长沙国际会展中心大跨度“人”字形反拱张弦梁施工关键技术

长沙国际会展中心大跨度“人”字形反拱张弦梁施工关键技术

陈德洋;张海军;孙波;李方为;佟立夫

【摘 要】长沙国际会展中心采用“人”字形反拱张弦梁屋盖体系,此类型设计在国

内钢结构屋盖施工中属首例,尚无参考实例.以该反拱张弦梁屋盖体系施工工艺为基

础,从吊装设备选型、仿真模拟计算、张弦梁拼装、张弦梁吊装、预应力双索张拉、

全过程监测等方面介绍“人”字形反拱张弦梁的施工关键技术,可为今后类似工程

提供参考.

【期刊名称】《建筑施工》

【年(卷),期】2016(038)006

【总页数】3页(P730-732)

【关键词】大型展馆;“人”字形反拱张弦梁;预应力双索;施工技术

【作 者】陈德洋;张海军;孙波;李方为;佟立夫

【作者单位】中建三局集团有限公司工程总承包公司 武汉 430064;中建三局集团

有限公司工程总承包公司 武汉 430064;中建三局集团有限公司工程总承包公司 武

汉 430064;中建三局集团有限公司工程总承包公司 武汉 430064;中建三局集团有

限公司工程总承包公司 武汉 430064

【正文语种】中 文

【中图分类】TU756.4+2

1 工程背景

长沙国际会展中心结合山水长沙的城市特色，其展馆屋面沿河成组形成优雅舒展的

反弧形天际线，营造一幅浏阳河边“潇湘水韵”的写意山水画，加强了场馆远处观

看的标识性（图1）。

图1 鸟瞰效果图

为体现会展中心反弧形天际线的建筑美学要求，力求屋面造型尽量简单，展馆屋盖

采用了“人”字形张弦梁，并在其中创新性地引入“反拱下凹”概念。“人”字形

反拱张弦梁屋盖体系系国内首例，一般说来，尽管张弦梁的梁、拱和预应力索可为

空间形状，但结构的整体仍表现为平面受力结构。本文以长沙国际会展中心反拱张

弦梁屋盖体系施工工艺为依托，阐述吊装设备选型、仿真模拟计算、张弦梁拼装、

张弦梁吊装、预应力双索张拉、全过程监测等施工关键技术的应用。

2 工程简介

长沙国际会展中心项目总投资57.8亿元，占地约53.3 hm2，主场馆共设6组12

个单层展馆、6个连接厅，2个登陆厅、内廊及2个入口广场，总建筑面积432

000 m2，室内净展示面积177 500 m2，室外净展示面积85 000 m2。连体展馆

平面尺寸162 m×207 m，屋面钢结构高度18.9～30.9 m。屋盖支承柱沿纵向间

距18 m，横向最大间距100 m。展馆结构体系采用钢管混凝土柱+楼面钢梁+屋

盖张弦梁结构，展馆结构体系三维轴测图如图2所示[1]。

图2 展馆三维轴测图

3 “人”字形反拱张弦梁体系

张弦梁结构是一种由刚性构件上弦、柔性拉索、中间连以撑杆形成的混合结构体系，

其结构组成是一种新型自平衡体系，是一种大跨度预应力空间结构体系，也是混合

结构体系发展中的一个比较成功的创造。长沙国际会展中心展馆屋盖采用了“人”

字形张弦梁，并在其中创新性地引入“反拱下凹”概念，系国内首例。

展馆屋盖体系中部共设置8榀反拱张弦梁，张弦梁外跨100 m，净跨度81 m，支

承于展厅下部两端框架结构柱顶，上弦主梁采用焊接箱型截面，截面尺寸1 600

mm×500 mm×40 mm×100 mm（高度×宽度×厚度），材质为Q345GJB，张

弦梁斜向双坡对称布置，屋盖平均坡度1∶7.75，跨中撑杆高度4.8 m，跨中反拱

下凹高度达到3.5 m。屋盖反拱张弦梁下弦预应力拉索采用并列双索的布索方式，

主要预应力索为GALFAN镀层索，规格为φ97 mm双索（LS-1），LS-1最大初

始预张力为5 500 kN。“人”字形反拱张弦梁剖面如图3所示。

图3 “人”字形反拱张弦梁剖面

“人”字形反拱张弦梁结构体系简单、受力明确，结构形式线条柔和，充分发挥了

刚、柔2种材料的优势，并且制造、运输、施工简捷方便，因此应用较为广泛。

4 反拱张弦梁施工工艺流程

为确保质量，长沙国际会展中心单榀张弦梁箱型主梁及各附属构件均通过工厂加工，

每根张弦梁箱型主梁分为8段在工厂制作，分段分节运输进场，然后在现场进行

对接拼装。每根张弦梁箱型主梁在现场拼接成3个吊装分段，通过支撑胎架进行

支撑，分段吊装到位，并通过流水跟进安装张弦梁间次梁。上弦箱型主梁屋盖部分

吊装并检测合格后，进行张弦梁撑杆及预应力索安装，调试预紧拉索后，根据仿真

模拟计算结果，对张弦梁预应力索的张拉应滞后吊装2榀，逐级进行，并同步监

测张弦梁应力及上升挠度是否与模拟计算结果相符，张弦梁吊装如图4所示[2]。

图4 反拱张弦梁分段吊装示意

5 钢结构超厚钢板焊接技术

展馆张弦梁使用的厚板规格有40、45、55 mm几种，部分采用100 mm超厚板，

材质均为Q345GJB。现场施工条件较为恶劣，100 mm超厚板在现场施工过程中

焊接难度较大，且焊接均为全熔透焊接，如何保证厚板、超厚板焊接质量及效率，

成为本工程需要解决的重要问题，现场焊接成为制约工期的主要因素之一。根据现

场条件，制订科学合理的焊接工艺，针对100 mm超厚板焊接进行焊接工艺评定，

对操作工人进行专项培训并进行焊工考试，考试合格后派专人负责进行超厚板的焊

接施工。另外针对现场拼接100 mm超厚板焊接需增加以下措施：焊前预热、焊

后保温、小电流多层多道焊、施工时搭设焊接防风棚、风力过大时禁止焊接施工等，

如此方可确保现场焊接质量合格。

6 张弦梁分节、拼接、吊装技术

通过以往展馆屋盖施工经验，张弦梁结构施工常用做法为地面拼装、整体提升或滑

移施工。反拱张弦梁本身特点为构件长细比、高宽比大，反拱矢高达5 m，单榀

自身平面外稳定性、刚度较差。整体提升在自重和吊装水平向力作用下会造成屋面

结构产生较大塑性变形，影响结构安全；同时屋面纵向次梁尺寸较小，若提升不同

步容易导致次结构破坏；张弦梁矢高5 m，地面拼装的临时支撑搭设高度较高，

经济性及安全性较差。

结合结构形式、运输条件及现场条件，在张弦梁投影下方约1/3位置搭设门式临

时支撑，配置1台1 500 kN履带吊对张弦梁进行高空分段吊装。反拱张弦梁分段

吊装在预应力拉索张拉施工之前可以对张弦梁有较好的支撑作用，保证梁挠度不超

限，避免张弦梁产生较大塑性变形；在工期紧张时可以多个工作面同时施工，亦可

同步在场馆内形成张弦梁、次梁及拉索屋盖内部流水；同时对供货顺序无严格要求，

索张拉施工后，张弦梁反拱，临时支撑自卸载，可循环利用，经济性及安全性较高

[3]。

7 钢结构可周转可装配式胎架技术

为便于运输，单榀张弦梁根据长度共分为8段在工厂进行加工，现场拼接成3段，

进行分段吊装，吊装单件质量最大为43.5 t。现场通过设置2道胎架，胎架采用

装配格构式临时支承，格构配件采用销钉连接，使胎架可拆卸成直型杆件，便于运

输及更换。

每一组支承位置采用2个临时支承组成门架胎架，临时支承间采用HN200

mm×200 mm连接（图5），结构在屋面次梁安装完成后，进行索张拉施工，张

拉过程中张弦梁向上位移，胎架自行卸载脱胎。

图5 门式组合支承胎架示意

8 反拱张弦梁预应力双索张拉技术

张弦梁下弦索采用预应力双索布置，考虑上弦钢构下凹，为保证拉索张拉时上弦钢

梁的侧向稳定性，拉索张拉在张弦梁吊装、检测（含纵向次梁）完成后方可进行。

且同步考虑到张拉向上挠度对相邻跨的影响，张拉需滞后张弦梁吊装至少2榀。

拉索安装前，先测量索端实际距离，以考虑结构安装偏差，调整索长；且工厂里拉

索在初始预张力条件下，按照有应力长度进行生产，并在索体表面标记索夹位置→

拉索运输至现场→开盘放索→安装撑杆和索夹→测定撑杆节点安装偏差→按照索体

表面的标记，并考虑撑杆节点安装偏差，调整各索段长度后，安装拉索→索夹固定

索体→预紧拉索[4]。

本工程双索非常靠近，需要特别制作张拉工装（图6）（并与锚固节点构造配合），

保证在一个张拉点上，同时对双索分级、同步、对称、精确施加张拉力，以确保双

索预应力一致，保证反拱张弦梁平面外稳定性。

图6 预应力双索同步张拉工装

9 反拱张弦梁施工监测技术

张弦梁施工过程中主要监测时段为预应力索张拉过程，需对索力和关键节点位移进

行监测。索力监测主要采用无线频率计，拉索的振动频率与其索力存在对应关系，

通过频率计现场测定拉索的振动频率，然后分析其索力值。张弦梁变形监控分别对

四分点的竖向位移和支座水平位移采用全站仪根据分级张拉力进行连续监测。

10 钢结构仿真计算模拟技术

本工程施工前采用大型通用有限元软件ANSYS，考虑结构具有双重非线性（几何

非线性和材料非线性），计算考虑几何大变形和应力刚化效应。

展馆张弦梁屋盖体系跨度大，屋盖体系在施工过程中变形复杂，为确保屋盖施工完

成后纵向在同一标高及坡度，施工工况工程中结构安全及变形的动态监控分析，深

化设计阶段需对屋盖结构体系进行施工全过程仿真模拟计算，张拉成型后屋盖在拉

索张力作用下产生反拱，最大反拱位移为122.13 mm。

根据设计院提供的“初始预应力”对拉索先进行找力分析，找力完成的结构达到结

构自重初始态，即整体结构安装且张拉完成、拆除临时支撑后的状态。从而对张弦

梁在深化设计阶段对矢高、弧度进行下料修正，以确保在张拉位移稳定后达到初始

预应力状态[5]。

11 结语

长沙国际会展中心“人”字形反拱张弦梁屋盖体系系国内首例，工程施工过程中无

类似施工经验，除考虑安全性、经济性及工期等因素外，还综合考虑了此创新性结

构形式的工况受力、变形的复杂性，科学、快速、有效地解决了该结构体系的施工

难题，满足了项目工期要求，保证了施工质量，减少了资源、设备的投入，也达到

了设计要求，为后续类似结构体系工程的施工提供了参考和借鉴。

〖参考文献〗

【相关文献】

[1]游小华,吴美琴.张弦梁的结构特点和研究[J].江西科学,2005(6):760-763.

[2]白正仙,刘锡良,李义生.新型空间结构形式:张弦梁结构[J].空间结构,2001(2):33-38.

[3]孙文波.广州国际会展中心大跨度张弦梁的设计探讨[J].建筑结构,2002(2):54-56.

[4]刘开国.大跨度张弦梁式结构的分析[J].空间结构,2001(2):39-43.

[5]杨睿,董石麟,倪英戈.预应力张弦梁结构的形态分析:改进的逆迭代法[J].空间结构,2002(4):29-35.