浅析巨型钢框架-预应力拉索支撑结构施工过程

作者：张毅

1  模型及软件设置

1.1结构模型

  巨型钢框架．预应力拉索支撑结构的平面尺寸为36m x36m，总高度为216m，共6个大层，每一大层均设置相连的巨型梁和巨型柱且悬挂不同层数的子结构。巨型柱为格构式，设置在结构的四角，平面尺寸为6m x6m，通过柱间人字形支撑相连而成。巨型梁为立体桁架式，设置在每一大层的顶部，高为1子层层高4m。1~5大层中每层均悬挂7个子层，第6大层悬挂4个子层。子结构通过吊杆吊挂在巨型梁层，吊杆与子结构的楼层梁刚接，与巨型梁铰接。所有楼面均采用压型钢板组合楼板，面层为80mm厚的C30混凝土。各构件之间具体连接方式及尺寸参数。结构平面及-榀模型如图1所示。对上述结构设计了施工方案，

如图2所示：主结构各大层逐层施工，主结构施工完毕后从底大层逐层张拉预应力拉索，待预应力拉索全部张拉完毕后开始从底大层逐层吊装子结构。

1.2软件设置

  运用SAP2000按上述施工方案对结构进行模拟分析，荷载按表1进行施加，选用静力非线性阶段施工模块，荷载工况类型为Static，分析类型选取非线性阶段施工，考虑P-∆效应。阶段定义中共定义18个阶段：第1～6施工阶段的参数设置为大层框架的添加及对应恒活荷载的添加，其中恒荷载的比例系数取1，活荷载比例系数取0.5；第7 ~12施工阶段的参数设置为拉索的添加以及相应预拉力的施加；第13~18施工阶段的参数设置为子结构恒活荷载的添加。因结构为纯钢结构，时间因素对其影响较小，故不考虑持续天数的影响。

2模拟施工过程加载结果

2.1结构变形

  图3为施工阶段结构整体的变形情况。由图3可知，巨型柱随结构的施工尤其是子结构的吊装逐渐发生压缩及弯曲变形。巨型梁随主结构的施工开始出现小幅下挠，伴随上一大层预应力拉索的张拉，下挠减小，待开始悬挂子结构时，下挠再次增大直至结束。

2.1．1  巨型柱主要节点z向位移

  巨型柱主要节点是指巨型梁楼层柱的上下节点，其z向位移能直接反映出巨型柱的轴向压缩量。据模拟结果可知，各大层的变化规律相似，现选取第1大层巨型梁楼层柱外侧柱肢上下节点的z向位移如图4所示。由图4可知，巨型梁楼层柱上下节点z负向位移在主结构施工过程中逐渐增大，在各大层张拉拉索时小幅增加，而后随子结构的吊装大幅增加直至施工结束。

2.1.2  巨型梁中点z向位移

  在该施工方案下，各大层巨型梁中点（上下弦）的z向位移如图5所示。可知，各大层巨型梁中点z负向位移变化规律相似，即在主结构施工时逐渐增大，在本大层拉索张拉时保持平稳，当上一大层拉索张拉时跨中挠度突然大幅减小而后基本保持不变，待底大层进行子结构吊装时又开始大幅增大直至吊装结束。

2.2  巨型柱内力

  选取巨型柱内外侧柱肢分别从轴力、剪力和弯矩3方面来对巨型柱的内力变化进行分析。

2.2.1  巨型柱轴力

  图6为巨型柱外侧柱肢轴力在施工过程中的变化情况。由图6可见，巨型柱外侧柱肢的轴力转折点分别在施工的第6和第12阶段，即随主结构的施工，轴力逐渐增加，在逐层张拉拉索阶段基本保持不变，而后从子结构吊装开始，轴力以较大斜率大幅增加。图7为巨型柱内侧柱肢轴力在施工过程中的变化情况，整体与外侧相似。两者主要区别在于当张拉本大层拉索时，内侧柱肢轴力有小幅增加，这主要是因为内侧柱肢受到了拉索的影响。

2.2.2  巨型柱剪力

  由软件模拟结果可知巨型柱剪力的最大值集中在巨型梁楼层附近，且其各大层的变化规律相似，故以巨型梁楼层即第8小层为研究对象，选取第1和第6大层的数据如图8所示。由图8可知：第8小层内侧柱肢的剪力随主结构施工小幅增加，待张拉本大层和上一大层拉索时大幅减小，随后基本保持不变，当吊装本大层子结构时剪力再次大幅增加直至施工结束；第8小层外侧柱肢剪力则相对较小，总体随施工进程小幅增加。

2.2.3  巨型柱弯矩

  每大层巨型柱弯矩的最大值出现在巨型梁楼层附近，且其各大层的变化规律相似，故以巨型梁楼层即第8小层为研究对象，选取第1和第6大层的数据如图9所示，分析其内侧柱肢上下端弯矩在施工过程中的变化情况。由图9可知，4处弯矩的整体变化规律较为相似，以内侧柱肢上端弯矩数值最大，其变化规律为：随主结构的施工，负弯矩数值逐渐增大，待张拉本大层（上一大层）拉索时数值大幅减小，而后保持不变，当吊装本大层子结构时，数值再次增大直至施工结束。

2.3巨型梁内力

2.3.1  巨型梁剪力

  巨型梁剪力在终态下其最大值出现在梁柱交接处和巨型梁跨中部位，故分析上述部位剪力如图10所示。1~5大层巨型梁剪力变化规律相似，整体可分为3个阶段：第1阶段至本大层拉索张拉完毕，除巨型梁下弦梁柱交接处剪力会缓慢增加外，其余部位剪力基本保持不变；第2阶段则至拉索张拉完毕，此阶段开始即上一大层拉索张拉时上下弦中点处剪力大幅增大，上下弦梁柱交接处剪力则大幅减小，随后剪力基本保持不变；第3阶段直至施工结束，此阶段剪力变化缓慢。第6大层巨型梁剪力则在第2阶段结束前基本保持不变，从底大层开始吊装子结构开始小幅增加，待本大层吊装子结构时大幅增加。

2.3.2  巨型梁弯矩

  由软件模拟结果可知巨型梁弯矩的较大值出现在梁柱交接处及巨型梁跨中部位，特别是跨中拉索连接处。故分别在巨型梁上下弦选取上述点如图11所示。可知，各大层巨型梁的弯矩整体变化规律与相对应大层的剪力相似，故不赘述。

3结语

  1)在施工过程中，结构的变形尤其是巨型梁跨中挠度会在张拉拉索和吊装子结构时发生突变，其中子结构的吊装增大了巨型梁跨中挠度，上一大层拉索的张拉则可大幅降低此值。

  2)巨型柱的轴力在施工过程中会逐渐增大；巨型柱的弯矩和剪力则会受到拉索张拉和子结构吊装两方面的影响，其中拉索张拉能有效降低上述峰值，但子结构的吊装会大幅增加巨型柱的剪力和弯矩。   

 3)巨型梁内力在施工过程中会受到上一大层拉索张拉和本大层子结构吊装两方面的影响。其中拉索的张拉会改变连接处内力符号，这也使得内力最大值出现在拉索连接处，而子结构的吊装则会进一步增加巨型梁各部分的内力。

4[摘要]主要分析了巨型钢框架，预应力拉索支撑结构在给定的施工方案下，整个施工过程中结构变形和内力的变化规律。结构的变形尤其是巨型梁跨中挠度在张拉拉索和吊装子结构时会发生突变；巨型柱的轴力在施工过程中会逐渐增大，弯矩和剪力则会受到拉索较大影响；巨型梁内力会受到上一大层拉索张拉和本大层吊装子结构较大影响。上述结论为此结构的施工设计和优化提供了理论指导。