大跨双向张弦结构不平衡支撑式滑移技术研究
摘要：针对大跨双向张弦结构提出一种滑移施工方法――不平衡支撑式滑移施工技术，即在施工过程中，通过对索施加合适的预应力，增加结构原有支座的竖向反力，弱化中间滑道临时支撑。基于不平衡支撑式滑移施工技术，以国家体育馆为例建立模型，分析不同索初始索力下关键杆件应力、关键点竖向位移、多滑道支撑的支座反力变化等，探讨大跨双向张弦结构不平衡滑移施工的可行性。研究结果表明：在保证结构安全稳定的前提下，选择适当的索初始索力，可以弱化结构中间临时支撑，减少临时支撑及其下部基础的造价，进而降低滑移施工总成本。
关键词：张弦结构；滑移施工；不平衡支撑；临时支撑；有限元分析；受力机理
中图分类号：TU398.2文献标志码：A
Abstract： The authors presented a new method of sliding construction ― the technology of unbalanced support sliding construction， which increased the vertical reaction forces of the original bearing reaction and weakened the middle sliding temporary supports through imposing appropriate prestress on cables during construction. Taking the National Stadium as an example， the stress of different key bars with different prestress imposing on the cable， vertical displacement of certain key points， and reaction force of support， etc，were analyzed. Moreover， the possibility of unbalanced sliding construction for longspan bidirectional beam string structure was discussed. The study results show that the middle sliding temporary supports can be weakened， and the amount of intermediate temporary supports for steel under the premise of ensuring structural safety can be reduced. Furthermore， the total costs of sliding construction will reduce.
Key words： beam string structure； sliding construction； unbalanced support； temporary support； finite element analysis； force mechanism
0引言
张弦结构是一种大跨度预应力钢结构体系，作为一种自平衡受力结构体系，具有自重轻、承载力高及荷载作用下结构变形小等特点[13]。张弦结构成型前刚度较小，通过不同的索拉力实现结构形状的调整，当给上弦压弯构件或结构提供跨中支撑时，结合适当的索力可以满足对结构形状的调整要求。
目前大跨度空间钢结构的施工方法有高空散装法、分条分块吊装法、整体吊装法、整体顶升法、滑移法及一些新型施工方法，如Pantadome法等[45]。对于中小跨度张弦结构的施工，一般工程可以采用搭设脚手架原位拼装，或地面拼装后使用起重机械吊装施工，但对于跨度及高度较大的张弦结构或场地狭窄起伏和不方便停放吊装设备等复杂情况下，脚手架方案或吊装方案的实施费用较高，采用滑移施工技术能够很好地解决上述问题。在现有的张弦结构施工方案中，越来越多的工程施工采用高空滑移方案[68]。
相对于单向张弦结构，双向张弦结构形成的整体空间结构能够更大地发挥张弦结构的优势[2]，已有工程实例，如国家体育馆、深圳市福田交通综合枢纽换乘中心、北京安福大厦等采用了双向张弦结构形式。对于大跨双向张弦结构的滑移施工，一般采用结构中间设置临时支撑的方法，中间支撑滑道与结构跨度两端的端支座滑道构成多滑道支撑式施工方案[910]。
三滑道或多滑道滑移施工过程中，结构中间需要设置临时支撑及其下部基础，临时支撑的脚手架或钢结构使用量大，成本高，高空作业量大，降低了滑移施工的经济性。从受力角度分析，中间临时支撑的支座反力要大于两端的支座反力，以三滑道为例，理论上中间临时支撑承受结构总质量的5/8，而两边支座分别承受结构总质量的3/16，临时支撑与支座承担的结构自重比例为3.3∶1，导致了临时支撑及其下部基础需要增强设计，这显然增加了施工的临时成本。
结合中国众多滑移工程实例，不难发现，在多滑道滑移施工的整个过程中大量应用了钢结构，尤其是临时支撑和轨道梁，随着建筑高度的不断增大，滑道标高也不断变高，临时支撑和轨道梁的用钢量越来越多，造成滑移施工经济成本较高。因此，有必要在滑移施工设计方面提出一些新技术、新方法，用于减少临时钢结构的使用量，从而减少滑移施工造价，推动中国滑移施工技术的发展。
针对上述双向张弦结构和多滑道滑移施工的特点，笔者提出了一种新的滑移施工方法――不平衡支撑式滑移施工技术，在保证滑移安全可靠的前提下，力图降低滑移施工总成本。
1不平衡支撑式滑移技术 1.1滑移技术概念
对于张弦结构的常规多滑道滑移施工，由于跨中临时支撑减小了结构的跨度，滑移时仅对索张拉很小的力，保证索在滑移过程中不松弛，待滑移到位成型后，通过预先理论分析确定的张拉顺序、张拉补偿等方案对索进行张拉。在常规多滑道滑移施工的基础上，本文提出了适用于大跨双向张弦结构的不平衡支撑式滑移施工技术，即滑移施工过程中，通过主动增大下弦索的预拉力，使张弦结构跨中形成向上起拱的趋势，从而提高两端支座分担的竖向荷载而减小中间支座分担的竖向荷载。
在保证结构安全稳定和符合结构设计规范要求的前提下，当两端支座竖向反力增加时，可以弱化中间临时支撑受力，也即弱化用于中间支座的临时支撑，从而减少临时支撑的用钢量及其下部基础的承力面积。由于通过调整初始索力改变了原有结构在多滑道下的位形及支座之间竖向荷载的原始分配比例，因此称之为不平衡支撑式滑移施工技术。
在大跨双向张弦结构滑移施工过程中，一般进行张弦结构主体构件的滑移，不考虑屋面做法、设备吊重、屋面活载等，在滑移过程中只张拉单向索且辅助一定承载能力的临时支撑，张弦结构能够保持设计的形状，理论上具备可行性。
不平衡支撑式滑移施工的基本原理是竖向结构总自重与多个支座竖向支撑力的平衡，在施工过程中，通过对拉索施加不同的预应力，改变结构中间临时支撑的竖向反力，从而使多个支座的竖向反力重新分布。
以三滑道滑移为例，当结构的总自重及外荷载不发生变化时，三滑道支座反力总和则不发生改变。不平衡支撑式滑移技术原理如图2所示，其中，G为总荷载。初始状态时，中间临时支座承受结构总荷载G的5/8，两端支座则各承受总荷载G的3/16，此时索力理论上为0；当初始索力增加而达到一定值时，中间临时支座承受结构总荷载G的1/4，两端支座则各承受总荷载的3/8；继续增加初始索力，当初始索力达到某一数值时，中间临时支座承受结构总荷载G的1/8，两端支座则各承受总荷载的7/16；依此类推，增大索力后，中间支座承受的力越小，两端支座承受的力则越大。
当端支座反力逐渐增大到足以承受结构的自重时，可以考虑撤掉中间临时支座。因此，通过具体技术措施提高端支座的竖向支撑力，可以实现降低中间支座的竖向反力。从受力机理方面来说，常规多滑道施工的支座反力分配情况和两滑道施工可以视为不平衡支撑式滑移技术的2种极限情况，即如图2（a）所示的零索力的初始状态和如图2（d）所示的对边支撑状态。
1.3不平衡支撑式滑移控制原则
张弦结构的不平衡支撑式滑移是通过控制索的初始张拉力来实现的，当索初始张拉力改变时，结构位形、杆件应力、支座受力等也随之改变，初始张拉力的确定是滑移施工设计的一个重要步骤。为保证结构滑移的安全可靠，结合既有单向张弦结构、双向张弦结构的滑移施工实例，确定索的初始索力应满足以下4个原则：
（1）控制索的张拉力不应超过标称破断荷载的一定百分比，如破断荷载的70%～80%，且不宜超出成型后的设计索力过多。对于不平衡支撑式滑移施工，初始索力越大，显然跨中临时支撑分担的竖向荷载就越小，为了获得相对最小的跨中竖向反力，有可能使初始索力大于成型时的设计张拉力，这将使索的张拉方案有别于常用的“分级张拉，依次增大”的张拉方案，当初始索力大于成型时的设计张拉力时，需要考虑索力的卸载方案。
（2）为满足结构变形要求以及便于施工后的正式张拉，结合现行结构设计规范，应限制结构的最大竖向位移与其跨度的比例，如不应超过结构跨度的1/500～1/300。
（3）结构各类杆件的最大应力均不应超过对应的屈服强度，且必须考虑结构一定的安全储备。滑移过程中偶发情况下拉索不退出工作，保持一定的张力水平。滑移施工后进行双向索张拉，能够使结构顺利脱离临时支撑。
（4）中间临时支撑分担结构自重的预期比例应能够大幅弱化中间临时支撑的受力，降低临时支撑及其地基基础的造价，同时又能保证不过多增加端支座的临时加固量，如端支座下部框架柱之间的联系梁不因承担较大的结构自重而需要大量临时加固等，这在结构柱距较大的情况下表现尤为明显，是不平衡支撑式滑移施工确定初始索力的重点分析内容。
上述控制原则涉及到的数据是从现行结构设计规范及构件安全储备的角度出发暂定的控制数据，尚需要通过试验及工程实践进行修正和完善。
1.4不平衡支撑式滑移方案实施要点分析
不平衡支撑式滑移施工技术主要应用于大跨双向张弦结构，且为多滑道滑移施工的工程，是通过预张拉索力实现的，具体实施要点如下：
（1）按常规多滑道滑移方案进行设计，确定跨中临时支撑的上部结构、临时基础的结构形式及主要尺寸参数。一般来说，此方案跨中临时支撑的造价最高，但端支座的加固量最小。
（3）按不平衡支撑式滑移方案进行2次设计，即根据张弦结构的成型索力数据，计算不同初始索力下结构的支座反力。本文依据实施要点步骤2确定不同初始索力下跨中临时支撑的上部结构、临时基础的结构形式及主要尺寸参数，每个初始索力对应一个滑移施工方案。
（4）对比各方案的经济性、施工复杂程度等，尤其是跨中临时支撑造价的降低程度与端支座加固造价的增加程度（两者呈相反的变化规律），同时考虑结构的安全需要满足规范要求。
（5）综合上述各方面的分析结果，确定最优的初始索力、相应临时支撑及下部基础的设计方案，完成不平衡支撑式滑移施工的设计方案。2大跨张弦结构基于不平衡支撑式技术的滑移施工模拟分析2.1模型概况
2.7讨论
对于大跨钢结构，用钢量是人们关注的一个重要指标，竣工后单位体积的综合用钢量大小不仅反映出设计的技术水平，也是投资方看重的投资指标之一。大跨张弦结构通常用于屋面结构，其结构标高较高，中间临时支撑的体积较大，减小中间临时支撑尺寸可以显著减小临时支撑单位体积的用钢量。
不平衡支撑式滑移施工技术提出了控制中间临时支座与端支座的受力关系，对临时支撑受力进行优化，减小临时支撑和下部基础尺寸以及地基的处理范围等，进而减少建筑结构用钢量及施工成本，间接提高了经济效益。
中国除了国家体育馆以外，跨度超过100 m的大跨双向张弦结构尚不多见，随着双向张弦结构理论研究的发展，将有更多的大跨双向张弦结构用于大型场馆类建设，对于双向张弦结构的滑移施工技术进行不断创新，无疑也会促进双向张弦结构的研究及其应用。3结语
（1）本文提出了大跨双向张弦结构的不平衡支撑式滑移施工技术概念，通过增大下弦索的预拉力，提高两端支座分担的竖向荷载而减小中间临时支座分担的竖向荷载，进而实现对中间临时支撑及其下部地基基础的优化，降低了施工造价。
（2）结合既有张弦结构滑移施工实例，给出了不平衡支撑式滑移施工技术的初始索力控制原则，其中一个重要原则是要综合分析不平衡支撑所引起的弱化中间临时支撑（节省工程造价）和加固端支座滑道下部联系梁（增加造价）两者之间的经济性以及结构滑移施工安全的问题。
（3）以国家体育馆屋架为原型，探讨了大跨双向张弦结构采用不平衡支撑式滑移施工方案的可行性。有限元分析结果表明，随着初始索力的增加，端支座反力增加，而中间支座反力却相应减少。本文模型中，当初始索力增加至成型控制张拉力的70%时，中间支座承担的结构自重比例下降至26%，在不超过成型控制张拉力的前提下，中间临时支撑分担的结构自重可以降至13%，同时结构杆件的变形、应力等均在允许范围内。
（4）近年来，大跨结构滑移施工技术及工艺在不断发展、创新，本文提出的不平衡支撑式滑移施工技术作为一种改进的多滑道滑移施工技术，适用于大跨双向张弦结构。通过对实际工程结构进行计算和论证，在理论上可以实现该滑移技术的应用，可为今后类似工程确定滑移施工方案提供参考。参考文献：
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