浅谈预应力钢结构施工:对预应力钢结构钢索的施工要求包括

　　【摘 要】 本文通过工程实践浅谈预应力钢结构的施工。 　　【关键词】 预应力；钢结构；施工 　　【中图分类号】 TU755.33 【文献标识码】 A 【文章编号】 1727-5123（2012）02-039-03
　　1 工程概况
　　 某市体育馆屋盖结构形式新颖，布置复杂，建筑效果美观。屋盖形状为不规则圆形，屋盖采用弦支穹顶结构体系；该结构体系由上部单层网壳和下部弦支索杆体系构成，设置六道环索，局部布置构造钢棒，其中撑杆采用圆钢管、上下端铰接。该结构具有用钢量小，结构轻盈，钢结构体系截面类型少的特点，结构形式见下图。
　　 本工程索结构部分主要有两部分组成：环向索和径向索。环向索采用预应力索规格为Φ5×139，缆索材料采用包双层高强度钢丝扭铰型钢绞线，单根钢丝直径5mm，抗拉强度不小于1670Mpa，屈服强度不小于1410Mpa，钢索抗拉弹性模量（E）不小于1.9×105Mpa，径向索采用钢拉杆规格为Φ60，抗拉强度为835Mpa。
　　2 预应力工程施工技术特点
　　 本工程所涉及的预应力工程为预应力钢结构（张弦单层网壳）。预应力钢结构工程具有施工难度大，施工前期准备工作量大的特点。本工程结构形式比较新颖，而且现成的工程经验比较少，施工的难度就更大。因此为使本工程达到设计质量要求，确定了本工程技术要点。
　　2.1 根据仿真计算确定上层单层网壳和预应力索安装顺序，从技术角度上确定预应力索张拉方式，是采用张拉环向索还是张拉径向索完成结构施工。并进一步确定施工过程中的多级张拉和对称张拉，不同阶段预应力索施加初始力的预应值。这里所谓的预应力过程是指施加预应力的过程，对预应力钢结构预加预应力的过程应根据具体的结构类型分别采用改变刚性杆件或柔性索的长度等方法。本工程采用改变柔性索长度的方法，即张拉柔性索。对结构施加预应力，使预应力能够分布到整个结构，达到预应力的目的，这个预应力过程必须与设计的预应力施加过程相一致。实际的预应力施加过程作为非线性叠加步加以分析，而对于预应力钢结构来说尤其重要区分其初始几何状态和预应力状态。因为在有些预应力钢结构初始几何的张拉过程与施加预应力过程并不一致，这时预应力过程必须根据实际的设计情况加以区分，即首先完成曲线或曲面的张拉过程，在考虑为结构提供刚度的过程。如果这两个状态不一致时，预应力施加过程是不能一气呵成的。简言之，张拉结构的施工技术设计的主要内容就是确定预应力过程的次序、步骤、采用的机械设备、每次预应力过程的张拉量值，同时控制结构的形状变化，因为结构的形状是与预应力施工时密切相关的。
　　2.2 预应力索的加工精度。虽然制索在工厂内完成，但制索的精度应在施工技术设计中得到计算和控制。一些在制索过程中无法达到的精度或产生的误差宜在施工过程中通过相关的技术手段进行弥补。
　　2.3 预应力索用铸钢球形节点、支点、连接耳板和张拉端、锚固端节点等的设计及加工制作。
　　2.4 结合钢结构现场拼装施工的工艺流程，制定预应力索的安装就位的组织设计。施工组织设计是预应力钢结构的施工进行技术准备，着重注意的技术要点是贯穿在制索、拉索和预应力钢索张拉过程中。
　　2.5 预应力张拉过程不同工况下的预应力建立，应在仿真计算结果的指导下进行。并应规定结构的不同荷载，如屋面荷载，悬挂荷载的施加步骤和方法，尽可能均匀、对称、匀速施工，避免出现过大的集中荷载。预应力施加过程的控制，在每一阶段预应力过程中，结构都经历一个自适应的过程，结构会经过自平衡而使内力重分布，形状也随之改变，所以预应力的监控是十分重要的。本工程中将采取可靠的检测手段，对钢结构的变形和预应力钢索的受力进行实时监测，以确保结构施工期安全，保证结构的初始状态与原设计相符。
　　3 预应力施工技术路线
　　3.1 技术路线的概述。此体育馆屋盖，总体安装顺序为：将上层网壳和悬挑部分的钢结构全部安装结束后，进行预应力张拉。在网壳安装结束后，在脚手架支撑作用下所形成的结构要跟设计图纸相吻合；支座为径向可滑动支座；施加预应力的方法为径向索张拉，张拉分两级，采取以控制张拉力为主，监测伸长值为辅的控制原则；张拉顺序为由外向内张拉设计力的70％，由内向外张拉设计力的100％。
　　3.2 具体技术路线。
　　3.2.1 预应力施加原则。以施加预应力前结构的位形为初始位形，设定拉索中的预拉力，此时，结构的初始位形不能满足结构的平衡条件，于是在节点上产生了不平衡力，在该不平衡力的作用下，结构产生位移，从而得到结构新的位形，经过多次迭代计算，节点不平衡力趋近于零。本工程具体找形过程分为以下四个状态：a、放样态(预应力零状态)：无自重、无预应力作用的放样状态；b、预应力平衡态：自重、预应力作用下的自平衡状态；c、恒荷载态：自重、预应力、并屋面恒荷载作用下的自平衡状态；d、设计荷载态：在预应力零状态的基础上，承受设计荷载作用的状态。
　　 放样态所对应的几何参数是构件工厂加工的尺寸依据；自重态所对应状态的就是整个结构安装结束后在自重作用下的状态；对安装后的结构施加预应力设计值后得到预应力平衡态，其对应的几何参数是设计图纸上该结构的几何外形，即设计人员希望得到的几何外形，此时索内预应力己经使单层网壳、撑杆和索三者形成共同工作的整体；在此基础上对结构施加恒荷载，结构由预应力平衡态变为恒荷载态，施加设计荷载作用时变为设计荷载态，如下图所示。
　　 为了合理的确定拉索预应力值，首先对未施加预应力的张弦单层网壳进行了静力分析。如果以减小甚至消除弦支穹顶对下部支撑体系的水平推力为标准，若是可滑动铰支，则以减小弦支穹顶的水平位移，应使支座节点在拉索预拉力及屋面荷载的共同作用下水平的径向位移接近为零。当然了还要满足在施加预应力和荷载作用下，结构杆件应力要在设计应力范围之内，同时控制整体竖向位移、水平位移也要在设计范围之内。
　　
　　3.2.2 预应力施工方法。本工程径向拉索采用钢拉杆（可调节），在施加预应力时，张拉径向索，这样结构整体就能够施加上预应力。
　　3.2.3 预应力调整方法。所有撑杆可调，弥补制作缺陷。为弥补上层网壳制作和安装产生的误差，在张拉前，将网壳节点准确定位后，通过调节撑杆来减小误差，在张拉环向索后，可以通过调节撑杆的方法来调整钢索的预应力，使钢索及整体结构施工结束后达到设计状态。
　　3.2.4 预应力施工保证措施。网壳逐球定位，提高安装精度。为了保证能够顺利装索、施加预应力，进而使整体结构在施工结束后能够达到设计要求，必须提高上层网壳安装的精度。本工程在网壳安装时，要做到逐个球节点准确定位，提高网壳的整体安装精度。
　　4 预应力钢索对钢结构的安装要求
　　4.1 索体安装精度。由于索体的安装精度很高，索体长度的调节量只有3到4厘米，因此为了保证整个结构的安装精度，需要在把分段制作完成的桁架在工厂内进行预拼装。同时到现场后上层单层网壳的安装要求精度更高。
　　4.2 索体安装精度。为了防止在钢结构焊接过程中飞溅的火花灼伤索体，一方面要在索体表面缠绕防火布防护；同时如果焊接部位正下方有索体经过时，要在焊接部位下面搭设防止火花飞落的防火板，避免火花直接飞落到索体上。
　　5 两种张拉方式的比较分析
　　 弦支穹顶的张拉方式分两种：张拉环向索和张拉径向索。这两种张拉方式都有各自的优缺点，要根据工程特点选择合适的张拉方法。张拉环向索张拉点少，设备和人员需求量小，环向索力容易保证，但张拉环向索的最大缺点是：环向索和索节点存在很大的摩擦力，此摩擦力会造成撑杆和径向索力分布严重不均匀，造成结构起拱不均匀。张拉径向索可以很好的弥补此缺点，对于全对称结构，张拉径向索时索节点无切向位移，本工程有一定的不对称性，在索力设计时，一个原则是尽量减小索节点的切向位移，经索力调整，无论张拉过程中还是张拉完成后索节点的切向位移都小于2mm。另外，本工程径向索是成对的，可以通过调整其中一根径向索，调节索节点的切向位移以及撑杆内力，因此张拉径向索可以保证环向索、径向索、撑杆内力以及结构起拱分布均匀。张拉径向索的缺点是张拉点多，设备和人员需求量大，环向索力只能通过径向索力反算。
　　 本工程的特点是：每个环向索节点，对于两根撑杆和两根径向索，环向索分为12段，夹角为30°，角度较大，张拉环向索会产生很大的摩擦力，造成两根撑杆内力严重不均，有些撑杆内力会变号，而且张拉完成后撑杆的内力无法调整，因此本工程采取张拉径向索的张拉方式。
　　6 预应力索施工
　　6.1 预应力钢索制作。预应力钢索及节点加工图由预应力专项施工单位设计，制作加工由预应力钢索专业生产厂家完成。预应力钢索的制作加工如下：
　　6.1.1 调直：为了使钢索受荷后各根钢丝或各股钢绞线受力均匀，钢索的制作时下料长度要求严格，要准确、等长。下料采用“应力下料法”，将开盘在200～300MPa拉应力下的钢丝或钢绞线调直，可消除一些非弹性因素的影响。
　　6.1.2 下料：钢丝或钢绞线的号料应严格进行。制作通长、水平且与索等长的槽道，平行放入钢索或钢绞线，使其不互相交叉、扭曲，在槽道定位板处控制索的下料长度。
　　6.1.3 切割：钢索应用切割机切割，严禁用电弧切割或用气割，以防止损伤钢丝。
　　6.1.4 编束：宜用梳孔板向一方向梳理，同时编扎，每隔1m左右用细钢丝编排扎紧，不让钢丝在束中交互扭压。编扎成束后形成圆形截面，每隔1m左右再用铁丝扎紧。
　　6.1.5 钢索的预张拉：钢索的预张拉是为了消除索的非弹性变形，保证在使用时的弹性工作。预张拉在工厂内进行，一般选取钢丝极限强度的50～55％为预张力，持荷时间为0.5～2.0h。
　　6.1.6 钢索的防护：钢索在防护前必须表面处理，认真除污。钢索的防护方法有：黄油裹布；塑料涂层；多层液体氯丁橡胶防护；表面油漆；钢索用套管；内灌液体氯丁橡胶；将环氧树脂粉末喷于钢丝上再热熔、固化形成，外加PE套管。这些防护方法可适应周围无严重侵蚀性的一般环境。
　　6.2 预应力放索与吊装。
　　6.2.1 在脚手架一阶平台面上准备3米×70米的平面以满足索体放盘所需的空间要求。
　　6.2.2 针对索盘内径、外径、高度、重量等参数提前加工放索架并运到现场。
　　6.2.3 塔吊将预应力索吊起安放至放索架上。
　　6.2.4 本工程预应力索较长，环向索最长达62m（分为四段后），重达4t左右（包括索头），故穿索时要借助牵引机（牵引机的牵引力范围在3t左右），每两个撑杆间用两个倒链挂住。在地面开盘放索，放索采用人工牵引放索。放索由一端向另一端牵引。为防止散盘，对转盘设置刹车和限位装置。为防止索体在移动过程中与地面接触，索头用布包住，在地面沿放索方向铺设一些圆轴承，以保证索体不与地面接触。
　　6.2.5 除部分长度短且质量轻的索体采用人工方式搬运，大部分预应力拉索需塔吊配合吊装到位。吊装应在钢结构安装前进行。吊装时使用钢管作扁担辅助吊具。
　　6.3 预应力索张拉。
　　6.3.1 张拉前撑杆初始位置：张拉前撑杆都是向内偏斜的，张拉完成后撑杆达到垂直效果。
　　6.3.2 张拉设备的选用：经过计算，径向索最大张拉力约32t左右，需要两台25t千斤顶，并且一次同时张拉12根径向索，故选用24台25t千斤顶，即同时使用12套张拉设备。
　　6.3.3 预应力钢索张拉前标定张拉设备：张拉设备采用预应力钢结构专用千斤顶和配套油泵、油压传感器、读数仪及千斤顶支撑架。根据设计和预应力工艺要求的实际张拉力对油压传感器及读数仪进行标定。标定书在张拉资料中给出。
　　6.3.4 张拉时的技术参数及控制原则：张拉时的控制原则为：索力控制为主，伸长值控制为辅。
　　6.3.5 张拉过程：施工前用仿真模拟张拉工况，以此作为指导试张拉的依据。张拉逐级加载分成2级，分别为0.7σcon、1.0σcon。张拉设备和工具等辅助设备全部准备及加工到位运至现场。张拉时，服从统一指挥，按张拉给定的控制技术参数进行精确控制张拉。
　　6.4 张拉质量控制方法和要求。
　　6.4.1 张拉时按标定的数值进行张拉，用伸长值和油压传感器数值进行校核。
　　6.4.2 认真检查张拉设备和与张拉设备相接的钢索，以保证张拉安全、有效。
　　6.4.3 张拉严格按照操作规程进行，控制给油速度，给油时间不应低于0.5min。
　　6.4.4 张拉设备形心应与预应力钢索在同一轴线上。
　　6.4.5 实测伸长值与计算伸长值相差超过允许误差时，应停止张拉，报告工程师进行处理。
　　7 预应力张拉应急预案
　　 在进行预应力张拉过程中可能出现的情况有很多，比如：由于张拉过程没有达到同步，造成结构变形；由于某种原因造成短时间停电，使张拉过程暂时停止等等。
　　 对于第一种情况，由于张拉没有达到同步，造成结构变形，可以通过控制给泵油压的速度，使索力小的加快给油速度，索力比较大的减慢给油速度，这样就可以到达同一圈的环向索索力相同的目的。
　　 对于第二种情况，由于某种原因造成短时间的停电，可以通过在张拉的同时把调节套筒拧紧，保证索力变化跟张拉过程是同步的；突然停电状态下，在短时间内，千斤顶还是处于持力状态，并且油泵回油还需要一段时间。

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