預應力索結(jié)構(gòu)施工工藝及索力測定的研究

1、預應力索結(jié)構(gòu)施工工藝及索力測定的研究姚裕昌 孫堅 張桂先（深圳市三鑫特種玻璃技術股份有限公司，深圳518054）提要：預應力索結(jié)構(gòu)是一種輕質(zhì)、高強的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)，但它的施工工藝也比較復雜，要求比較嚴格。本文從索力測量的特殊性和索力測定儀的研究開發(fā)著手，對這種結(jié)構(gòu)的施工工藝提出了建議和行之有效的一套做法，可供同行參考。關鍵詞：預應力 索結(jié)構(gòu) 索力測定引言預應力索結(jié)構(gòu)是一種輕巧、高強、高效和高技術含量的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)，它是點支式玻璃幕墻、玻璃采光頂和張拉膜蓬蓋等輕型外圍護建筑的理想支撐結(jié)構(gòu)體系。它的外形輕巧，布置靈活，受力合理；它巧妙地將結(jié)構(gòu)的力學美和建筑形體的藝術美有機地融合在一起，具有強烈的時代氣息，深

2、得國內(nèi)外建筑師和廣大人民群眾的喜愛。伴隨著點支式玻璃幕墻、玻璃采光頂和張拉膜蓬蓋等建筑的發(fā)展，預應力索結(jié)構(gòu)也獲得了快速的發(fā)展。但這種結(jié)構(gòu)的設計施工難度大，特別是施工過程中對結(jié)構(gòu)的形態(tài)控制是一個難點。預應力索結(jié)構(gòu)在施工安裝時必須施加預應力才能成形。結(jié)構(gòu)尚未承受荷載時既要保證結(jié)構(gòu)的幾何形狀符合設計要求，又要使索中預應力值也符合設計要求，這是有一定難度的。根據(jù)點支式玻璃幕墻和采光頂中索結(jié)構(gòu)的工程實踐，當前預應力索結(jié)構(gòu)施工中存在兩種誤區(qū)。一種是只注意了結(jié)構(gòu)幾何形狀的初步控制，勉強將預應力索安裝上，將索結(jié)構(gòu)的外形尺寸基本調(diào)整到位，就算完成任務，而未對索力進行有效控制，給工程質(zhì)量留下了隱患。另一種誤區(qū)是忽

3、視了索結(jié)構(gòu)及其張拉工藝的特殊性，將預應力索與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的預應力筋一樣看待，把鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中與張拉方法、錨固方法、工作條件等情況相對應的各種預應力張拉損失照搬到索結(jié)構(gòu)的設計、施工中來，弄得過于復雜，使設計施工人員感到困惑，難于操作，有礙預應力索結(jié)構(gòu)技術的推廣。本文從預應力索結(jié)構(gòu)的基本原理出發(fā)，另辟蹊徑從鋼拉索索力測定儀的研究開發(fā)著手，并結(jié)合索端構(gòu)造和張拉方面等特點提出了反復張拉、逐步到位的預應力施工工藝，從而使預應力索結(jié)構(gòu)的施工控制變得十分方便，容易操作，容易監(jiān)理，也更方便使用單位的管理和維護，有利于預應力索結(jié)構(gòu)技術的推廣。一、 預應力索結(jié)構(gòu)施工工藝分析及建議實踐表明，只要各個環(huán)節(jié)的施工

4、誤差都能控制在設計和有關規(guī)范的要求之內(nèi)，那么索結(jié)構(gòu)的基本外形尺寸是容易控制的。形態(tài)控制的難點是在于如何協(xié)調(diào)各個施工環(huán)節(jié)中不可避免的誤差和索端支點在預張拉過程中產(chǎn)生的彈性變形和相互影響。如何通過預應力的調(diào)控，對結(jié)構(gòu)形狀進行微調(diào)，這個微調(diào)的過程是十分復雜的，相互影響錯綜復雜，牽一發(fā)而動全身。要在施工前先把各種因素對索力產(chǎn)生的影響都計算清楚后再動手施工既難做到也無必要。施工工藝試驗和工程實踐表明，索結(jié)構(gòu)的張拉控制應以形狀控制為主、應力控制為輔，因為結(jié)構(gòu)形狀不到位對下道工序的施工影響太大，而索力的誤差只要控制在結(jié)構(gòu)安全度的范圍之內(nèi)就可以了。但這個安全度控制在設計允許的范圍之內(nèi)，施工人員一定要心中有數(shù)，

5、與設計人員密切配合，把安全度控制在設計允許的范圍之內(nèi)，索內(nèi)預拉力既不能太高，也不能太小。進一步分析表明，預應力索結(jié)構(gòu)的索是暴露在外的，看得見摸得著，最簡單的辦法是用手推拉一下，就能感覺到索中拉力的大小，僅僅是難于定量而已。如果開發(fā)出一種測力儀能直接測出索中的預拉力，而且使用起來也十分方便，那么索拉力的控制問題就可迎刃而解，預應力張拉時的所謂各種“損失”也就不存在，設計施工時也就不必考慮什么“張拉控制應力”和“有效預應力”等復雜的概念，凡是用索力測定儀測到的索拉力，都是實在的、有效的索拉力。還應該注意到，預應力索結(jié)構(gòu)中索的端頭錨固處一般均設置了索長的調(diào)節(jié)螺栓，如圖1所示。圖 1用擰緊螺栓的辦法就

6、可以對索的長短及預應力進行調(diào)節(jié)，不僅施工階段可以調(diào)節(jié)，使用階段也可以調(diào)節(jié)。索端螺栓的調(diào)節(jié)量一般為3040mm，可根據(jù)需要尚可適當放大或縮小，因此，預應力施工控制時不必預留什么錨具損失、摩擦損失、索端支點彈性變形損失，不同索張拉時的相互影響損失等難于計算和難于定量的損失。建議用反復張拉、逐步到位的施工工藝。張拉調(diào)試完成后用索力測定儀測到的索力就是實際建立的有效索力。尚應指出索中的預拉力一般都控制在破斷拉力的15以內(nèi)，風荷作用下的最大拉力，一般也控制在索破斷拉力的35左右，而且最大拉力作用的時間是短暫的，所以索的應力松弛問題也可不必考慮。工程實踐表明，用索力測定儀指導索結(jié)構(gòu)形狀的微調(diào)，經(jīng)過34次反

7、復就可滿足設計要求的形狀和預應力控制值。但考慮到索結(jié)構(gòu)本身和相互影響的復雜性，結(jié)構(gòu)受荷后其連接點、螺紋、夾緊點等會有某種松弛，主體結(jié)構(gòu)也會有某種松弛變形，而索結(jié)構(gòu)一般都是依附在主體結(jié)構(gòu)上的，主體結(jié)構(gòu)承受荷載后的變形也會影響索中內(nèi)力的某種調(diào)整，所以預應力索結(jié)構(gòu)建成半年至一年后應對索力進行一次全面檢查和調(diào)整，以確保索結(jié)構(gòu)的正常工作是必要的。建議工程業(yè)主在使用過程中每隔一定時間也應對索力進行必要的抽查和維護，對新結(jié)構(gòu)采取謹慎的態(tài)度是必要的。只有經(jīng)過不斷實踐和總結(jié)，這種新結(jié)構(gòu)的施工工藝才會逐步成熟。二、 索力測定的原理和測定儀的研制研究分析表明：索力的測定分介入式和非介入式兩種。所謂介入式測力是指在索

8、的端頭或跨中，將索斷開后串接一只拉力傳感器，直接將索力讀出，這是一種最正確和直觀的測力方法，如圖2a、2b所示。圖 2a 圖 2b這種測力方法的投入大，只適用于試驗研究和噸位大、要求高的個別工程，不適用于布索量大的預應力索結(jié)構(gòu)工程。非介入式測力的方法也有兩種，一種是震動頻率測量法，即索的自振周期T與索內(nèi)張力H，索長L，索的質(zhì)量W成函數(shù)關系，即,或,式中g=9.81m/t2由公式可知，測出了索的震動周期T就可算出索內(nèi)的拉力H，原理比較簡單，但將震動信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)計算機處理后再輸出索力值。這個過程需要的儀器設備多，工人掌握的難度大，也不便于高空作業(yè)。另外索端的支承條件對索的震動周期有影響，對

9、索力測量的精確度也有影響。另一種測量索力的原理是基于索的橫向位移與索的拉力H、橫向力P和索的長度之間有函數(shù)關系，其力學原理如圖3所示。索拉力H越大，橫向力P作用下的位移越小。圖 3用力傳感器將橫向力P輸出，經(jīng)微處理器處理后轉(zhuǎn)化為索拉力，然后再用液晶顯示。上述原理也比較簡單，但橫向力與索力之間的關系，尚與索的直徑、斷面構(gòu)造和拉力的大小等有關，必須通過微處理器的修正和精確的標定等處理后才能獲得正確而穩(wěn)定的索力。通過近二年的探索，我們終于開發(fā)成功了體積小、重量輕、便于攜帶、便于在工地施工現(xiàn)場和高空作業(yè)等環(huán)境下使用的便攜式索力測定儀，測力精度可控制在3左右，達到了國外同類產(chǎn)品的水平，能夠在張緊鋼索的任何位置上迅速而準確地進行測量，經(jīng)過標定后能夠用于不同直徑、不同種類鋼索的測力，完全可滿足工程施工控制的需要，已在廣州會展、新白云國際機場、深圳市民中心、哈爾濱會展、長沙游泳跳水中