大跨钢结构

大跨空间钢结构预应力施工技术研究与应用

李本兵

硕研12级6班 2012020620

摘要 近10年来，我国预应力钢结构在拉索材料、结构形式和施工技术方面都有了快速的发展，取得了令人注目的技术进步。其中，拉索材料从钢绞线组装索和钢丝绳组装索，向高强钢丝束和钢拉杆等成品索发展，钢丝表面防腐从镀锌处理到环氧喷涂和镀锌铝处理。结构形式包括张弦梁/ 桁架/ 网格、斜拉结构、预应力桁架、索桁架、索拱、弦支穹顶、索网、索穹顶及多次杂交结构和特殊结构等。预应力钢结构施工，不仅仅是纯粹的制作、安装和张拉工艺，而是系统性和全过程性的施工技术。具体体现在:分析和工艺的结合，节点、索头和张拉机具的结合，刚构和拉索施工的结合，及从分析到制作、安装和张拉的全过程施工控制。 关键词 大跨空间钢结构;预应力;拉索;施工技术

Research and Application of Long-span Space Steel Structure Prestress Construction Technology Abstract: At recent ten years， the cable material， structure style and construction technology ofprestressed steel structure have rapid development in China． The cable materials have high-strength steeltendon and steel tie rod，as well as steel strand assembly cable and steel wire rope assembly cable． Anticorrosionmethod of steel strand develops from zinc plating towards epoxsprayingandzinc-aluminumplating． The structure style of prestressed steel structure includesbeam string / truss / grid structure，stayed structure，prestressed truss structure，cable truss structure，cable-arch structure，suspended-domestructure，cable-grid structure，cable-dome structure，repeatedly hybrid structure and special structure，etc． Construction of prestressed steel structure is not only the pure fabrication and installation and tensionprocess，but the systematic and whole process construction technology，which expresses the combination of analysis with process，the combination of joint，cable end with tensioning equipment，the combinationof rigid structure with cable construction，and the whole process construction control from analysis toprefabrication，installation and tension．

Key words:long-span space steel structure; prestress; cable; construction technology

给混凝土结构施加预应力是一项熟知的技术，可以有效改善混凝土结构性能和提高抗裂度。给钢结构施加预应力可调控结构变形和杆件应力分布，提高承载力，有效减少用钢量，实现结构既轻盈飘逸又大跨度跨越。

预应力钢结构是将现代预应力技术应用到如网架、网壳、立体桁架等空间网格结构以及索、杆组成的张力结构中而形成的一类新型杂交结构体系，如:张弦梁、弦支穹顶、索桁架、索网、斜拉/ 悬吊结构、索拱、预应力桁架、张拉膜结构等。会展中心、体育场馆、飞机场、火车站、工业厂房等钢屋盖结构中近10年来大量采用了预应力钢结构。

大跨空间钢结构的预应力技术，涉及到众多复杂的结构形式和多种新型拉索材料，融合了高强材料、高级非线性力学分析和高水平施工技术。近10年来，我国预应力钢结构在拉索材

料、结构形式和施工技术上都有了快速的发展，取得了令人注目的技术进步。

1 拉索材料的发展

预应力拉索是对钢结构施加预应力的主要材料。拉索材料从钢绞线组装索和钢丝绳组装索，向高强钢丝束和钢拉杆等成品索发展，钢丝的表面防腐蚀从镀锌处理到环氧喷涂和镀锌铝处理。

1. 1 组装索

早期预应力钢结构中的拉索多采用钢绞线组装索和钢丝绳组装索，其中钢绞线组装索应用较多。钢绞线组装索的索体材料，直接采用广泛应用于预应力混凝土中的无黏结钢绞线，拉索锚具则在夹片锚和挤压锚等锚具的基础上予以改造。钢绞线组装索的特点为:制作方便、索长制作精度要求低、制索费用经济，但索端节点构造较为复杂，美观性、整体性能和防腐性能略差。现钢绞线组装索多应用于管内布索的预应力钢桁架结构中，端部全密封，使钢绞线束的防腐得以保证，如成都会展中心、广州新白云机场二期工程和广东省博物馆新馆工程等。

1. 2 成品索

现在，高强钢丝束成品索( 见图1a) 和钢拉杆成品索已广泛应用于预应力钢结构中。成品索( 包括索体和索头) 的制作质量、整体力学性能、防腐性能及美观性大大提高。但对锚具形式、节点构造、工厂的拉索制作长度、现场的安装和张拉工艺提出了更高的要求。

钢丝束成品索原主要应用于斜拉桥结构中，当其被应用于建筑结构中，预应力钢结构开始迅速发展。钢丝束成品索的索体一般由1670 级5 或7 高强镀锌钢丝束半平行扭绞而成，外包双层PE 防护。由于预应力钢结构形式和节点构造的多样性及建筑美观性要求，使建筑中钢丝束成品索的索头形式和张拉机具都不同于斜拉桥。索头由锚具、调节装置和连接件构成，其中锚具分为冷铸锚和热铸锚两大类型，鉴于建筑美观性和简化节点构造，热铸锚是主要形式;调节装置有套筒式、单螺杆式、双螺杆式和锚具式等，连接件有叉耳式、单耳式、螺母式等，调节装置和连接件需要综合连接节点构造、

锚具形式等配套选择。

钢拉杆成品索最早应用在上海浦东新国际博览中心( 见图3) 的柱间支撑中，然后在深圳会展中心张弦梁的下弦拉索、深圳游泳跳水馆的斜拉索、西安咸阳机场候机楼柱间支撑、济南奥体中心体育馆弦支穹顶的径向索等中予以应用。钢拉杆成品索由杆体、调节装置和连接件构成，各部件之间通过螺牙连接成整体，其杆体的屈服强度可达到650MPa，但鉴于热处理和运输能力，单根杆体长度不超过12m。

2 结构形式的发展

现国内已应用的预应力钢结构形式包括:张弦梁/ 桁架/ 网格、斜拉结构、预应力桁架、索桁架、索拱、弦支穹顶、索网、索穹顶及多次杂交结构和特殊结构等。这些结构形式多借鉴国外工程和技术，通过吸收、消化、推广和发展，部分结构形式在国内的应用规模已远超国外。

2. 1 张弦梁/ 桁架/ 网格

张弦梁由上弦刚构、中间撑杆和下弦索构成。拉索张拉时，张弦梁的一端或两端的支座允许滑动，从而使拉索的预张力完全由上弦刚构平衡，从而形成预应力自平衡体系。大跨度张弦梁最早应用于1998 年建成的上海浦东国际机场候机楼工程，跨度为83m 和44m，其后2002

年建成的广州国际会展中心张弦梁跨度为126. 5m，2003 年建成的哈尔滨国际会展体育中心张弦梁跨度为128m，这些工程中张弦梁的上弦刚构为弧形管桁架，下弦为弧形的高强钢丝束成品索，撑杆为两端铰接的平行钢管。而后，类似的张弦梁结构如雨后春笋般出现，其上弦刚构形式、撑杆形式、下弦拉索的线形和材料等也发生了变化。如南京会展中心张弦梁的上弦为单坡双H 型钢直梁，深圳会展中心张弦梁的下弦拉索采用高强度钢拉杆，2010 上海世博会主体馆的张弦梁的上弦刚构为平直管桁架，撑杆为V 形撑，下弦为三折线的双索

另外，张弦梁也由单向张弦梁，发展出双向、三向、轮辐式等多向张弦梁和张弦网格结构。如国家体育馆为双向张弦梁、南京苏源大厦为三向六榀张弦网格、成都电子科技大学体育馆为轮辐式张弦梁。

2. 2 斜拉结构

斜拉结构是由刚构、桅杆( 或塔柱) 和斜拉索构成，斜拉索布置在刚构的上方，为刚构提供弹性支撑，从而改善结构内力状况，减少变形和支座弯矩，实现更大跨度，减少用钢量。 早期斜拉结构主要应用于一些小型结构中，如珠海保税区东大门( 见图6) 和南京国际展览中心斜拉雨篷，其拉索也多为组装索。发展至今，从刚构形式、桅杆( 或塔柱) 形式及拉索材料上，斜拉结构也具有了多样性。如，江宁体育场的斜拉网架结构( 见图7) ，平面呈月牙形，最大悬挑跨度42m，网架后缘支撑在V 形钢柱上，网架前缘由斜拉索斜拉着，75m 高斜立桅杆，单桅杆上有4 根前斜索和2 根背索，采用外包双层PE 的钢丝束成品索;广州大学城体育场斜拉网格挑篷，采用额外配重的H 型钢网格，共有8 根桅杆，每个桅杆上有6根多向散布的前索和4 根平行密排的背索;另外，吴江体育场斜拉桁架结构的塔柱采用梭形管桁架，广东外语外贸大学体育场的桅杆为张力撑，深圳游泳跳水馆的斜拉索采用钢拉杆等。

2. 3 预应力钢桁架结构

预应力钢桁架结构由钢桁架和拉索构成，其桁架能自成结构且具有较大刚度，拉索的作用主要是改善桁架内力状况。

如早期著名的1994 年完工的北京西客站主站房巨型预应力钢桁架，采用廓外折线预应力，钢套管内穿入无黏结预应力钢绞线，跨度45m( 重1 800t) ，承托40m 高的中式门楼( 总重5 400t) ;湖南省政府办公大楼钢屋盖( 见图8) ，跨度81m，为三折线预应力钢桁架，采用钢丝束成品索;成都会展中心和广州新白云机场二期工程为下弦管内预应力空间桁架结构，在空间桁架的下弦管内布置无黏结钢绞线组装索，端部为防松夹片锚具;广东省博物馆新馆的屋盖为预应力悬吊钢桁架，屋盖设置在钢骨剪力墙顶端，主体结构悬吊在屋盖钢桁架下，钢桁架双向正交布置，钢绞线组装索布置在桁架的上弦和端腹杆内。广州花都体育中心比赛馆钢屋盖，其支座环桁架的环形封闭钢管内布置了无黏结钢绞线组装索，通过预应力张拉在支座环桁架内建立预压应力，减小支座环桁架钢管的规格，平衡屋盖的支座推力。

2. 4 索桁架结构

索桁架由承重索、稳定索及中间腹索或腹杆构成。承重索的线形下凹，为正曲率，主要承受竖向向下的荷载( 如自重、雪载、屋面活载等) ;稳定索的线形上凸，为负曲率，主要承受竖向向上的荷载( 如风吸力等) ;腹索或腹杆连系承重索和稳定索，形成结构整体。索桁架的预应力，需要大刚度的边梁来平衡。

如江苏东台热电厂供热管线专用管道桥采用空间索桁架结构，跨度81. 2m，承重悬索和吊杆位于桥面上部，稳定索呈空间弧形位于桥面下部，拉索采用外包HDPE 的镀锌钢绞线索;广州中洲中心玻璃光篷为斜置的椭圆形轮辐式索桁架，倾角12°，长轴80m，短轴64m，光篷中点离地19. 2m，承重索为单索，稳定索为双索，两者在平面内交叉，索桁架顶面增设连系

索，拉索采用钢丝束成品索。索网结构由承重索和稳定索组成，形成马鞍形索网面，图11 为泰州师范大学体育馆的索网结构。

2. 5 索拱结构

索拱结构由拉索和拱构成，其中拉索的主要作用是减小拱的推力和提高拱的稳定性。如淮海工学院体育馆屋盖形状为椭圆马鞍形，长轴71m，短轴56m，采用正交索拱结构，短轴为负曲率( 上凸) 的拱桁架，长轴为正曲率( 下凹) 的承重索，承重索从拱桁架腹杆上节点的腋间穿过;郑州新郑国际机场航站楼的平面多跨连续索拱结构，总长133. 97m(29. 0m + 47. 518m + 23. 759m +23. 759m) ，上弦为钢箱梁拱，下弦为负曲率( 上凸)的稳定索，两者之间为受拉的腹索。

2. 6 弦支穹顶结构

弦支穹顶由网壳、撑杆、径向索和环向索构成。其索杆系呈“N”字形布置在网壳下方，以平衡支座推力、提高结构整体的刚度和稳定性。弦支穹顶的网壳有联方型、凯威特型、环肋型等，索系有Levy 型和Geiger 型等，撑杆有“1”字形( 平行竖杆) 和“V”字形等。根据索杆系的布置形式，可以选择采用径向索张拉、环索张拉和顶撑张拉。如于2006 年完成的武汉体育中心二期工程体育馆弦支穹顶，椭圆抛物面，长轴方向总长165m，短轴方向总长145m，采用三向交叉桁架式扁平网壳和3 环Levy 型索系，网壳厚度3m，采用高强钢丝束成品索，每环环索为双索，通过顶撑撑杆张拉;常州市体育馆弦支穹顶，椭圆抛物面，长轴跨度120m，短跨度80m，矢高21. 45m，单层网壳的内6 环为凯威特(K8) 型网格，外8 环为联方型网格，6 环Levy 型索杆系，采用高强钢丝束成品索，张拉环索;济南奥体中心体育馆弦支穹顶( 见图13 ) ，球面，跨度122m，矢高12. 2m。单层网壳为内Kiewitt 型和外联 方型网格，3 环Gieger 型索杆系，局部设置构造索，其中径向索和构造索采用钢拉杆成品索，环向索为高强钢丝束成品索，张拉径向索。

2. 7 索穹顶结构

索穹顶结构主要由脊索、斜索、压杆和环索构成，为全张力结构。预应力是全张力结构成型的必要因素，在施工和工作状态下索穹顶具有很强的非线性( 特别是施工过程中) ，这对结构分析、设计及施工提出了很高的要求，需要解决一系列的难题。因此，索穹顶成为至今预应力钢结构研究和应用的最高峰。

索穹顶常与膜面结合一起，成为张拉膜结构形式之一。但膜面昂贵，耐久性、声学性能和隔热保温性能较差，易受污染。而采用刚性屋面的索穹顶则具有更为广泛的应用前景。国内第1 个刚性屋面的索穹顶———无锡新区科技交流中心索穹顶( 见图14 ) 已于2009 年12 月完成，该索穹顶平面为圆形，直径24m，矢高2. 109m，采用铝板结合的刚性屋面和三环Geiger 型索杆系，其中脊索和环索均连续贯通;另一个铺设点支承式玻璃的刚性屋面索穹顶———太原煤炭交易中心于2011 年1 月完成索穹顶主体结构张拉，该索穹顶由三环Geiger 型索杆系和支承玻璃面板的次索网构成，跨度36m，矢高1. 636m。这两个工程，所有索杆系均在地面组装，通过设置在外压环上的支座斜向牵引内拉环和最外环脊索而使整个索网成“ω”形提升至设计位置附近，最后仅主动张拉最外环斜索而使整个结构成型。该施工方法高效和安全，已获国家发明专利。

2. 8 多次杂交结构

预应力钢结构是由基本的刚构、索和杆三者构成的，如索网由承重索和稳定索构成，索桁架由承重索、稳定索和腹索或腹杆构成，索穹顶由上弦径向索、下弦径向索、环向索和撑杆

构成，弦支穹顶由网壳、环向索、径向索和撑杆构成，张弦梁由上弦刚构、下弦索和撑杆构成，斜拉结构由刚构、斜拉索和桅杆或塔柱构成，预应力桁架由索和桁架构成，索拱结构由索和拱构成等。可见，索网、索桁架和索穹顶等结构均由纯索或者索和杆构成，其中拉索及其预应力是结构形成的必要条件，即若无预应力或拉索，则结构无法存在，这类结构可称为张力结构。而张弦梁、弦支穹顶、斜拉结构、索拱和预应力桁架等都包含了刚构在内，即使结构中去除预应力或拉索，残余的刚构仍能维持自身稳定，这类结构由刚构和一种类型的索杆系杂交而成，可称为一次杂交结构。而在有些预应力钢结构工程中，结构由刚构和两种( 及以上) 类型的索杆系杂交而成，可称之为二次杂交结构或多次杂交结构。

如郑州国际会展中心钢屋盖跨度75m，也为包含了桁架、张弦索杆系和斜拉索杆系的二次杂交结构。

2. 9 特殊高层预应力钢结构

预应力钢结构广泛应用于公共建筑和工业建筑的大跨屋盖工程中，而在高层建筑中也有所应用。

如437. 5m 高的广州西塔———广州国际金融中心 ，在7，13，19，25，31，37，43，49，55，61，67，73，81，89 及97 节点层采用体外预应力技术，于节点层钢管混凝土柱外侧设置闭合环状预应力索。每个节点层有上下两道预应力索环，每一个预应力索环分3 根，由3 个索头连接，最大拉索规格为PESC7-199，最大张拉力为5 000kN。

3 施工技术的发展

预应力钢结构施工，不仅仅是纯粹的制作、安装和张拉工艺，而是系统性和全过程性的施工技术。具体体现在:分析和工艺的结合，节点、索头和张拉机具的结合，刚构和拉索施工的结合，及从分析到制作、安装和张拉的全过程施工控制。

3. 1 分析和工艺的结合

预应力钢结构的施工目的就是实现设计初始态，其包括了力( 如索力、支座反力、钢构内力等) 和形( 如跨度、矢高、关键构件空间姿态等) 的双重要求，显然这要比一般钢结构的施工要求更高。理论上在无误差的情况下，力和形是完全对应的，但实际施工中，由于施工条件的限制、施工误差的存在、经济和工期的约束等原因，难以做到力和形的完全统一。这就需要在正式施工前，应进行充分地、必要的分析，掌握结构特性，为施工提供必要的施工参数，从而在施工过程的各环节中予以有效、准确的控制，最终结构成型符合设计意图，达到设计目的。

分析内容包括:结构性能分析、施工力学分析以及施工成型状态对结构性能的影响分析。

1) 结构性能分析

掌握预应力钢结构的结构性能及其拉索对结构性能的影响是预应力钢结构施工的前提之

一。在尚不清楚的情况下进行施工是盲目的，对结构也是危险的。

结构性能分析的目的:合理优化预应力，掌握初始态和工作态下的结构状态和结构特点，特别是结构自重初始态，确定施工目标;掌握拉索对结构的主要作用，为施工控制打下基础。

2) 施工力学分析

由于预应力钢结构的特殊性，需要拉索张拉施工，因此预应力钢结构施工的各个环节，从制作、安装到张拉，都不同于普通钢结构工程。预应力钢结构施工前，在对结构性能掌握后，尚须进行详尽的施

工力学分析，以掌握关键施工阶段的结构状态、保证施工安全、制定和优化施工方案、提供施工参数和监控依据等。具体包括:①找力分析确定模拟拉索张拉的等效预张力，实现与设

计初始态一致的索力;②零状态找形分析确定结构的拼装尺寸，实现与设计初始态一致的结构位形;③施工过程分析掌握关键施工阶段的结构状态、保证施工安全、制定和优化施工方案、提供施工参数( 如拉索的施工张拉力) 和监控依据等;④张拉主控项目的分析确定张拉控制项目中最优先控制的主控项目;⑤误差影响分析确定控制项目的允许误差值;⑥环境温度影响分析现场环境温度变化对拉索施工的影响，根据实际环境温度调整拉索张拉力;⑦拉索制作长度计算确定拉索制作长度，及其相应的索长张力。

3) 施工成型状态对结构性能的影响分析

由于结构安装和拉索张拉的过程性，以及钢构安装误差、索长误差、张拉索力误差，还有钢构焊接次效应影响和环境温度影响等，结构施工成型状态( 施工初始态) 与施工目标状态( 设计初始态) 存在一定差异。有必要时，应分析两者差异对结构性能的影响，以保证结构施工后在使用阶段的安全性，并为施工控制提供依据。

3. 2 节点、索头和张拉机具的结合

与拉索相关的节点主要包括:索端的连接节点和索中的索夹、索托节点。张拉机具包括千斤顶系统和张拉工装，而千斤顶系统包括千斤顶、油泵、油压表和油管等，张拉工装包括千斤顶台座、工具拉杆及拉杆锚固装置等。建筑形式和结构形式的多样性，决定了节点形式和索头形式的多样性。拉索张拉时张拉机具与索头和节点连接在一起，拉索张拉最直接的要求就是在拉索中精准施加预定的张力，这就需要从精准施力、有效传力以及构造尺寸、操作空间等多方面将节点、索头和张拉机具结合起来。

如索头连接件直接决定了节点的形式和构造以及张拉机具的选择，施工张拉力直接影响了张拉机具和索头调节装置的选择，张拉机具中的拉杆锚固装置直接影响了节点或索头连接件的构造尺寸等。

3. 3 钢构和拉索施工的结合

预应力钢结构是个有机的整体，其通过拉索及其中的张力，来形成结构和改善结构性能。拉索张拉后，结构预应力状态不仅是拉索的索力，还包括钢构内力和支座反力以及结构位形等。设计初始态的要求是针对整个结构的，而非仅仅针对拉索。因此，钢构和拉索施工须紧密结合，以实现最终的结构整

体目标。钢构和拉索施工的结合，具体体现在施工方案、全过程分析、相互施工误差影响等方面。

1) 施工方案 包括钢构安装方法和顺序、胎架支撑系统、支座条件、拉索安装和张拉的方法、顺序和时机等。两者施工相互穿插，流水作业。优良的施工方案，在保证施工质量下，大大节省施工费用和工期。

2) 全过程分析 由于拉索不可能全部同时张拉，需要分批次张拉，为考虑先后批次索力相互影响，须进行张拉过程分析。在许多工程中，并不是待所有钢构均安装后再进行拉索张拉，而是单体子结构的刚构拼装后就张拉该单体内的拉索，从而不仅存在单体子结构内索力的相互影响，还存在相邻连系的单体子结构之间状况的相互影响。因此，须进行包含刚构安装过程和拉索张拉过程的全过程分析。

3) 相互施工误差影响 由于成品索有限的索长调节量，钢构的安装误差直接影响到拉索的长度和线形，甚至难以挂索和精准施加张拉力。而拉索上索夹位置偏差和索力偏差，会影响钢构内力、支座反力和结构位形等，其中对结构位形的影响是最直接的，导致支座难以就位、增加后批钢构安装难度。

3. 4 从分析到制作、安装和张拉的全过程控制

为达到设计初始态的力和形，预应力钢结构的施工控制是必须的。普通钢结构的施工控制主要集中在制作和安装，而预应力钢结构需要从分析开始，在制作、安装、张拉各施工工序进行控制。

1) 结构性能分析 了解结构性能，掌握拉索的作用，确定各施工控制项目的目标值。

2) 施工力学分析 掌握结构性能对各施工控制项目的敏感性，并根据施工方案，确定各控制项目

偏差允许值;掌握各施工控制项目的相互影响，确定最优先控制的主控项目( 索力既不是唯一的施工控制项目，在许多工程中也不一定是主控项目)。

3) 制作 确定制作索长及其相应的索长张力，并根据可能的施工误差，确定合理的索长调节量。

4) 安装 根据索长制作误差，并现场实测钢构安装误差，调节索长和索夹安装位置等。

5) 张拉 根据分析得到的施工张拉力和主控项目允许偏差进行张拉，同时辅以相关位移、索力等监测。

4 结语

近10 年来，大跨空间预应力钢结构发展迅速，满足了大跨度、大空间建筑的需求。

在拉索材料方面，从早期的预应力钢绞线组装索，发展至现今广泛应用的高强钢丝束和钢拉杆成品索，拉索整体质量和性能大大提高，且多样化的索头形式适应了建筑美观性、结构节点构造和张拉施工的需求。

在结构形式方面，国内应用较为全面，索穹顶也开始应用，部分结构形式的工程应用尺度达到世界第一;基于传统的基础结构形式，衍生出许多分支，丰富了建筑结构形式，拓展了预应力钢结构的应用。

在预应力施工方面，早期借鉴预应力混凝土结__构和斜拉桥的预应力施工技术，通过技术改造和创

新，现已形成了具有建筑特色的、系统的大跨空间钢结构预应力施工技术。将施工分析和工艺结合，将节点、索头和张拉机具结合，将刚构和拉索施工结合，从分析到制作、安装和张拉全过程进行施工控制，实现设计初始态的“力”和“形”。

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