新中国大跨空间钢结构的应用与应用

《大跨空间钢结构的应用与应用》在钢结构中施加预应力，可节省用钢量，提高结构安全，实现大跨度和大空间建筑。东南大学土木工程学院郭正兴教授作为第一完成人的《大跨空间钢结构预应力施工技术研究与应用》项目，针对预应力施工关键技术，历经十余年坚持产学研结合，以施工分析、施工装备和施工方法的关键技术创新为核心，集成了大跨空间钢结构预应力施工成套技术。目前，该项目研究成果应用于60多项大型工程，所涉及的建筑类型和结构形式多、地域辐射面广，其中多个工程堪称国内外最大规模。为此，特邀撰文，以飨读者。

《大跨空间钢结构预应力施工技术研究与应用》项目介绍

 1项目背景

在国内外体育中心、会展中心、轨道交通车站和机场候机楼等大跨度场馆钢结构工程中，施加预应力是节省用钢量、提高重要公共建筑结构安全性和实现轻盈大跨度跨越的主要手段之一。预应力钢结构施工不同于预应力混凝土，更需要对复杂空间钢结构设计与施工紧密一体化分析和施工技术进行创新。通过调研，国内外高校和研究单位对预应力钢结构的理论分析和设计研究较多，但对直接解决工程应用的预应力施工技术系统研究甚少，其核心技术基本上掌握在国外为数不多的专业施工公司手中。

回顾我国土木建筑工程预应力技术发展，20世纪80、90年代的攻关研究和推广应用的热点集中在大跨度预应力混凝土框架和大面积楼面上，只有少量简单的预应力钢构件。进入21世纪，大跨度场馆开始大量兴建，迎来了大跨空间预应力钢结构的蓬勃发展和应用，也带来了亟待解决的关键技术难题：一是缺少结合复杂预应力空间钢结构的具体施工

工艺，能跟踪建造全过程的完整施工分析系统；二是原有用于混凝土结构的预应力施工装备已不适用，缺少相应的预应力钢结构的施工装备；三是缺少对应于形式多样和结构复杂的建筑工程预应力钢结构的施工方法。

《大跨空间钢结构预应力施工技术研究与应用》以东南大学为首，联合中国建筑股份、中建工业设备安装、中建六局、中建二局、中建钢构、上海宝冶集团，产学研结合，历时十余年的技术攻关和多项重大工程应用，攻克了建造大跨空间预应力钢结构的关键技术难题，以预应力施工分析、施工装备和施工方法为集成创新点，形成了具有我国鲜明特色的张力结构（如索网、索桁架、索穹顶等）和杂交结构（如张弦梁/桁架/网格、斜拉网格、弦支穹顶等）等大跨空间钢结构的预应力施工综合技术创新体系，自主研发和自主施工，其成果已成功应用于全国20个省市自治区的60多项大型场馆工程，有多项超大跨度工程达到了国际领先水准，实现了建筑工程钢结构行业中预应力钢结构的跨越式发展。

 2主要科技创新

 2.1建立了完整的大跨空间钢结构预应力施工分析系统

预应力钢结构工程施工需要相应的基于施工分析的理论支撑，其地位等同于结构设计分析。国外预应力钢结构工程由为数不多的超大型集团公司（如日本的横河桥梁公司）或专业公司（如美国盖格顾问公司）施工，由于涉及市场的垄断及技术的保密性，所见的具有可操作性的施工分析理论和方法论文极少，也是国内20世纪90年代后期起步施工我

国大跨预应力钢结构工程所碰到的困惑和技术壁垒。

通过近十年的摸索研究和众多大型复杂工程实践，取得了预应力钢结构施工理论分析的实质性突破，理顺了预应力施工分析流程脉络，建立了我国完整的并具有鲜明特色的大跨空间钢结构预应力施工分析系统，包含了用于建立精确分析模型的索段有限元折线模型和设计初始态找力分析；用于确定施工技术参数的施工初始态环境温度影响分析、安装零状态找形分析、施工过程分析以及刚构焊接变形分析；用于施工质量和安全控制的施工控制项目允许偏差和主控项目判定、拉索制作参数等，并基于ANSYS通用分析软件平台开发了系统的分析程序（见图1）。该集成创新的施工分析理论和方法体系经多个重大工程验证，具备了可操作性和实用性。

1）为精确掌握张拉成形前大垂度拉索的施工状态，并便于在索段内施加外载，提出了“索段折线模型的折线数估计公式和初始几何迭代算法”：索段折线模型的直接参数为折线数量和初始几何（内节点坐标），以索的基本平衡微分方程和平衡条件为基础，提出了满足既定计算精度的折线数估计公式，并根据不同已知条件（索力或无应力索长）确定初始平衡态下内节点坐标的数值迭代公式和方法，实现了在既定精度要求下索线重和初始预张力在折线初始几何上满足初始平衡态。该方法解决了拉索在大垂度状态下牵引安装过程的计算分析难题。

2）为合理确定拉索初始预应力，提出了“椭圆形弦支穹顶预应力确

定的自平衡逐圈确定法”：通过自平衡体系的特点和下部索杆体系的布置圈数，将弦支穹顶从内圈向外圈分解为若干个相对独立的自平衡体系，然后根据每个自平衡体系的支座水平反力为零的原则，从内圈向外圈依次确定各圈拉索的预应力值。该方法同样适用于圆形弦支穹顶。该分析方法实际解决了两个国际上最大直径双层和单层椭圆弦支穹顶钢网壳的预应力施工技术难题。

3）预应力钢结构在拉索等效预张力和结构自重共同作用下达到初始平衡态，必须通过找力分析来确定等效预张力值，使施工分析既符合设计对初始态的要求又符合施工方案。结合该要求，提出了“增量比值法、定量比值法、补偿法和退化补偿法找力分析的迭代公式以及各方法的特点和在不同结构中的适用性”，并将稳定收敛的退化补偿法和快速收敛的增量比值法进行优势互补，提出了“混合退化补偿的增量比值法”（简称“混合法”）。在不同结构形式的找力分析中，验证了各方法的适用性以及混合法的优越性。该分析方法解决了多个预应力钢结构工程需要找力分析的施工技术难题。

4）预应力钢结构实际施工中环境温度Tc难以与设计基准温度Ts一致。要实现基准温度下的设计初始态，需确定施工环境温度下的施工初始态。提出了”迭代正算法”，以基准设计初始态索力为目标，在找力分析中增加温变荷载（ΔTs＝Ts－Tc）来确定拉索施工等效预张力Pc，在Pc和结构自重共同作用下的平衡态即为施工初始态。这一分析方法为我国南至海南、北至哈尔滨等城市不同地域和不同季节温度条件下拉索施

工奠定了基础，也解决了施工过程中与此相关的技术难题。

5）为使结构中的关键构件在预应力张拉变形后的位形达到与设计图纸一致，必须据此确定结构的安装位形，即零状态找形。结合该要求，提出了“索杆系子结构零状态找形方法”：杂交结构中的刚构按设计图纸安装，而索杆系按子结构零状态找形结果安装，解决了多种杂交结构中索杆系安装位形技术难题。

6）对于仅由拉索和压杆构成的柔性张力结构（如索穹顶、索网、索桁架等）在牵引提升和张拉过程中存在超大位移，且包含机构位移和拉索松弛，常规的非线性静力有限元难以求解。国际上首次提出了“确定索杆系静力平衡状态的非线性动力有限元法”：通过引入虚拟的惯性力和粘滞阻尼力以及系列分析技术，建立整体结构的非线性动力有限元方程，将难以求解的静力问题转为易于求解的动力问题，并通过迭代更新索杆系位形，使动力平衡状态逐渐收敛于静力平衡状态。该方法很好地解决了存在超大位移和机构位移的索杆系施工全过程跟踪分析技术难题，通过多个索网、索桁架以及索穹顶工程的实践验证了其适用性和实用性。

7）对于由索杆系和刚构组成的杂交结构，提出了“基于拉索等效预张力的正算法”，该方法结合找力分析、找形分析和施工环境温度影响分析的研究成果，并考虑支撑与刚构的非线性接触、先后张拉批索力相互影响、施工临时结构体系转换、结构几何非线性等，分析过程与施工过程完全一致，能准确跟踪施工中结构状态路径。