钢管混凝土张弦结构的设计与施工

以钢管混凝土梁和钢索组成的张弦结构，充分利用了二者的受力特点，在工程中取得了良好的应用效果。本文结合工程实例，简要论述钢管混凝土张弦结构的设计过程，通过对比分析对设计和施工过程中的关键问题，如结构选型、节点连接、混凝土浇筑等进行了较为深入地论述，最终得到了一些有益的结论。

张弦结构作为一种自平衡体系，它能发挥钢索抗拉强度高和梁（桁架）抗压（拉）性能好的特点，结构受力合理，能够实现较大的跨度。近年来，随着建筑技术的发展和张弦梁、张弦桁架的较广泛应用，不断积累经验，又出现了其它类型的张弦结构，如张拉筒壳等[1].张弦结构屋面通常较轻，在基本风压较大的地区，有时甚至需要加大屋面的自重，以保证张弦结构的拉索在风吸力作用下不退出工作。在张弦结构中适当地应用钢管混凝土构件充当压杆，不但可以充分利用钢管混凝土的受力特点，同时也增加了结构抵抗负风压的能力，降低了工程造价。

本文拟首先对钢管混凝土张弦结构的受力机理进行简要论述，而后结合中国建筑科学研究院新建风洞实验室屋面张弦结构，论述其设计中的主要问题，对比分析上部分别为箱型钢梁或矩形钢管混凝土梁的张弦结构的受力特点和用钢量指标，最后针对设计和施工过程中的关键问题，总结得出了一些可供相关结构设计参考的结论。

钢管混凝土张弦结构受力机理张弦结构是用撑杆连接上部抗弯受压构件和下部受拉构件（索），通过一端固定，一端允许水平滑移来建立预应力，从而形成的自平衡结构。其上部构件可以是拱形箱梁、拱形桁架或其它截面形式。在施工状态（成形状态）下上部受弯曲应力，成形后在正常荷载（荷载状态）下上部主要表现为轴心受压，承受压应力，但在实际工程中由于各种荷载工况的不同作用，上部往往还存在有弯曲应力，因此上部的强度和稳定应力应按照压弯构件校核。

钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对其核心混凝土的约束作用，使混凝土处于复杂应力状态之下，从而使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能得到改善。同时，由于混凝土的存在，可以延缓或避免钢管过早地发生局部屈曲，从而可以保证其材料性能的充分发挥。此外，在钢管混凝土的施工过程中，钢管还可以作为浇筑其核心混凝土的模板，加快了施工进度。[2]钢管混凝土截面一般仅应用于柱－压弯为主要受力特征的杆件，张弦梁的上弦受力方式接近于柱，因此，将钢管混凝土构件应用于张弦梁的上弦是符合其受力特点的。

荷载效应组合遵照线性规则，即结构的初始刚度在任何荷载工况下必须相同，因为预应力结构中的预应力作为恒载始终作用于结构中，进行荷载效应组合会导致预应力重复计算，因此采用荷载预组合作为荷载工况施加于结构中。

2.2分析模型和计算软件有限元分析采用三维的整体模型，模型中包含了全部的张弦结构体系构件，同时考虑了下部混凝土结构的共同作用。张弦梁一端支座约束三方向水平力，释放三方向弯矩，另一方向约束两方向水平力，释放三方向弯矩和X向水平力。

采用韩国Midas公司的建筑结构用有限元分析设计软件（版本MIDAS－Gen 6.9.1）分析，同时采用Sap2000对结果进行校核。

2.3静力性能（1）缆索初始预拉力的确定预应力钢结构一般通过对结构中的钢缆索或钢绞线施加预拉力来实现，预拉力的施加过程和方式要视结构类型和荷载状态来确定。结构中所施加的缆索（钢绞线）预拉力既决定结构的受力状态，也决定结构整体的刚度和动力特性，是整个结构刚度的重要来源。若使用预应力不当或过量则会对结构产生有害的结果，因此如何确定预应力钢结构体系的预拉力值非常重要。

预应力索一般分为三种状态：1）零状态，索施加预应力前的索段施工放样状态，即结构成形的起始状态；2）初始状态，结构在自重和预应力作用下的平衡状态，为结构承载变形的起始状态；3）荷载状态，即结构承载后的平衡状态。索（钢绞线）的工作状态决定结构的工作状态。索的初始预拉力不是一个恒定的值，它同结构的几何形态、初始刚度、荷载状况和吊装条件相关，缆索（钢绞线）预拉力值的确定必须通过结构的整体有限元分析来完成，并应使结构在各种可能的荷载工况作用下均处于良好的受力状态，具有良好的动力特性。

综上所述，结构设计阶段索预拉力值确定的原则是：1）在初始状态下（吊装状态），施加预拉力必须保证结构不能有过大的反变形、杆件不能失稳和破坏；2）在荷载状态下缆索不失效，在地震反应下不退出工作。索的实际预应力一般控制在0.15P~0.4P（P为索的破断载荷）之间，以防止锚固端松弛的不利现象发生。本工程缆索的初始预拉力为150kN（边榀60kN）。

（2）主要构件的内力和应力

（3）结构位移位移控制指标：张弦梁跨中竖向变形+1/300（DL+WL），-1/300（DL+LR）。实际计算结果分别为-15mm、-60mm，均满足控制指标。水平位移为14mm.由于钢管混凝土构件的应用，使得结构自重增加，保证了张弦梁的下弦索在任何工况下均有良好的工作状态，结构位移方向均向下。

（4）线性屈曲稳定分析在恒载作用下，随半跨活荷载增加分析结构线性屈曲稳定，当荷载临界系数达到20.7时，边榀张弦梁出现平面内屈曲，此时结构的整体稳定性能良好，说明结构具有足够安全可靠性[3].采用了钢管混凝土构件作为张弦梁的上弦，使得张弦梁具有更好的刚度，保证了结构的整体稳定性。图1为结构的一阶屈曲模态结果。

（5）几何非线性稳定分析经几何非线性分析，结构在自重、活荷载、风荷载和温度变化下，无稳定问题。张弦梁上弦内力不大，受力比较均匀，随荷载增加，非线性不明显。图二为张弦桁架点节点位移（水平位移Dx，竖向位移Dz，其中Dz的方向为竖直向下）在恒载作用下随半跨活荷载倍数增加的关系曲线。钢管混凝土构件的使用，使得结构整体具有更好的刚度，使得结构基本无非线性状态。