自錨式懸索結(jié)構(gòu)在大跨度屋蓋中的應(yīng)用研究

何靜

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

0 引言

近年來，大跨度鋼結(jié)構(gòu)以其結(jié)構(gòu)形式的多樣性、空間組合的靈活性等優(yōu)點(diǎn)，在大型公共建筑中得以廣泛應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)空間的需求越來越高，建筑物的跨度將越來越大，懸索結(jié)構(gòu)憑借其自重輕、施工簡(jiǎn)單、造型優(yōu)美靈活、經(jīng)濟(jì)性及對(duì)跨度適應(yīng)性較強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)，已成為目前城市大跨度鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的重點(diǎn)。

懸索結(jié)構(gòu)歷史悠久，古代帳篷式的住屋便是懸掛屋蓋的雛形，而懸索結(jié)構(gòu)最早則是應(yīng)用在橋梁工程中。我們的祖先早在一千多年前，就運(yùn)用竹索、鐵鏈建成了跨越河谷的竹索橋，而隨著鋼材的發(fā)展，現(xiàn)代化的大跨度懸索橋應(yīng)運(yùn)而生。懸索結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用，也是得益于懸索橋的啟示，但起步較晚，自上世紀(jì)中葉，懸索屋蓋才真正在建筑中興起。由于懸索結(jié)構(gòu)易于表現(xiàn)建筑造型，可用于不同的建筑平面，同時(shí)當(dāng)鋼索與其它材料或其它結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行組合時(shí)，能夠形成性能良好的組合空間結(jié)構(gòu)體系，故懸索式屋蓋在大跨度結(jié)構(gòu)中應(yīng)用越來越廣泛。而自錨式懸索結(jié)構(gòu)又以其自身獨(dú)有的特點(diǎn)，慢慢發(fā)展起來。

1 自錨式懸索結(jié)構(gòu)的概念

自錨式懸索結(jié)構(gòu)首先是在橋梁中提出的，這種結(jié)構(gòu)省去了兩側(cè)巨大的錨錠，直接將主纜固定在主梁的兩側(cè)，主纜產(chǎn)生的水平力直接由主梁來平衡，如圖1所示。

圖1 自錨式懸索橋組成示意圖

相比傳統(tǒng)的地錨式懸索結(jié)構(gòu)，自錨式懸索結(jié)構(gòu)更加輕盈、靈活，但由于主梁需要附加承受拉索的巨大水平拉力，對(duì)其剛度要求更高，對(duì)主梁截面尺寸要求更大，所以該結(jié)構(gòu)通常使用在跨度不大，受荷較小的情況下。在橋梁領(lǐng)域一般主要用于城市中的橋梁。

但是對(duì)于建筑工程而言，懸索結(jié)構(gòu)主要用于其屋蓋體系，荷載主要有屋面板傳來的荷載、結(jié)構(gòu)自重及風(fēng)荷載，并無車輛行人等荷載，較橋梁受荷小的多，往往跨度也不像橋梁結(jié)構(gòu)跨度那么大，同時(shí)一般都建造在人群密集的地方，空間限制大，通過前面對(duì)自錨式懸索結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)分析可以看出，將自錨式懸索結(jié)構(gòu)用于屋蓋結(jié)構(gòu)體系中，是一個(gè)很好的選擇。

2 自錨式懸索結(jié)構(gòu)的組成及受力特點(diǎn)

2.1 自錨式懸索結(jié)構(gòu)的組成及受力特點(diǎn)

自錨式懸索結(jié)構(gòu)在屋蓋中的組成基本同橋梁，主要是由拉索、自錨桿件及豎向支承構(gòu)件組成的，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單。

⑴拉索：是懸索結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件，承受屋面?zhèn)鱽淼暮奢d、風(fēng)載及自重，主要承受拉力，可分為豎向分力和水平拉力。自錨結(jié)構(gòu)的拉索錨固在自錨構(gòu)件的兩端，通過錨固點(diǎn)將拉索的水平拉力傳遞給自錨構(gòu)件。

⑵自錨構(gòu)件：顧名思義是錨固拉索，承受其水平拉力的構(gòu)件，其常用形式有桿件和梁等，主要在受到拉索傳來的水平拉力下，產(chǎn)生壓力。在橋梁工程中往往使用橋梁自身作為錨固構(gòu)件，設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)橋梁需多考慮拉索產(chǎn)生的水平反力即可。而對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)而言，通常需專門設(shè)計(jì)自錨構(gòu)件，作為拉索的錨固體。自錨構(gòu)件為水平受力構(gòu)件，若單獨(dú)采用簡(jiǎn)單的梁或桿，為避免失穩(wěn)，其長(zhǎng)細(xì)比受到限制，若拉索傳來的水平拉力過大，僅使用簡(jiǎn)單的桿件或梁易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，跨度越大，這種破壞就越明顯。故工程中常采用剛度較好的結(jié)構(gòu)形式做自錨構(gòu)件，如鋼桁架結(jié)構(gòu)。當(dāng)然在設(shè)計(jì)時(shí)，還需考慮結(jié)構(gòu)凈空高度的要求以及同另一方向共同考慮荷載傳遞的要求等。

⑶豎向支承構(gòu)件：自錨結(jié)構(gòu)的豎向支承構(gòu)件常采用支承柱形式，主。，要用于支承拉索，傳遞其產(chǎn)生的豎向荷載并將其傳給基礎(chǔ)，可使用鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)，下部通常錨固在基礎(chǔ)里。

2.2 自錨式懸索結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)

通過以上對(duì)自錨式懸索結(jié)構(gòu)的組成和受力特點(diǎn)的分析，可見將自錨式懸索結(jié)構(gòu)應(yīng)用于屋蓋結(jié)構(gòu)體系中的優(yōu)勢(shì)是不言而喻的，總結(jié)如下：

⑴無需設(shè)置截面尺寸較大的邊緣構(gòu)件或錨索及地錨，施工簡(jiǎn)單，同時(shí)相對(duì)地錨式懸索結(jié)構(gòu)對(duì)周圍空間要求低，更適合在繁華的、人口密集的城市地區(qū)建造，這符合建筑工程地域性的特點(diǎn)；

⑵由于拉索水平拉力由結(jié)構(gòu)內(nèi)部的錨桿承受，無需笨重的影響結(jié)構(gòu)造型的錨固體，所以自錨式懸索結(jié)構(gòu)的造型更加輕巧，靈活多樣，易滿足建筑藝術(shù)審美方面的要求。

⑶自錨構(gòu)件本身屬于大跨度平面結(jié)構(gòu)，跨度越大對(duì)其設(shè)計(jì)要求越高，而拉索將其強(qiáng)大的水平拉力反作用于自錨構(gòu)件上，相當(dāng)于對(duì)其施加了預(yù)應(yīng)力，有利于實(shí)現(xiàn)其大跨度，同時(shí)節(jié)省了施加預(yù)應(yīng)力的設(shè)備。

由于自錨構(gòu)件承受較大的軸向壓力，所以在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，構(gòu)件的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)很重要，同時(shí)需考慮到結(jié)構(gòu)內(nèi)部?jī)艨崭叨群驮煨偷囊?，故?duì)自錨構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求較高。由于自錨構(gòu)件是水平構(gòu)件往往在安裝過程中需搭設(shè)胎架，這就增加了胎架安裝和拆卸時(shí)間及成本，同時(shí)要保證在施工過程中胎架的安全穩(wěn)定。但是，這些相比對(duì)邊緣構(gòu)件或拉索和地錨的設(shè)計(jì)和施工成本而言，還是具有經(jīng)濟(jì)合理性的。當(dāng)然相對(duì)于以上缺點(diǎn)，自錨式懸索結(jié)構(gòu)憑借其施工簡(jiǎn)單、造型輕巧靈活、對(duì)周圍空間要求低等方面的優(yōu)勢(shì)在建筑領(lǐng)域是很具有發(fā)展前景的一種懸索結(jié)構(gòu)體系。

3 自錨式懸索結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

自錨式懸索結(jié)構(gòu)屬于懸索結(jié)構(gòu)中的一種結(jié)構(gòu)形式，所以對(duì)懸索結(jié)構(gòu)施工階段的關(guān)鍵技術(shù)均適用于該結(jié)構(gòu)體系，故本文中研究的施工關(guān)鍵技術(shù)主要針對(duì)自錨體系與傳統(tǒng)懸索結(jié)構(gòu)不同的地方。

3.1 自錨式懸索結(jié)構(gòu)施工工藝流程

施工前，首先應(yīng)確定結(jié)構(gòu)的施工順序，施工順序的合理性直接決定著結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全性。

自錨式懸索結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式不同，需先施工豎向構(gòu)件及自錨構(gòu)件，再安裝拉索并進(jìn)行張拉，在安裝自錨構(gòu)件時(shí)由于橫跨整個(gè)結(jié)構(gòu)跨度，往往需支設(shè)胎架。自錨式懸索結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)施工工藝流程詳見下圖2所示。

圖2 自錨式懸索結(jié)構(gòu)施工工藝流程圖

當(dāng)然，以上提出的施工工藝流程，只單獨(dú)針對(duì)自錨式懸索結(jié)構(gòu)體系自身的施工順序。而在屋蓋結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)時(shí)除輪輻式造型外，結(jié)構(gòu)的受力往往是兩個(gè)方向的，主次結(jié)構(gòu)施工時(shí)會(huì)相互影響，尤其在預(yù)應(yīng)力施加時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響很大，若單純的將兩個(gè)方向的結(jié)構(gòu)分開施工，往往會(huì)無法滿足設(shè)計(jì)要求或使結(jié)構(gòu)在施工過程中破壞。那么，自錨式懸索結(jié)構(gòu)的施工，往往需配合另外一個(gè)方向的結(jié)構(gòu)及屋面系統(tǒng)的特點(diǎn)綜合考慮。通常會(huì)兩個(gè)方向結(jié)構(gòu)安裝施工、預(yù)應(yīng)力施加和屋蓋體系的施工穿插進(jìn)行，以保證結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。但對(duì)于自錨式懸索結(jié)構(gòu)自身而言，由于其受力特點(diǎn)所決定，一定是先施工自錨構(gòu)件，再安裝拉索及張拉的。

3.2 自錨構(gòu)件施工關(guān)鍵技術(shù)

自錨式懸索結(jié)構(gòu)拉索的水平拉力由自錨構(gòu)件承受，自錨構(gòu)件作為受壓構(gòu)件，需滿足其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求。在設(shè)計(jì)時(shí)，往往只考慮設(shè)計(jì)階段，即結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力后成型階段自錨構(gòu)件的安全性。而自錨構(gòu)件本身屬于大跨度結(jié)構(gòu)，其施工又先于拉索施工，所以施工時(shí)應(yīng)按大跨度結(jié)構(gòu)施工來考慮。

⑴自錨構(gòu)件的施工方法

自錨式構(gòu)件通常設(shè)計(jì)為平面體系，所以施工時(shí)根據(jù)構(gòu)件自身特點(diǎn)和施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，常采用高空散裝法或整體吊裝法。

高空散裝法是先在地面搭設(shè)臨時(shí)支架，再用起重設(shè)備將桿件（或小拼單元）吊至相應(yīng)的設(shè)計(jì)位置，然后在已搭設(shè)的臨時(shí)支架上拼裝成整體的結(jié)構(gòu)安裝方法。而整體吊裝法是將結(jié)構(gòu)在地面拼裝成型或在工廠預(yù)制成型運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)后直接采用起重設(shè)備進(jìn)行吊裝就位的施工方法。由于跨度大、中間無其他構(gòu)件支撐，提前也沒有施加預(yù)應(yīng)力，所以不論采用何種方法，對(duì)自錨桿件的施工，都需搭設(shè)臨時(shí)支架，來保證施工和支撐自錨構(gòu)件。這與傳統(tǒng)懸索結(jié)構(gòu)施工時(shí)無需搭設(shè)臨時(shí)支架的特點(diǎn)不同。

⑵拉索張拉施工對(duì)自錨構(gòu)件的影響

自錨構(gòu)件安裝完成后，將進(jìn)行拉索的安裝和張拉工作，拉索就位后先臨時(shí)固定，然后進(jìn)行張拉，隨著施加預(yù)應(yīng)力的增大，自錨構(gòu)件受到的壓應(yīng)力也逐漸增大。這個(gè)過程相當(dāng)于給自錨構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力的過程，除了將拉索受到的水平拉力傳給自錨構(gòu)件外，自錨構(gòu)件受到預(yù)壓應(yīng)力產(chǎn)生向上的豎向位移，使其慢慢地脫離胎架，若施工方案合理，往往拉索達(dá)到其設(shè)計(jì)索力值時(shí)，自錨構(gòu)件將完全脫離胎架，使胎架無需專門卸載，比一般大跨度結(jié)構(gòu)施工工藝簡(jiǎn)單。也是由于拉索張拉時(shí)使大跨度自錨構(gòu)件產(chǎn)生了預(yù)應(yīng)力，則可實(shí)現(xiàn)更大的跨度?？梢姡魇┕づc自錨構(gòu)件能實(shí)現(xiàn)大跨度是相輔相成的，沒有自錨構(gòu)件拉索無法成型、預(yù)應(yīng)力無法傳遞，而若沒有拉索產(chǎn)生的水平拉力，自錨構(gòu)件也無法實(shí)現(xiàn)大跨度。

根據(jù)以上分析可知，在對(duì)自錨體系拉索張拉的過程中，除需保證拉索自身的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題外，還需保證自錨構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，同時(shí)需考慮胎架在整個(gè)施工過程中的安全問題。

4 結(jié)語

自錨式懸索結(jié)構(gòu)體系相比傳統(tǒng)的懸索結(jié)構(gòu)在水平反力處理時(shí)采用簡(jiǎn)單的自錨構(gòu)件代替?zhèn)鹘y(tǒng)笨重的邊緣構(gòu)件或錨索及地錨承受拉索水平反力，其受力特點(diǎn)決定了其在建筑工程中的應(yīng)用前景不容小覷。文中僅對(duì)自錨式懸索結(jié)構(gòu)的施工工藝流程及自錨構(gòu)件的施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，而對(duì)這種新型結(jié)構(gòu)體系找形分析還有待進(jìn)一步研究。