大跨空间结构施工存在起点和终点两个状态,即零应力状态和受荷成型态。零应力状态(简称零状态)下构件应力为零或者接近零,如在支撑胎架上拼装的钢构件,因此零状态主要用于构件加工制作尺寸和现场拼装位形。在拼装合拢、支座就位、胎架卸载后结构变形达到成型态,因此结构成型态是结构施工完成时的位形和内力状态。
刚性大跨空间结构的变形符合小变形理论,零状态和成型态的结构位形差异较小,其设计分析时,设计图纸和分析模型中的结构位形都处于零状态;施工时,基于零状态位形进行构件加工制作和安装,在重力荷载作用下变形达到成型态。半刚性和柔性大跨空间索结构的变形符合大变形理论,零状态和成型态下结构位形差异较大。为严格控制设计图纸的结构位形为成型态,施工时,需通过零状态找形分析确定构件安装位形,以使施工完成时结构位形与设计图纸一致。如图 3-1 所示,当按照零状态位形(蓝色虚线)进行压环安装时,张拉后结构成型态位形(红色直线)与设计位移一致;若直接基于压环的设计位形(红色直线)进行张拉施工,则压环在拉索索力作用下到达新的平衡位置(黑色点划线),不满足设计位形要求。
图 3-1 压环梁的不同位形
索结构不仅包含主结构必要的拉索和钢构件,还包含周边支承结构。随着拉索张拉,主结构和周边支承结构都在发生变形。因此,在目标成型位形和施工过程已知的情况下,确定预应力和零状态是索结构施工过程和使用阶段分析的基础。索结构施工时,先按照零状态进行构件加工制作和拼装,通过张拉拉索使结构在重力荷载和预应力共同作用下达到成型态。