张弦梁结构体系是一种大跨度预应力空间结构体系，是一种自平衡的混合结构受力体系。该受力体系是通过中间撑杆与下弦拉索将上弦(刚性构件)、拉索(柔性构件)联系在一起，是混合结构发展过程中一个比较成功的受力体系。

　　 装配式大跨径木质张弦梁结构相对于刚性张弦梁结构而言，具有整体抗侧刚度弱、稳定性差、节点构造复杂、受力复杂、施工难度大等显著技术难点。同时，施工方需依据设计方提供的安装施工完成时的索力和形状(施工完成态)完成仿真模拟和数值计算，得到施工开始时结构的形态(施工初始态)，判断木结构安装施工完成后及索张拉后是否满足索力和形状的要求(施工完成态)。施工方也需依据数值模拟计算的结果实时监控安装施工过程中索力及结构形状的变化，及时对结构纠偏，确保索力和形状(施工完成态)满足设计方要求。

　　 本文依托工程项目，着重对装配式大跨径木质张弦梁结构张拉过程监测、张拉过程受力分析等方面进行阐述，模拟了动态安装施工过程和实时索力监控等施工关键技术。该工程不仅满足了设计对建筑外形的要求，而且实现了建筑功能，同时作为精品工程增加了社会效益，对促进大空间木结构施工领域技术进步和管理水平提高具有十分重要的意义。

　　 浙江大学国际联合学院(海宁国际校区)一期工程综合体育馆是由上部钢结构屋盖和下部混凝土结构组成的大型体育场馆。整体建筑呈结构对称布置，一侧为训练馆，一侧为游泳馆，中间采用大跨径木质张弦梁连接为整体。整体建筑立面如图1所示。

　　 该综合体育馆上部张弦梁结构的建筑面积约为2 041m²,1层，木拱顶部结构标高为19.170m，为5榀木质张弦梁结构，跨径达45.6m，每榀间距9m，本工程跨径及间距为国内罕见的装配式木质张弦梁结构。张弦梁结构由上部张弦梁段、下部拉索1、中间斜向撑杆1、中间斜向撑杆2及拉索2组成。上部张弦梁结构支承于预留的混凝土柱牛腿上，牛腿结构标高14.950m。牛腿一端设置固定盆式橡胶支座，一端为单向活动盆式橡胶支座。橡胶支座与顶部销轴、下部预埋板通过施加周围焊缝连接为整体。张弦梁结构如图2所示。

　　 每榀木质张弦梁结构由6段强度等级为TCT24的同等组合花旗松层板胶合木木梁组成，每两段木梁之间通过30mm厚Q235B钢材的连接板与8.8级M30普通螺栓连接而成。木结构选材为花旗松层板胶合木，结构设计安全等级为二级，使用年限为50年。分段标高对称分别位于17.436,18.748,19.170m位置处，结构中间部位有2个材质为Q235B的斜向撑杆2与拉索1通过索头连接，连接节点如图3所示。

　　 张弦梁下弦拉索及平面内交叉支撑拉索采用国产带PE护套平行钢丝束拉索，破断强度1 570MPa，索设计承载力<0.5f_ptk，国产平行钢丝束拉索弹性模量取1.9×10⁵MPa，按DG/TJ 08-019—2005《建筑结构用索应用技术规程》选用。

　　 目前装配式大跨径张弦梁结构施工通常有2种方案:(1)方案1大跨径张弦梁段先在地面拼装为整体，以榀为单元进行吊装，待吊装就位安装次梁等附属构件后，张拉拉索至设计值，完成结构安装;(2)方案2在大跨径张弦梁段吊装就位，在高空中散件组装拼接成1榀大跨径张弦梁结构，分次完成每榀张弦梁结构的吊装，待次梁等附属构件全部安装完成后，对拉索进行张拉。

　　 方案1相较于方案2简单、安全风险小、无须搭设胎架、工程造价低，但由于装配式大跨径张弦梁结构侧向刚度小且每榀张弦梁结构之间无连系，易出现平面外失稳等情况。方案2在高空安装、需搭设胎架、张拉时结构形成体系，需克服整个屋面自重，因此，方案2的张拉力较大，张拉作业强度及难度也相应较大。

　　 本工程采用有限元方法进行力学分析与计算，辅助结构施工方案的选型。取单榀桁架，用SAP2000模拟计算，单榀张弦梁在第1～4模态均为平面外失稳，至第5模态才呈现平面内失稳。而在实际施工过程中，张拉完成起吊时的动力效应和吊装过程中结构偏心带来的侧向扰动会超过仿真模拟预估数值。方案2在张拉施工时已完成拼装的次梁等附属构件可约束每榀张弦梁结构，更利于结构的侧向稳定。综上计算结果，本工程选用方案2。

　　 本工程采用非线性有限元方法建立装配式大跨径张弦梁结构的三维动态施工模型，进行施工仿真时程分析时考虑柔性构件拉索的大变形特点。根据施工方案中安装顺序，张弦梁结构有限元模型中部分结构单元(如某榀张弦梁的吊装完成)被激活，部分结构单元(如拆除临时支撑)被钝化。同时，根据施工方案中拉索的张拉顺序和张拉荷载，张弦梁结构承受的施工荷载(如拉索不同时刻的张拉力)也被更新。由于张弦梁结构中柔性结构拉索的几何非线性特点，不同的施工方案对应的施工仿真模拟的结果也不同，说明非线性结构具有路径相关性。本工程采用非线性有限元方法仿真结果指导张弦梁结构的安装施工过程，选择合理的安装施工方案，确定柔性构件拉索张拉的力度和加载阶次，符合PDCA项目管理方法中对预先计划的要求。

　　 张弦梁结构安装施工过程实时监控原理是依据数值模拟计算的结果对安装施工过程中张弦梁结构的关键点进行信息化实时监测，对拉索的索力及结构形状的变化及时进行纠偏，符合PDCA项目管理方法中对过程监测及纠偏的要求。

　　 选取典型张弦梁，每榀测试张弦梁上弦跨中及4个跨度较大处截面，测试该5个截面上、下表面在施工过程中的应变，采用的测试设备是振弦式应变计及配套测试设备。振弦式应变计采用的是振弦理论设计、全不锈钢制造，具有灵敏度与精度高、线性与稳定性好等优点。该应变计的工作原理是将构件表面或内部的应变换算成钢弦的工作频率变化从而得到测量结果。

　　 振弦式应变计的测量采用频率模数f来度量，其定义为:

　　 式中:f为钢弦振动频率;L为钢弦长度;ρ为钢弦密度;σ为钢弦所受的张拉应力。

　　 振弦式应变计所承受的轴向应变与钢弦振动频率变化的平方成正比，计算公式为:

　　 式中:ε为应变量;K为标定系数;f为钢弦振动频率。

　　 式中:ε_t为t状态时应变量;ε₀为0状态时应变量。

　　 建立三维动态模型→以备选施工方案进行非线性时程分析→各方案结构关键点位移及索力的仿真时程分析→与设计方提供的结构形状及索预应力对比，优选施工方案→依据最优施工方案确定结构起拱量，指导木结构深化设计→依据深化设计图进行构件制作→依据最优施工方案进行木结构安装→实时监控结构关键点位移及索力，并与仿真结果作对比→依据对比结果，调整索张拉的力度和顺序，及时进行纠偏→达到预定结构形状及索预应力，结构安装完成。

　　 由于装配式大跨径木质张弦梁结构为空间结构受力体系，具有结构整体受力的特点，因此施工模拟计算模型需建立三维整体有限元模型进行计算和分析。首先用Auto CAD绘图软件或BIM软件建立张弦梁结构的空间线框模型，且建模尺寸精确到毫米。然后将张弦梁结构的空间线框模型保存为DXF格式或有限元可导入的格式，并导入通用有限元程序SAP2000或MIDAS等。在有限元软件中定义杆件材料和截面等属性并赋予线框单元属性。进行仿真计算分析时应考虑柔性构件拉索的几何非线性特点，即选择有限元软件中索单元的几何非线性，准确模拟张拉施工时拉索的变形。

　　 1)选择木质张弦梁本构关系

　　 根据设计和施工方案中选择的木材确定木质张弦梁本构关系，确定为图所示本构关系，图4中，σ_ten-yield为受拉屈服应力，ε_ten-yield为受拉屈服应变值，ε_ten-max为受拉极限应变值，σ_com-yield为受压屈服应力，ε_com-yield为受压屈服应变值，ε_com-max为受压极限应变值，E_tan-ten为拉伸切线模量，E_tan-com为压缩切线模量。

　　 2)定义只传递轴拉力的拉索单元

　　 根据索单元受力和变形特点，定义属性为只传递轴拉力的索单元，模拟施工中张拉力大小改变的拉索，将该属性赋予拉索线框单元，进行张弦梁结构中拉索的受力分析。

　　 3)输入拉索单元的初拉力

　　 根据装配式大跨径木质张弦梁结构加工和放样状态设置拉索单元的初拉力(即设计时求出的拉索的初拉力或直接假定一个索拉力)，分析整体结构在初拉力和其他荷载共同作用下的受力和形变。

　　 4)赋予三维整体模型分析工况及时间特性

　　 定义非线性分析控制数据和荷载工况;依据施工方案中索单元张拉次序和张拉时间，定义张弦梁结构中各杆件单元激活时间(即各结构单元出现的时间)，这是模拟施工动态仿真计算的关键。整个仿真计算过程依据施工顺序划分为多个时间步，每个时间步激活的单元各不相同，形成动态变化的三维整体模型。

　　 5)非线性时程分析及仿真时程曲线

　　 张弦梁结构中拉索为柔性构件，具有几何非线性特性。采用有限元软件的时程分析功能，可输出施工各阶段的结构关键点的应力、应变和变形数值。计算结果应重点关注索力的时程曲线，分析拉索受力情况，防止因构件超载而导致结构不安全。除此之外，施工完成态的位移大小和形状会影响建筑造型和建筑效果，所以各关键部位的位移应实时监控。

　　 经建模分析之后，结构的有限元分析模型如图5所示，拉索1索力值和拉索2索力值如表1和表2所示。

　　 根据GB/T 50344—2004《建筑结构检测技术标准》进行实时监测。监测内容如下。

　　 1)应变分别对典型榀张弦梁进行监测，每榀测试5个截面(张弦梁上弦跨中及4个跨度较大处截面)，测试该5个截面上、下表面在施工过程中的应变，每榀共用应变计10个。

　　 2)索力测试典型榀装配式大跨径张弦梁结构的索力，监测典型榀装配式大跨径张弦梁结构6处拉索的索力，每个典型榀装配式大跨径张弦梁结构使用应变计6个。

　　 3)竖向位移测试典型榀装配式大跨径张弦梁结构在张拉过程中的竖向位移，竖向位移测点设在木梁的顶部。

　　 4)水平位移测试典型榀装配式大跨径张弦梁结构在张拉过程中的水平位移，检测点设在单向活动盆式橡胶支座处。

　　 监测过程将与装配式大跨径张弦梁结构张拉同步进行。装配式大跨径张弦梁结构的张拉力、木梁上的应变值将采用应变计测试，应变计为一次性使用;张弦梁的反拱、两端的位移值采用百分表测试。

　　 1)张拉过程中典型榀装配式大跨径张弦梁结构5个截面的应变，采用应变计测试方法。在张拉前，将应变计固定在相应的测试位置，并记录应变计频率初读数，测定应变计的具体位置，当张拉完毕时，再读取应变计的频率读数，按相应的标定公式计算出张拉过程中木梁的应变。

　　 2)张拉过程中典型榀装配式大跨径张弦梁结构拉索的拉力值，采用应变计测试方法。在张拉前，采用夹具式应变计，将其固定在相应的拉索测试位置，并记录应变计频率初读数，当张拉完毕及回油后，再读取应变计的频率读数，按相应的标定公式计算出拉索的张拉值及实际拉索中的拉力。

　　 3)装配式大跨径张弦梁结构在张拉过程中进行竖向位移测试。竖向位移测试采用百分表，采用从张弦梁顶部挂细铁丝至地面，并悬挂重砝盘，将细铁丝拉直，在砝盘上安装百分表，张弦梁上升的竖向位移，即通过砝盘的上升，最终由百分表测得。

　　 4)典型榀装配式大跨径张弦梁结构在张拉过程中进行纵向伸缩位移测试。在张拉前，将百分表架安装在张弦梁的两端支座底板上，百分表对正在张弦梁平面内，分别读取张拉前后的读数，即可获得张弦梁平面内的伸缩变形。

　　 取(4),(5)轴典型张弦梁的监测结果，其中(4)轴结果如表3所示。

　　 (4)轴张弦梁张拉过程中，竖向位移为52mm，梁平面内水平位移为15.09mm。油表显示的张拉值与应变计数值基本一致，同时，张拉值达到设计要求。但当回油后，将有较大的张拉值损失，原因可能是工装段长度无法与张拉值一致。木梁上的应变值多为压应变，显示出跨中大，1/4跨较小，而端部又有较大压应变。

　　 1)对于装配式大跨径木质张弦梁结构，应依据构件安装顺序和拉索预应力施加方案，模拟整体结构在相应施工工况下的应力、应变和位移情况，并为实际施工参考和指导。

　　 2)为更好地控制装配式大跨径木质张弦梁结构的初始应力和变形，应对张弦梁结构的张拉施工过程进行数值分析和实时监测分析。

　　 3)对于装配式大跨径木质张弦梁结构，采用合理的施工节奏、施工顺序、固接时机，确定合适的施工方法，从制作、安装、张拉等过程改进施工工艺，保证结构成型质量，合理划分施工区段，在结构受力体系完整可控的同时，优化施工顺序和施工方案，合理组织流水。