程中，在实际施工过程中应对该步骤 钢拉索在安装铝合金拱梁之前进行安装，索 重点关注，随着施工步的进行，结构杆件中的内 体安装完成后再将索体与撑杆下端的索夹相连接， 力也不断重新分布，张弦铝合金梁结构在变形协 拼装胎架安装完成后，双机台吊将铝合金拱梁吊 调中逐渐达到稳定状态，当整体结构施工完成后， 至钢梁位置进行连接，采取单端张拉调节端的方 最大压应力减小至142.3MPa，小于杆件应力的设 式施加预应力，张拉设备选用结构专用干斤顶和 计值，结构处于安全状态. 配套油泵、油压传感器，张弦铝合金梁结构索张 （2）结构最终施工状态下最大竖向位移为 拉前，运用MIDASGen软件进行施工模拟，根据 108.31mm，发生在与转换桁架相连接的第一福张 模拟结果对索结构张拉进行指导，并依据拉索的 弦铝合金梁结构跨中位置，施工过程中结构最大 预应力损失情况确定适当的预应力超张拉值，确 竖向位移达到120.5mm，均满足《空间网格结构技 保索结构张拉到位，由于铝合金材料弹性模量低， 术规程》（JGJ7-2010）[6]、《铝合金结构设计 仅为钢材的1/3[15，在张弦铝合金梁结构张拉过程 规范》（GB50429-2007）[17和《钢结构设计规 中选择以“变形控制为主、内力控制为辅”的原 范》（GB50017-2017）[18]三者中较严格者的构 则，并在张拉过程中实时监测油压值，保证每根 件容许挠度值L/250（L/250=280mm，跨度 拉索张拉到位. 拉索安装张拉现场如图7所示. L=70000mm）的要求. （3）结构最终施工状态下最大水平支座反力 为157.6kN，发生于结构临时立柱及滑移胎架拆除 时，位置处于转换桁架支座处，应对该支座位置 处做加强处理. 由以上结果可以看出，结构的最 大支座水平反力发生在结构最终施工状态，但结 构的最大应力及最大竖向变形均发生在施工过程 中，这是由于转换桁架拆除之后，主体张弦铝合 金梁部分处于悬空状态，构件受力及支座反力增 加，待附属大棚连接完成后，结构趋于稳定，受 图7拉索安装张拉现场 力变小：可见应重视施工过程中结构受力与施工 3施工过程分析 完成状态的差异，制定施工方案时，需要参考施 3.1模型建立 工仿真分析的结果，不断优化施工顺序，保证施 采用MIDASGen软件施工分析模块，根据以 工过程的安全可靠.
张弦铝合金梁结构施工技术研究及应用 郭朋岗.pdf
