1、图 1 某 体育 场 工 程预 应力 弦张 钢桁 架平 面 布 置 图科 技栏目主持：孟 楠某 体 育 馆 工 程 130m跨 预 应 力 弦 张 钢 桁 架 安 装 和 实 时 监 测 技 术陈 健 南通四建集团有限公司，南通 摘 要 ： 本 文 结 合 某 工 程 130m跨 度 的 预 应 力 弦 张 钢 桁 架 结 构 安 装 中 的 拉 索 张 拉 施 工 ， 研 究 了 大 跨 度弦张钢桁架预应力拉索的张拉施工工艺实时监测控制方法，包括桁架拉索的安装、基于 施工仿真技术的现场张拉、张拉过程中的分析与调整、张拉过程中的实时监控等，特别是 所涉及的主要施工顺序流程和关键的技术要点，研究
2、解决了大跨度弦张钢桁架拉索张拉过 程预应力难以控制、稳定性差的重大技术难题，其系统的综合技术可指导不同跨度预应力 弦张桁架的高质量施工。关键词： 130m 跨弦张钢桁架；预应力拉索；现场张拉；实施监控；施工顺序流程基金项目 ： 住 房 和 城 乡 建 设 部 建 筑 节 能 与 能 源 综 合 利 用 科 学 计 划 项 目 ， 项 目 编 号 （ 2014-K1-060） .1 引言 精细化的仿真实现了对施工的指导 6； 陈 亮 在 文 献 中 以 大 型大跨度钢桁架预应力拉索张拉施工是预应力技术的重点 与 难 点 ， 国 内 外 研 究 的 热 点 与 难 点 研 究 主 要 集 中 在
3、张 拉 过 程 的 施工仿真、预应力损失的控制及拉索的选择与固定等，而缺 乏对于施工现场张拉过程的优化实施、控制与监测调整 1-4。 国内专家学者结合最新工程做了相关的研究，唐兴国等以北 京 电 视 中 心 高 层 钢 结 构 为 对 象 采 用 LS-DYNA 软 件 详 细 仿 真了张拉过程，并在施工中实施了实时监控的张拉技术 5 ； 刘学武等在研究中给出了预应力张拉过程中的力学模型，其复杂钢结构为对象，对预应力张拉的过程进行了全过程的控制，获得良好的工程应用效果，但由于工程特点的差异，解 决具体工程案例情况并不理想，本文结合某具体工程的大跨 度大吨位 130m 跨弦张钢桁架结构重点阐述预
4、应力拉索张拉 施工工艺及控制技术。2 工程概况及结构特点某大学体育馆工程采用混凝土柱支承的大跨度钢屋盖结 构 ， 屋 盖 为 预 应 力 弦 张 梁 桁 架 结 构 ， 整 体 平 面 形 状 为 矩 形 ，TECHNOLOGY图 2 单 榀 弦张 桁 架 结 构 三 维 示意 图图 3 第 一 根预 应力 拉索 的 张 拉图 4 第 二根预 应力 拉索 的 张 拉图 5 第 三 根预 应力 拉索 的 张 拉科技其 长 度 为 360m， 宽 度 为 130m， 桁 架截面为倒三角形式，主桁架一端为 固定支座，另一端为滑移支座。弦张 桁架由上弦桁架、下弦索及其之间的 撑杆构成。通过布置和张拉拉
5、索，产 生向上的等效预应力荷载来提高结构 刚度，平衡支座全部或部分推力以控 制结构外形尺寸。单榀主桁架最重为 73 吨 ， 其 整 体 构 造 布 置 情 况 如 图 1 所示。通过布置和张拉拉索产生向上的 等效预应力荷载，优化结构内力状态 可平衡支座部分推力，单榀弦张钢桁 架结构三维示意图，如图 2 所示。索 体 材 料 采 用 半 平 行 钢 丝 束 索 ， 为 1670 级 7 镀 锌 钢 丝 双 护 层 扭 绞 型拉索，规格为 PES C7223，内层 PE 为 黑 色 耐 老 化 高 密 度 聚 乙 烯 ， 两 端可调，张拉端锚具为冷铸锚，连接 件采用叉耳式。3 弦张钢桁架无搭接施
6、工顺序根据该工程具有的难度特点，要 求单区同一个伸缩缝段内的梁全部张 拉完成后，再进行屋面檩条及屋面板 的 安 装 ， 具 体 过 程 ： 采 用 高 空 分 段吊装的方法搭设胎架，按照施工图 尺寸拼装第一榀弦张桁架上部钢构 ； 采 用 同 样 方 法 拼 装 第 二 榀 弦 张 桁 架，弦张桁架与支座连接就位，支座 下垫四氟乙烯板 ； 拼 装 两 榀 桁 架 之 间的纵向联系桁架、天窗架、十字撑 等，杆件节点通过焊接完成 ； 重 复 第 2-3 步 ， 完 成 第 三 榀 桁 架 和 桁 架 之间联系构件的安装、焊接 ； 拉 索 地面展开且高空安装，张拉第一榀桁 架 的 预 应 力 拉 索
7、； 重 复 第 2-3/5 步， 完成第 4 榀桁架和桁架之间联系构件的安装、焊接 ； 张 拉 第 2 榀桁架，按 以上 16 步骤依次流水施工。根 据 该 弦 张 结 构 特 点 设 置 Y-N 轴 线 为 一 个 单 元 ， M-C 轴 线 为 另 一个单元，不同单元桁架榀数、跨度有差异，但安装、张拉流程一样。同一单元全部 张拉完成后，可进行已张拉桁架之间的屋面檩条的安装，然后进行屋面板的安装， 最后固定支座底板。第一步 ： Y/X/W 轴主桁架和之间次桁架、天窗架等联系构件拼装、焊接完成， 安装 Y 轴线拉索，张拉 Y 轴线拉索，如图 3 所示 ：第 二 步 ： V 轴 主 桁 架 和
8、之 间 连 系 构 件 拼 装 、 焊 接 完 成 后 ， 安 装 X 轴 线 拉 索 ， 张拉 X 轴线拉索，其如图 4 所示 ：第三步 ： U 轴主桁架和之间连系构件拼装、焊接完成，安装 W 轴线拉索，张 拉 W 轴线拉索，如图 5 所示 ：62 2014 年 第 15 期TECHNOLOGY表 1 130m 跨弦张桁架结构自重初始态索力 依次类推最后安装 P 轴、 N 轴线的拉索，直至 Y-N 单 元张拉完成。4 张拉前的施工仿真分析采 用 ANSYS V12.0 软 件 分 析 ， 计 算 中 考 虑 双 非 线 性 和 应力刚化效应 ， 弦张桁架构件采用梁单元 Beam44 释放两端
9、； 预 应 力 拉 索 采 用 仅 受 拉 的 Link10 杆 单 元 ； 胎 架 采 用 受 压 的 Link10 杆单元，其计算模型如图 6 所示。图 6 预应力弦张钢桁架计算模型表 2 130m 跨弦张桁架拉索张拉过程索力拉 索 弹 性 模 量 为 1.95105M Pa， 泊 松 比 为 0.3， 钢 构 件 的质量密度为 7.85103kg/m3， 并考虑 1.05 的节点重量系数； 索采用双护层半平行钢丝束索 ， 质量密度为 7.85103kg/m3， 并 考 虑 1.1 的 索 皮 重 量 系 数 ， 整 体 结 构 自 重 初 始 态 的 索 力 值如表 1 所示。130m
10、跨 弦 张 桁 架 结 构 自 重 初 始 态 竖 向 位 移 ： 跨 中 最 大 竖 向 位 移 为 162mm， 位 于 第 C 榀 ， 其 余 跨 中 竖 向 位 移 为 144mm 158mm 范围内 ； 支 座 最 大 水 平 位 移 为 85.6mm ，位 于第 G 榀 ； 索 力 为 1568 2827kN，其拉索张拉过程中索力 如表 2 所示。由 以 上 分 析 可 见 ， 对 于 两 个 弦 张 梁 结 构 分 别 得 出 如 下 结论 ： 130m 跨 弦 张 梁 ， 施 工 过 程 中 拉 索 的 张 拉 力 最 大 达 到 3176kN，即张拉 U 跨拉索时所达到。施工
11、过程中最大竖向 位 移 为 162mm， 发 生 在 第 步 张 拉 时 。 施 工 过 程 中 弦 张 钢 桁架应力最大为 1 46MPa， 发 生 在 第 步 张 拉 时 。 每 张 拉 一 榀 ， 该榀桁架上挠，主动脱离支撑胎架，该榀桁架下的支撑胎架 即可转移使用。5 弦张钢桁架施工现场的张拉5.1 施工顺序预 应 力 拉 索 现 场 施 工 工 序 ： 预 应 力 拉 索 展 开 对 接 索 拉 杆 提 升 装 置 安 装 拉 索 提 升 对 中 索 球 索 头 临 时 锚 固测量索端节点安装误差调整被动索长并锚固就位张 拉主动索并锚固就位张拉完成索 分 组 编号 设 计 等 效 预张
12、 力（ kN） 自 重 初 始 态 索 力（ kN） 跨 中 竖 向 位移（ mm）C 2913 1568 162D 3415 2066 157E 3815 2406 155F 3815 2393 158G 4016 2579 158H 3816 2414 156J 3714 2328 154K 3714 2335 153L 3815 2437 148M 4176 2827 144N 4056 2720 145P 3815 2445 147Q 3616 2255 151R 3816 2426 150S 3815 2433 153T 3816 2431 152U 4017 2587 156V 3
13、816 2403 156W 3816 2421 153X 3654 2305 151Y 3212 1864 151张 拉 分 组 轴 线 施 工过程 中 张拉索 力（ kN） 张拉 成型 后索 力（ kN）Y 2552 1864C 2266 1569X 2886 2305D 2653 2065W 3003 2421E 2990 2406V 2998 2403F 2990 2394U 3176 2587G 3163 2578T 3013 2431H 2972 2415S 2990 2433J 2888 2329R 2892 2426K 2610 2334Q 2534 2255L 2394 243
14、9P 2334 2445M 2329 2828 N 2721 272163图 9 预 应力 拉索 的 张 拉实施过程图 7 预 应力 拉索 索 夹 按 标 记安装图 8 索 提 升 通 过 牵 引 装 置 导 入 张 拉 孔 道过程科技5.2 拉索的安装就位采 用 流 水 安 装 顺 序 ， 对 于 单 榀 弦 张 桁 架 ， 先 安 装 撑 杆 ， 再 安 装 拉 索 和 索 夹 ， 安 装 拉 索 和 索 夹 过 程 中 索 头 调 节 装 置 应 尽 量 放 长 。 工 厂 里 拉 索 在 初 始 预 张 力 条 件 下 按 照 有 应 力 长 度 进 行 生 产 并 在 拉 索 索 皮
15、 表 面 标 记 索 夹 位 置 ， 开 盘 放 索 后 安 装 撑 杆 和 挂 预 应 力 拉 索 ， 将 拉 索 两 端 索 头 与 端 节 点 临 时 连 接 并 预 紧 拉 索 来 保 证 索 球 自 动 归 位 ， 完 成 张 拉 前 的 各 项准备。在 放 索 过 程 中 考 虑 索 盘 绕 产 生 的 弹 性 和 牵 引 产 生 的 偏 心 力 ， 开 盘 时 需 防 止 崩 盘 ， 采 用 索 盘 放 索 架 进 行 放 索 ， 在 开 盘 拉 索 展 开 过 程 中 外 包 的 防 护 层 不 除 去 ， 仅 剥 去 索 夹 处 的 防 护 ， 在 牵 引 索 安 装 索 球
16、 张 拉 索 的 各 道 工 序 中 要 防 止 和 避 免 碰 伤 、 刮 伤 索 体 。 拉 索 施 工 操 作 平 台 采 用 型 钢 焊 接 可 移 动 的 拉 索 安 装 和 张 拉 所 需 的 操 作 平 台 ， 撑 杆 安 装 要 求 搭 设 拉 索 临 时 安 装 支 撑 架 ， 用 吊 机 或 手 动 葫 芦 将 地 面 编 好 号 的 撑 杆 逐 根 吊 起 ， 将 撑 杆 上 节 点 与 刚 构 相 连 。 撑 杆 也 可 以 随 弦 张 桁 架 一 起 吊 装 ， 拉 索 及 索 夹 安 装 要 求 拉 索 在 地 面 展 开 ， 将 拉 索 调 节 装 置 尽 量 放
17、 长 并 按 厂 家 做 好 记 号 的 位 置 安 装索夹，如图 7 所示。工 和 结 构 受 力 ； 将 阻 碍 结 构 张 拉 变 形 的 非 结 构 构 件 与 结 构 脱 离 。 在 张 拉 过 程 中 ， 首 先 在 张 拉 前 调 整 索 体 螺 杆 露 出 螺 母 的 长 度 ， 使 露 出 的 长 度 相 同 ， 需 考 虑 支 座 初 始 安 装 偏 差 ， 即 初 始 张 拉 位 置 相 同 。 五 级 张 拉 程 序 为 ：预紧 25% 50% 75% 90% 100%。其次，在张拉过程中尽 量使千斤顶给油速度同步，旋紧螺杆螺母以 10mm 为一控制 点，单根索 2 个
18、螺杆、螺母旋紧速度基本同步。在张拉完成 每小级后测量螺杆的外露值，若外露值不同，则在下一级张 拉的时候将外露值小的首先张拉出其差值，然后再同步给油 张拉，张拉前应比较张拉时结构支座布置及约束情况是否与 设计模型相符，应尽量避免由于索张拉造成结构支座发生较 大的偏移，其张拉的过程如图 9 所示。拉索索头送到桁架下弦节点入口处工序中，采用专门的 牵引装置将拉索两端牵引进入桁架预留孔道后，收紧牵引装 置 的 千 斤 顶 ， 逐 渐 缩 短 调 节 装 置 ， 使 索 体 上 抬 靠 近 撑 杆 下 端 。 在索体牵引、张拉过程中，索球自动进入撑杆下节点，拉索 提升牵引入桁架预留孔道，其过程如图 8
19、所示。5.3 拉索的张拉实施拉 索 张 拉 前 该 桁 架 构 件 应 全 部 安 装 完 成 ， 合 拢 为 一 整 体 ， 直 接 与 拉 索 相 连 的 节 点 ， 其 空 间 坐 标 精 度 需 严 格 控 制 。 严 格 控 制 节 点 上 与 索 相 连 的 耳 板 方 向 以 免 影 响 拉 索 施6 预应力拉索张拉过程中的实时监测6.1 实时监测的要点拉索预张力施工过程是个动态的结构状态变化过程，是 结 构 从 零 状 态 向 成 形 初 始 态 转 变 的 过 程 。 由 于 钢 构 安 装 误 差 、 拉 索 制 作 、 安 装 和 张 拉 误 差 、 分 析 误 差 以
20、及 环 境 影 响 等 原 因 ， 实际结构状态与分析模型是有差异的。因此，必须对拉索预 应力施工过程予以监测，对比理论分析值和实际结构响应的 差异，及时掌握各关键施工阶段的结构状态，保证拉索施工 全过程处于可控状态，保证施工过程结构安全，为下阶段施 工和最后的施工验收提供依据。拉索预应力施工实时监测主 要针对各主动张拉点的索力。6.2 测点的布置本 实 时 监 测 依 据 张 拉 过 程 中 拉 索 所 施 加 的 荷 载 过 程 监 测其内力分布情况，利用对不均匀对称结构的判断，将主要 测 点 布 置 在 应 力 集 中 较 为 严 重 的 区 域 ， 共 设 30 个 测 点 ， 测试过
21、程中均采用 11 电阻应变片以跟踪测量杆件的应变值， 为消除偏心弯曲影响采用对称串联半桥四片补偿块法的贴片 方 案 ， 而 对 于 纯 弯 曲 引 起 的 应 变 测 量 ， 为 消 除 轴 力 的 影 响 ， 采用对称半桥工作片补偿法的贴片方案。同时，共设 2 个共 用温度补偿块，在每个加载段内按静力问题考虑，采用静态 电阻应变仪并配预调平衡箱进行观测。在监测过程中将荷载 划分为若干个加载段，先进行第一个循环的加载以消除结构TECHNOLOGY64 2014 年第 15 期表 3 130m 跨弦张桁架拉索张拉过程索力施 工 过 程 中 张 拉 索 力 （ kN） 张 拉 成 型 后 索 力
22、（ kN）张拉分组 轴线实测值 原理论值 误差率 % 实测值 原理论值 误差率 %Y 2548 2552 -0.16 1875 1864 0.59C 2253 2266 -0.57 1579 1569 0.64X 2876 2886 -0.35 2325 2305 0.87D 2645 2653 -0.30 2081 2065 0.77W 2906 3003 -0.23 2439 2421 0.74E 2981 2990 -0.31 2426 2406 0.83V 2976 2998 -0.73 2421 2403 0.75F 2979 2990 -0.37 2409 2394 0.62U 3
23、151 3176 -0.79 2599 2587 0.46G 3150 3163 -0.41 2595 2578 0.66T 3001 3013 -0.39 2444 2431 0.53H 2961 2972 -0.37 2435 2415 0.83S 2978 2990 -0.40 2451 2433 0.74J 2872 2888 -0.55 2339 2329 0.43R 2980 2892 -0.41 2442 2426 0.66K 2591 2610 -0.73 2349 2334 0.64Q 2520 2534 -0.55 2267 2255 0.53L 2375 2394 -0.
24、79 2451 2439 0.49P 2316 2334 -0.77 2462 2445 0.69M 2310 2329 -0.81 2842 2828 0.49 N 2703 2721 -0.66 2737 2721 0.58和应变片的非线性影响，此时所有杆件均处于弹性阶段，待 测 试 完 成 后 保 持 全 部 荷 载 ， 停 滞 约 8 小 时 ， 且 进 行 后 续 循 环 的 加 载 工 作 ， 后 续 的 加 载 可 能 进 入 的 塑 性 阶 段 ， 若 出 现 较为明显的塑性变形应及时卸载，整个加载过程应及时记录 数据。6.3 实时监测结果分析由 实 测 值 与 理 论 值 的
25、 结 果 对 比 可 知 ， 其 实 测 值 与 理 论 值 的 误 差 不 超 过 1%， 说 明 实 时 监 测 的 方 案 的 精 度 可 靠 ， 可 完 全 体 现 客 观 实 际 。 同 时 对 比 结 果 还 表 明 ， 施 工 过 程 中 张 拉 理 论 值 较 实 测 值 偏 大 ， 而 成 型 后 索 力 的 理 论 值 较 实 测 值 偏 小 ， 其 变 化 规 律 说 明 ， 施 工 过 程 中 拉 索 本 身 存 在 着 细 观 的 缺 陷 或 者 材 料 本 身 内 部 存 在 缺 陷 ， 而 成 型 后 索 力 在 克 服 材 料 缺 陷 的 前 提 下 实 施 ，
26、 故 理 论 值 较 实 测 值 偏 小 ， 反 映 客 观实际。7 结论本文结合某大学体育馆工程 130m 弦张钢桁架预应力张 拉施工，全面定位分析工程的特点与难度，在此基础上明确 整体张拉的顺序，通过有限元的张拉仿真确定拉索的初始索态，包括等效预张力和跨中竖向位移值 ； 对 施 工 现 场 张 拉 过 程中索具安装就位的技术要点、分阶段精细化张拉的技术要 点和实时监测的技术要点进行了详细的论述，获得良好的工 程效果，更证明该成套张拉施工技术成熟可靠、具有较强的 工程应用价值。参考文献1 唐 兴 国 ， 钟 铁 毅 . 北京电视中心高层钢结构施工模拟分析 J. 北京交通大学学报， 2006，
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