异形钢柱支撑的轮辐式张弦梁结构 施工关键技术研究*
刘焕芹，李维滨，李明
（东南大学土本工程学院，江苏南京210096）
化、施工检测等若干关键技术的分析和研究.对轮式张弦梁结构的形态、性能、计算模登及分析理论进行了分析 【摘要】以东南大学九龙潮体育馆的异形钢柱支撑的轮辐式张弦梁结构为背景，对结构进行了稳定性、路工方案优和总结，得到了实用的异形钢柱支撑的轮辐式张弦巢结构的施工仿真模拟的方法，并提出提高结构稳定性的建议.通过有限元教件分析选定了九龙潮体育馆异形钢柱支媒的轮辐式张弦梁结构安全合理的施工方案，同时，对张拉过程进行了施工仿真分析，比选并确定张拉方案.进行项目现场实地检测，将检测结果与理论分析结果进行对照 分析，证明理论分析结果的正确性和理论分析方法的可靠性.
[关键词]张兹梁：轮辐式：异形钢柱：数值模报：张拉；检测
[文章编号】1002-8498（2015)02-0045-05
[中图分类号]TU323.3；TU758 【文献标识码】A
Research on Key Construction of Radiant Beam String Structure
Supported by Special-shaped Steel Columns
Liu Huanqin Li Weibin Li Ming( School ef Givil Engineering Southeast Uniersity Nanjing Jiangu 210096 Chins)
Abstract ;This paper is concermed with the Jiulonghu Stadium of Southeast University whose structureform is radiant beam string structure suppored by special-shaped steel columns. The stability ofstructure construction scheme optimization and construction monitoring are analyzed and researched. Themorphology and property of radiant beam string structure is summarized and the overview of calculation model and analysis theory is provided. The construction simulation analysis method of radiant beam stringstructure supported by special-shaped steel columns is accessed and remendations for improving thestability of structure are made. The tension process simulstion analysis of radiant beam string strueturesupported by special-shaped steel columns is carried out. Several possible methods of tensioning are discussed. On account of project site monitoring parative analysis is developed on the actualmeasurement result and the theoretical analysis result and it proved the correctness of theoreticalanalysis.
Key words ;beam string; radiant ; speeial-shaped steel column; simulation; tensioning;detection
张弦梁结构形式多样，按空间布置形式可以分构在传统的轮辐式张弦梁结构上做了改变.将之为单向张弦梁结构、双向张弦梁结构、多向张弦梁前传统的轮辐式张弦梁结构下部的混凝土圈梁（混结构、轮辐式张弦梁结构和张弦弯顶结构.传统的凝土结构柱）改成了格构式异形钢柱，这种改变后张弦梁屋盖结构（见图1），皆是作为一个独立的钢的轮辐式张弦梁结构称之为异形钢柱支撑的轮辐
结构整体，支承在混凝土圈梁或者混凝土结构柱式张弦梁结构. 上，结构体系受力明确、施工过程相对简单.本文
在以往的研究中，关于张弦梁结构的分析理论所涉及到的九龙湖体育馆（见图2）轮辐式张弦梁结研究已经较为成熟，对轮辐式张弦梁结构分析研究提供了良好的理论基础.然而，过去关于轮辐式张弦梁结构力学特性方面的研究大都单纯针对结构 的力学特性，较少考虑施工过程中结构的误差对结
结构和普通轮辐式张弦梁结构有限元模型如图3 所示.
图1传统张弦梁结构
Fig. 1 Traditional beam string structure
图3轮辐式涨弦梁结构模型Fig. 3 Spoke type beam string structure model
图2九龙湖体育馆建筑效果Fig.2Jiulonghu gymnasium architecture
2安装方案对比分析
构力学特性的影响；对于轮辐式张弦梁结构施工方 面的研究，施工过程中的张拉仿真分析技术已较为成熟，但较少对张拉方案进行对比分析研究；在施工检测方面，索力的检测是关键，目前索力测试中构的索力测定使用较多，面在轮辐式张弦梁结构的 的频率法在桥梁结构中应用较早，在软索和长索结体系中应用较少.本文以使用了异形钢柱支撑的轮辐式张弦梁结构的东南大学九龙湖体育馆主体钢结构部分为研究对象，运用大型有限元软件ANSYS，对结构进行稳定性、施工方案优化、施工检 测方面的分析和研究，主要闸述异形钢柱支撑的轮辐式张弦梁结构施工分析理论和有限元模型的建立方法、施工误差对结构稳定性的影响分析、施工方案优化分析以及施工检测分析.
2.1安装方案与安装路径
1）安装方案①方案1钢柱、张弦梁地面胎架拼装后整体吊装，其他部件高空散装；钢柱、张弦 梁工厂内制作散件，现场地面分段拼装.地面拼装前需要进行拼装平面、拼装胎架搭设.②方案2钢柱、张弦梁采用高空原位拼装法安装，其他部件高空散装.钢柱、张弦梁工厂内制作散件，现场高空原位拼装.
2）安装路径主体结构的安装路径分为2种安装顺序：①路径1：钢柱、外环梁安装→中央刚性环安装一张弦屋架梁对称安装；②路径2：中央刚性环安装一张弦屋架梁对称安装一钢柱、外环梁安装.
2.2方案比较与选定
1）安装方案比较
1九龙湖体育馆有限元模型
将方案1和方案2在施工可行性、支承结构、人力和工期、经济性、安全性、场地要求等方面进行对要专业技术优良的施工单位进行施工.方案1比方 比，方案2对施工的精度要求较高，在很大程度上需案2具有很大的现场可行性，且经济性也比方案1好，面且方案2在张拉过程中，脚手架以及支撑等构件对张拉过程中钢结构的影响较大，所以建议采用 方案1进行施工.
九龙湖体育馆位于东南大学九龙湖校区，包括上部钢屋盖以及下部钢柱，下部钢柱与混凝土环梁、混凝土柱相连.钢屋盖采用轮辐式张弦梁结构，各福张弦梁绕水平投影面的中心呈放射状布弦梁结构的特点，采用空间梁单元法进行有限元分 置.根据九龙湖体育馆异形钢柱支撑的轮辐式张析.施工分析中常用的预应力张拉模拟方法有多种，本文采用等效降温法来模拟施工全过程.最终计算模型取九龙湖体育馆轮辐式张弦梁屋盖为新 型的轮辐式张弦梁结构；去掉九龙潮体育馆屋盖结构中的异形柱，同时改变边界约束条件，将其变成普通的轮辐式张弦梁结构.新型的轮辐式张弦梁
2）安装路径比较
将路径1和路径2从支承结构、人力和工期、经济性和安全性等方面进行比较，由于路径2比路径1要多设一道张弦梁端部临时支架，路径2经济性、
安全性皆不如路径1，所以建议采用路径1进行施工.
3）方案选定
经过以上对安装方案和安装路径各项指标比较，得出结论：方案1和路径1组合在一起的施工方 案为最佳，即钢柱、张弦梁地面胎架拼装后整体吊装，其他部件高空散装：拼装顺序为：钢柱、外环梁安装→中央刚性环安装一张弦屋架梁对称安装.
3拉索张拉优化分析
3.1张拉方案
根据工程施工方案的阶段性特征用多阶段施工累积法进行施工仿真分析，根据其自身特点，采用等效降温法和找力分析法模拟分析预应力拉索的张拉.结构在施工过程中一直处于完整状态，一次成型的仿真计算方法不能模拟施工过程中结构 的内力和变形，故仿真计算中对张拉过程分阶段分析.张拉过程主要由分批数和分级数决定，分批和分级情况如下.
3.1.1张拉过程分批情况
6 7 10 11 14 15 18 19 22 23;第2批1 4 5 8 9 1）2批（每批12榴），各批索编号：第1批2，3，12 13，16，17 20 21 24.如图4所示.
Fig. 4 Numbering of the beam string cables 图4张弦粱及对应索、异形钢柱编号and special-shaped steel columns
2）4批（每批6榴）.各批索编号：第1批1，5，9 13 17 21；第2批2 6 10 14 18 22；第3批3 7，11 15 19 23;第4批4 8 12 16 20 24.
3）6批（每批4福），各批索编号：第1批1，7，13 19；第2批2 8 14 20；第33 9 15 21；第4批4 10 16 22；第5批5 11 17 23；第6批6 12，18 24.
3.1.2张拉过程分级情况
1)1阶段张拉：预紧一100%设计预张力.
2）2阶段张拉：预紧一50%设计预张力→100%设计预张力.
万方数据
3）3阶段张拉：预紧→50%设计预张力→75%设计预张力→100%设计预张力.
3.1.3组合得到张拉方案
通过以上分批数和分级数组合，共可得到9种2阶段张拉；③方案3：2批3阶段张拉；④方案4：4 张拉方案：①方案1：2批1阶段张拉：②方案2：2批批1阶段张拉：③方案5：4批2阶段张拉：方案6：4批3阶段张拉：方案7：6批1阶段张拉；⑧方案8：6批2阶段张拉；9方案9：6批3阶段张拉.
3.2方案的比较与选定
1）方案1，2.3对比（见表1）
表1方案1 2 3对比
Table 1 Comparison of scheme 1 2 and 3
方案 方案1 方案2 方案3分级数 分批数 1 2 2 2 3 2应力峰值最大值/MP 素力最大值/N 2 008 1 843 207. 7 1 681 207. 7应力峰值变化梯度 207.7 较大 运中 较小中心环级病位移最大值/mm 中心环竖向位移变化梯度 316 较大 适中 316 较小 316经向位移（往内、往外）/mm 30 10 30 10 30 10
对比方案1，2.3的索力、应力、位移计算结果，可得到如下规律：索分批数一定的时候，随张拉阶段数增加，张拉过程中最大索力值越小，结构应力 峰值变化梯度越小，中心环竖向变位移化梯度也越小，面对结构径向变形影响比较小.由此得到结论：张拉阶段越多，结构索力最大值越小，应力、位移变化梯度越小，对结构越有益，所以考虑分3阶段张拉最为合适，预紧一50%设计预张力→75%设计 预张力→100%设计预张力.
2）方案1，4，7对比（见表2）
表2方案1 4 7对比Table 2 Comparison of scheme 1 4 7
分圾数 方案 方案1 方案4 1 方案7 1分批数 2 008 2 2 293 4 1 681 6应力峰值最大值/MP 索力最大值/kN 207.7 216.8 280.7中心环竖向位移量大值/mm 应力峰值变化梯度 适中 316 较小 316 较大 316中心环竖向位移变化度 较大 30 10 适中 30 10 较小径向位移（往内、往外）/mm 30 10
可得到如下规律：张拉阶段数一定的时候，随着张 对比方案1.4，7的索力、应力、位移计算结果，拉批数的增加，张拉过程中最大索力值越大，应力最大值增大，中心环竖向位移变化梯度越小，面对结构径向变形影响比较小.在适中的张拉分批数
的情况下，结构应力变化梯度较小.由此得到结 论：分批并不是越多越好.虽然分批越多，需要的张拉设备台数越少，但是张控过程中最大索力值越大，应力峰值最大值也越大.同时考虑施工方便和结构安全2方面的问题，张拉分批数为4批较为合适，每批6根索.
3）综合结论与方案的选定
根据上述对比分析，张拉方案确定为分4批、3阶段张拉.即方案6：本工程共有24根拉索，分3阶段张控，预紧一50%设计预张力→75%设计预张力→100%设计预张力，每阶段分4批，每批6根.
3.3张拉过程分析
依据方案6，采用ANSYS有限元软件分析计算预紧阶段和3个正式张拉阶段结构的竖向变形、径程中，结构最大竖向位移和最大等效应力变化情况 向变形和等效应力.经过有限元模拟分析，张拉过如表3.图5.6所示.由计算结果可知：①中心环最大竖向位移为316.5mm：②径向位移（往内、往外）蜂值最终达到30，10mm；③张拉过程中，应力峰值最大值为210.2MPa，和张拉完成时的应力峰值 207.7MPa相比，应力峰值最大值比张拉完成时的应力峰值仅大1.2%.
图5中心环竖向变形、结构径向变形曲线Fig.5 Vertical deformation of center ringand radial deformation of structure
4结构张拉检测分析
4.1检测设备
4.2检测方法
3）脱架情况记录
表3张拉过程结构变化Table 3 Structural changes during tensioning
图6结构应力峰值曲线Fig. 6 Structural stress peak values
在张弦梁体系施加预应力前，结构刚度小，实际是处于准机构状态.预应力施加过程实际上是结构由准机构变为可承担设计荷载的结构体系过 程.因此，对于预应力张拉施工过程中的结构力学性能进行全过程监控是保证结构施工安全的重要环节和有力措施.经讨论分析，索力、位移作为施工检测对象，并记录结构脱架情况.
结构的位移采用全站仪进行检测.索力通过设置在索头的压力传感器来测得.由于含规的频率法难以精确测定索力，因此同时采用平面外频率法来测定索力，与压力传感器结果相互校核.
1）索力检测压力传感器检测对象：4，10.16，22编号张弦梁的主动张拉点的索力.平面外频率法检测对象：1-24编号张弦梁的索力.
位置为：4 10，16 22编号的张弦梁支座径向位移， 2）关键节点位移检测点张弦桁架变形监控1 4 7，10 13，16 19 22编号张弦梁与中央刚性环上弦的交点以及中央刚性环圆心竖向位移.4，10，16 22编号的张弦桁架上共4个检测点，1 7，13，19编号共8个检测点，中心环圆心1个检测点.具体 分布如图7所示.
在预紧张拉后，即索张拉到25%等效预张力的时候，切断中央剧性环支撑短柱，记录中央刚
1 第2阶段 第3阶段批次 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4中央附性 环竖向位 43.3 68.7 94.0 119.2 144.5 169.7 194. 7 219.4 243. 9 268.3 292. 6 316.5/mm应力/MPa 最大等效 88.3 107.4 119.7 114.8 132.2 151.1 164. 7 160.8 175. 9 195. 1 210.2 207.7
性环是否脱架.在完成第一阶段张拉，即索张分析方法和施工仿真模拟方法.采用特征值屈曲 拉到50%等效预张力，切断钢柱内、外支撑的短柱，分析和非线性屈曲分析的基本理论，找出异形钢柱支撑的轮辐式张弦梁结构的薄弱构件，并针对提高结构的稳定性方面提出了几点建议.本文对九龙湖体育馆安装方案和安装路径进行了比选，并通过有限元软件分析定量地证明了所选施工方案的安 全合理性.同时模拟分析张拉施工过程，比选并确定了张拉方案.最后进行了项目现场实地检测，将检测结果与理论分析结果进行对比，证明新型轮辐式张弦梁的理论分析方法和结果的正确性与可靠性及施工方案的合理性.由于本文的仿真分析针 对的是施工阶段的稳定性分析，存在一定的局限性，接下来的研究可扩展到结构服役期的稳定性分析.如何在有限元分析中模拟施工误差的积累是后面的研究所值得探讨的.
记录钢柱是否脱架.
图7张弦梁位移测点布置Fig.7Beam string displacementmonitoring points arrangement
参考文献：
4.3检测结果分析
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测，包括：压力传感器索力检测、中央刚性环竖向位 随现场拉索张拉施工，进行了5方面的施工检移、外环梁径向位移、平面外频率法索力检测、脱架情况记录.
在各张拉阶段，索力实测值和理论值误差绝大多数控制在-10%~10%内，极少数情况超过 -10%~10%，且发生在第2张拉阶段.张拉到第3阶段后，索力实测值与理论值吻合较好.说明经过前几个阶段的张拉后，索力经重分布向着设计预期状态发展，张拉过程与设计预期基本一致.
值为275mm，相对理论值298.4mm的误差为8%， 位移检测结果分析中，中央刚性环圆心的实测且实测值偏小.结构径向位移实测值比理论值偏大，但接近理论值.平面外频率法和压力传感器所测得的索力实测值与理论值相比，基本都在-10%一步说明，平面外频率法所测结果是可靠的. ~10%之内，说明2种方法所测得的结果也相近，进
总之，检测结果分析以及误差分析说明检测结果和理论分析结果相符，证明新型轮辐式张弦梁的理论分析结果的正确性，理论分析方法的可靠性. 进一步说明拉索张拉阶段、屋面板施工阶段结构是安全可靠的，施工方案是合理的.
5结语
结合东南大学九龙湖体育馆，运用大型有限元软件ANSYS，对结构异形钢柱支撑的轮辐式张弦梁 结构进行稳定性、施工方案优化、施工检测方面的分析和研究.以现有理论为基础，对轮辐式张弦梁结构的计算模型和分析理论进行了概括和总结，得到了实用的异形钢柱支撑的轮辐式张弦梁结构的
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