大跨度预应力张弦钢楼梯施工过程仿真分析与应用

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1、大跨度预应力张弦钢楼梯施工过程仿真分析与应用中亿丰建设集团股份有限公司摘要：为满足建筑大跨结构美观轻巧的要求，苏州广播电视总台现代传媒广场项目采用了张弦钢楼梯的形式。经分析，张弦钢楼梯内力在预应力张拉过程中呈动态变化，且施工过程受力与最终成型状态差异很大，最不利状态有可能发生在施工过程中。基于此，应用了MIDAS有限元软件对整个张拉过程进行仿真，验证了施工过程的安全、可靠。关键词：预应力;张弦钢楼梯;施工过程;仿真分析;作者简介:满建政(1985—)，男,硕士，工程师。通信地址:江苏省苏州市相城区澄阳路88号(215131)。收稿日期：2017-08-08Simu

2、lationAnalysisandApplicationofLong-SpanPrestressedOpenChordSteelStairConstructionProcessMANJianzhengXULinZhongyifengConstructionGroupCo.，Ltd.;Received：2017-08-081工程概况本工程为苏州广播电视总台现代传媒广场项目，工程地处苏州工业园区南施街与苏州大道东交义口，整个项目由2栋L形塔楼组成，塔楼之间以M形户外雨幕相连。首层地面与地下1层的下沉广场之间采用一部钢楼梯相连，该楼梯上下端高差7m、宽度6m，其水平投影

3、跨度为21.3m,为达到建筑效果，要求楼梯在跨度范围内不能再设置梯柱。为了实现大跨度楼梯，同时兼顾到建筑要求并尽量使结构达到轻巧美观的效果，项目采用了预应力交叉张弦梁的楼梯梁形式（阁1、图2）。本钢结构折线形楼梯梁采用箱型截面形式，交义布罝的拉索采用钢拉杆的形式，拉杆与梯梁之间的撑杆由圆管组合而成的平面桁架构成，以上3个部分组成了张弦楼梯梁。为了消除预应力张拉对主体结构的影响，楼梯下端支座采用铰支座，上端采用滑动支座。图1钢楼梯平面布置下载原图2张弦结构特点随着现代建筑美学的发展以及人们对使用功能的要求，现在的结构跨度越来越大，结构形式却耍求越来越轻巧，普通的结构

4、形式已不能满足建筑对空间及美学效果的要求。常规的大跨结构大都采用钢结构，如桁架、网架、网壳等形式，对于超大跨度的建筑，需采用预应力钢结构。预应力钢结构是将现代预应力技术与普通钢结构形式融合在一起形成的一种新型杂交结构。这种结构受力合理，具有材料利用率高、刚度大、自重轻、体形美观等优点，近年来在大跨度公共建筑和工业建筑中应用越来越广泛。张弦结构是从预应力钢结构中发展而来的一种大跨结构形式，它是将上弦刚性受压构件（实腹式梁或桁架）通过撑杆与下弦拉索组合在一起形成自平衡受力体系。通过调整张弦结构中索的预拉力，使结构产生一定的预拱度，可以抵消一部分结构变形。同时由于索的张

5、力作用，撑杆对上部构件有一个弹性支撑作用，故拉索与上部结构刚柔并济、扬长避短，协同工作。图2钢楼梯立面下载原图由于引入丫预应力张拉索，故张弦结构具有柔性结构的特点，根据施工及受力形态，通常将此类结构分为3种状态，即零状态、初始状态和工作状态。零状态即加工放样时的零散构件状态;初始状态即安装就位，张拉完毕时的自重作用下的状态;工作状态即使用荷载作用在初始状态上的受力状态。在这3种受力形态中，初始状态最为重要，预应力的施加直接影响到最终的结构受力状态，而实际施工过程屮很难实现所有索一次张拉到位，通常采取分次、分批、分级的施工工艺，这使得结构形态与受力状态是一个动态变化

6、的过程。传统的设计方法以使用阶段作为对象，不考虑施工过程中构件内力的动态变化，不能反映构件在施工阶段的实际受力状态。构件的最不利受力状态有可能在施工过程中出现，另外，不同的张拉次序对整体结构的影响也不容忽视。因此，在实际施工中，有必要应用有限元分析软件对张弦结构进行施工过程分析，避免结构在施工过程中出现事故并选择出最优的施工张拉方案。3预应力施工过程分析3.1预应力张拉方案选择对普通钢结构而言，构件有主次之分，受力明确，施工时只要搭建临时脚手架或者支撑，将主要构件依次安装就位，再安装次要构件即可，过程比较简单。而对于张弦结构来说，柔性构件张拉后才能与刚性构件形成受

7、力整体，而II张拉过程屮整个结构构件内力随着预应力的施加动态变化，因此选择合理的张拉顺序以及荷载级数对结构能否顺利安装起着至关重耍的作用。目前借助有限元软件可以对施工过程进行全过程模拟，发现张拉过程中的关键问题，并提前采取有效措施。本工程中钢楼梯主要由3榀张弦梁组成，各榀张弦梁通过横向撑杆、次梁以及楼梯梯板连接。施工时首先将3榀梯梁与钢拉杆、侧向撑杆拼装后吊装就位，最后进行预应力施工。根据各种张拉方案的优劣（表1），结合本钢楼梯结构特点与施工经济性，采取先张拉中间榀张弦梁，然后依次张拉边榀张弦梁的方式。单榀张拉时为了保证受力均衡，釆取两级荷载张拉的方式，张拉过程为

8、:钢梁1~