工程實例解析預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的施工

1、工程實例解析預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的施工-結(jié)構(gòu)理論本文通過工程實踐淺談預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的施工?！娟P(guān)鍵詞】 預(yù)應(yīng)力；鋼結(jié)構(gòu)；施工1工程概況某市體育館屋蓋結(jié)構(gòu)形式新穎，布置復(fù)雜，建筑效果美觀。屋 蓋形狀為不規(guī)則圓形，屋蓋采用弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系；該結(jié)構(gòu)體系由上 部單層網(wǎng)殼和下部弦支索桿體系構(gòu)成， 設(shè)置六道環(huán)索，局部布置構(gòu)造 鋼棒，其中撐桿采用圓鋼管、上下端錢接。該結(jié)構(gòu)具有用鋼量小，結(jié)構(gòu)輕盈，鋼結(jié)構(gòu) 體系截面類型少的特點，結(jié)構(gòu)形式見下圖。本工程索結(jié)構(gòu)部分主要有兩部分組成：環(huán)向索和徑向索。環(huán)向 索采用預(yù)應(yīng)力索規(guī)格為 5X 139纜索材料采用包雙層高強度鋼絲扭 較型鋼絞線，單根鋼絲直徑 5mm,抗拉強度不小于1670Mp

2、a,屈服 強度不小于1410Mpa,鋼索抗拉彈性模量（E）不小于1.9X05Mpa,徑向索采用 鋼拉桿規(guī)格為60抗拉弓雖度為835Mpa。2預(yù)應(yīng)力工程施工技術(shù)特點本工程所涉及的預(yù)應(yīng)力工程為預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)（張弦單層網(wǎng)殼）。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程具有施工難度大，施工前期準(zhǔn)備工作量大的特點。 本工程結(jié)構(gòu)形式比較新穎，而且現(xiàn)成的工程經(jīng)驗比較少，施工的難度 就更大。因此為使本工程達(dá)到設(shè)計質(zhì)量要求，確定了本工程技術(shù)要點。2.1 根據(jù)仿真計算確定上層單層網(wǎng)殼和預(yù)應(yīng)力索安裝順序，從技 術(shù)角度上確定預(yù)應(yīng)力索張拉方式，是采用張拉環(huán)向索還是張拉徑向索 完成結(jié)構(gòu)施工。并進(jìn)一步確定施工過程中的多級張拉和對稱張拉， 不 同階段預(yù)

3、應(yīng)力索施加初始力的預(yù)應(yīng)值。這里所謂的預(yù)應(yīng)力過程是指施加預(yù)應(yīng)力的過 程，對預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)預(yù)加預(yù)應(yīng)力的過程應(yīng)根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)類型分別采 用改變剛性桿件或柔性索的長度等方法。 本工程采用改變?nèi)嵝运鏖L度 的方法，即張拉柔性索。對結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，使預(yù)應(yīng)力能夠分布到整個結(jié)構(gòu)，達(dá)到預(yù)應(yīng) 力的目的，這個預(yù)應(yīng)力過程必須與設(shè)計的預(yù)應(yīng)力施加過程相一致。實際的預(yù)應(yīng)力施加過程作為非線性疊加步加以分析，而對于預(yù)應(yīng)力鋼結(jié) 構(gòu)來說尤其重要區(qū)分其初始幾何狀態(tài)和預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。因為在有些預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)初始幾 何的張拉過程與施加預(yù)應(yīng)力過程并不一致，這時預(yù)應(yīng)力過程必須根據(jù) 實際的設(shè)計情況加以區(qū)分，即首先完成曲線或曲面的張拉過程， 在考 慮為結(jié)

4、構(gòu)提供剛度的過程。如果這兩個狀態(tài)不一致時，預(yù)應(yīng)力施加過程是不能一氣呵 成的。簡言之，張拉結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)設(shè)計的主要內(nèi)容就是確定預(yù)應(yīng)力 過程的次序、步驟、采用的機械設(shè)備、每次預(yù)應(yīng)力過程的張拉量值， 同時控制結(jié)構(gòu)的形狀變化，因為結(jié)構(gòu)的形狀是與預(yù)應(yīng)力施工時密切相關(guān)的。2.2 預(yù)應(yīng)力索的加工精度。雖然制索在工廠內(nèi)完成，但制索的精 度應(yīng)在施工技術(shù)設(shè)計中得到計算和控制。 一些在制索過程中無法達(dá)到 的精度或產(chǎn)生的誤差宜在施工過程中通過相關(guān)的技術(shù)手段進(jìn)行彌補。2.3 預(yù)應(yīng)力索用鑄鋼球形節(jié)點、支點、連接耳板和張拉端、錨固 端節(jié)點等的設(shè)計及加工制作。2.4 結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場拼裝施工的工藝流程，制定預(yù)應(yīng)力索的安裝 就位

5、的組織設(shè)計。施工組織設(shè)計是預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn) 備，著重注意的技術(shù)要點是貫穿在制索、拉索和預(yù)應(yīng)力鋼索張拉過程 中。2.5 預(yù)應(yīng)力張拉過程不同工況下的預(yù)應(yīng)力建立，應(yīng)在仿真計算結(jié) 果的指導(dǎo)下進(jìn)行。并應(yīng)規(guī)定結(jié)構(gòu)的不同荷載，如屋面荷載，懸掛荷載 的施加步驟和方法，盡可能均勻、對稱、勻速施工，避免出現(xiàn)過大的 集中荷載。預(yù)應(yīng)力施加過程的控制，在每一階段預(yù)應(yīng)力過程中，結(jié)構(gòu)都經(jīng)歷一個自適 應(yīng)的過程，結(jié)構(gòu)會經(jīng)過自平衡而使內(nèi)力重分布，形狀也隨之改變，所 以預(yù)應(yīng)力的監(jiān)控是十分重要的。 本工程中將采取可靠的檢測手段， 對 鋼結(jié)構(gòu)的變形和預(yù)應(yīng)力鋼索的受力進(jìn)行實時監(jiān)測，以確保結(jié)構(gòu)施工期安全，保證結(jié)構(gòu) 的初始狀態(tài)與

6、原設(shè)計相符。3預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)路線3.1 技術(shù)路線的概述。此體育館屋蓋，總體安裝順序為：將上層 網(wǎng)殼和懸挑部分的鋼結(jié)構(gòu)全部安裝結(jié)束后， 進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。在網(wǎng)殼 安裝結(jié)束后，在腳手架支撐作用下所形成的結(jié)構(gòu)要跟設(shè)計圖紙相吻 合；支座為徑向可滑動支座；施加預(yù)應(yīng)力的方法為徑向索張拉，張拉分兩級，采取以控 制張拉力為主，監(jiān)測伸長值為輔的控制原則；張拉順序為由外向內(nèi)張 拉設(shè)計力的70%,由內(nèi)向外張拉設(shè)計力的100%。3.2 具體技術(shù)路線。3.2.1 預(yù)應(yīng)力施加原則。以施加預(yù)應(yīng)力前結(jié)構(gòu)的位形為初始位形， 設(shè)定拉索中的預(yù)拉力，此時，結(jié)構(gòu)的初始位形不能滿足結(jié)構(gòu)的平衡條 件，于是在節(jié)點上產(chǎn)生了不平衡力，在該不平衡力

7、的作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移，從而得到結(jié)構(gòu)新的位形，經(jīng)過多次迭代計算，節(jié)點不平衡力趨近于零。本 工程具體找形過程分為以下四個狀態(tài)：a、放樣態(tài)（預(yù)應(yīng)力零狀態(tài)）：無 自重、無預(yù)應(yīng)力作用的放樣狀態(tài)；b、預(yù)應(yīng)力平衡態(tài)：自重、預(yù)應(yīng)力 作用下的自平衡狀態(tài)；c、恒荷載態(tài)：自重、預(yù)應(yīng)力、并屋面恒荷載作用下的自平衡 狀態(tài)；d、設(shè)計荷載態(tài)：在預(yù)應(yīng)力零狀態(tài)的基礎(chǔ)上，承受設(shè)計荷載作 用的狀態(tài)。放樣態(tài)所對應(yīng)的幾何參數(shù)是構(gòu)件工廠加工的尺寸依據(jù)；自重態(tài) 所對應(yīng)狀態(tài)的就是整個結(jié)構(gòu)安裝結(jié)束后在自重作用下的狀態(tài)；對安裝后的結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力設(shè)計值后得到預(yù)應(yīng)力平衡態(tài)，其對應(yīng)的幾何參數(shù) 是設(shè)計圖紙上該結(jié)構(gòu)的幾何外形，即設(shè)計人員希望得到的幾何外

8、形， 此時索內(nèi)預(yù)應(yīng)力 己經(jīng)使單層網(wǎng)殼、撐桿和索三者形成共同工作的整體； 在此基礎(chǔ)上對 結(jié)構(gòu)施加恒荷載，結(jié)構(gòu)由預(yù)應(yīng)力平衡態(tài)變?yōu)楹愫奢d態(tài)， 施加設(shè)計荷載 作用時變?yōu)樵O(shè)計荷載態(tài)，如下圖所示。為了合理的確定拉索預(yù)應(yīng)力值，首先對未施加預(yù)應(yīng)力的張弦單 層網(wǎng)殼進(jìn)行了靜力分析。如果以減小甚至消除弦支穹頂對下部支撐體 系的水平推力為標(biāo)準(zhǔn)，若是可滑動較支，則以減小弦支穹頂?shù)乃轿?移，應(yīng)使支座節(jié)點在拉索預(yù)拉力及屋面荷載的共同作用下水平的徑向位移接近為零。 當(dāng)然了還要滿足在施加預(yù)應(yīng)力和荷載作用下，結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力要在設(shè)計 應(yīng)力范圍之內(nèi)，同時控制整體豎向位移、水平位移也要在設(shè)計范圍之 內(nèi)。3.2.2 預(yù)應(yīng)力施工方法。本工

9、程徑向拉索采用鋼拉桿（可調(diào)節(jié)） 在施加預(yù)應(yīng)力時，張拉徑向索，這樣結(jié)構(gòu)整體就能夠施加上預(yù)應(yīng)力。3.2.3 預(yù)應(yīng)力調(diào)整方法。所有撐桿可調(diào)，彌補制作缺陷。為彌補 上層網(wǎng)殼制作和安裝產(chǎn)生的誤差，在張拉前，將網(wǎng)殼節(jié)點準(zhǔn)確定位后， 通過調(diào)節(jié)撐桿來減小誤差，在張拉環(huán)向索后，可以通過調(diào)節(jié)撐桿的方 法來調(diào)整鋼索的預(yù)應(yīng)力，使鋼索及整體結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后達(dá)到設(shè)計狀態(tài)。3.2.4 預(yù)應(yīng)力施工保證措施。網(wǎng)殼逐球定位，提高安裝精度。為 了保證能夠順利裝索、施加預(yù)應(yīng)力，進(jìn)而使整體結(jié)構(gòu)在施工結(jié)束后能 夠達(dá)到設(shè)計要求，必須提高上層網(wǎng)殼安裝的精度。 本工程在網(wǎng)殼安裝 時，要做到逐個球節(jié)點準(zhǔn)確定位，提高網(wǎng)殼的整體安裝精度。4預(yù)應(yīng)力鋼索

10、對鋼結(jié)構(gòu)的安裝要求4.1 索體安裝精度。由于索體的安裝精度很高，索體長度的調(diào)節(jié) 量只有3到4厘米，因此為了保證整個結(jié)構(gòu)的安裝精度， 需要在把分 段制作完成的桁架在工廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)拼裝。同時到現(xiàn)場后上層單層網(wǎng)殼 的安裝要求精度更局。4.2 索體安裝精度。為了防止在鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中飛濺的火花灼傷索體，一方面要在索體表面纏繞防火布防護(hù)； 同時如果焊接部位正 下方有索體經(jīng)過時，要在焊接部位下面搭設(shè)防止火花飛落的防火板， 避免火花直接飛落到索體上。5兩種張拉方式的比較分析弦支穹頂?shù)膹埨绞椒謨煞N：張拉環(huán)向索和張拉徑向索。這兩 種張拉方式都有各自的優(yōu)缺點，要根據(jù)工程特點選擇合適的張拉方 法。張拉環(huán)向索張拉點少

11、，設(shè)備和人員需求量小，環(huán)向索力容易保證， 但張拉環(huán)向索的最大缺點是：環(huán)向索和索節(jié)點存在很大的摩擦力， 此摩擦力會造成撐 桿和徑向索力分布嚴(yán)重不均勻，造成結(jié)構(gòu)起拱不均勻。張拉徑向索可 以很好的彌補此缺點，對于全對稱結(jié)構(gòu)，張拉徑向索時索節(jié)點無切向 位移，本工程有一定的不對稱性，在索力設(shè)計時，一個原則是盡量減小索節(jié)點的切向 位移，經(jīng)索力調(diào)整，無論張拉過程中還是張拉完成后索節(jié)點的切向位 移都小于2mm。另外，本工程徑向索是成對的，可以通過調(diào)整其中 一根徑向索，調(diào)節(jié)索節(jié)點的切向位移以及撐桿內(nèi)力，因此張拉徑向索可以保證環(huán)向索、徑向索、撐桿內(nèi)力以及結(jié)構(gòu)起拱分布均勻。張拉徑向索的缺點是 張拉點多，設(shè)備和人員需

12、求量大，環(huán)向索力只能通過徑向索力反算。本工程的特點是：每個環(huán)向索節(jié)點，對于兩根撐桿和兩根徑向索，環(huán)向索分為12段，夾角為30°,角度較大，張拉環(huán)向索會產(chǎn)生很 大的摩擦力，造成兩根撐桿內(nèi)力嚴(yán)重不均，有些撐桿內(nèi)力會變號，而 且張拉完成后撐桿的內(nèi)力無法調(diào)整，因此本工程采取張拉徑向索的張拉方式。6預(yù)應(yīng)力索施工6.1 預(yù)應(yīng)力鋼索制作。預(yù)應(yīng)力鋼索及節(jié)點加工圖由預(yù)應(yīng)力專項施 工單位設(shè)計，制作加工由預(yù)應(yīng)力鋼索專業(yè)生產(chǎn)廠家完成。 預(yù)應(yīng)力鋼索 的制作加工如下：6.1.1 調(diào)直：為了使鋼索受荷后各根鋼絲或各股鋼絞線受力均勻,鋼索的制作時下料長度要求嚴(yán)格，要準(zhǔn)確、等長。下料采用應(yīng)力下料法”，將開盤在2003

13、00MPa拉應(yīng)力下的鋼絲或鋼絞線調(diào)直，可消 除一些非彈性因 素的影響。6.1.2 下料：鋼絲或鋼絞線的號料應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行。制作通長、水平 且與索等長的梢道，平行放入鋼索或鋼絞線，使其不互相交叉、扭曲， 在梢道定位板處控制索的下料長度。6.1.3 切割：鋼索應(yīng)用切割機切割，嚴(yán)禁用電弧切割或用氣割， 以防止損傷鋼絲。6.1.4 編束：宜用梳孔板向一方向梳理，同時編扎，每隔 1m左 右用細(xì)鋼絲編排扎緊，不讓鋼絲在束中交互扭壓。編扎成束后形成圓 形截面，每隔1m左右再用鐵絲扎緊。6.1.5 鋼索的預(yù)張拉：鋼索的預(yù)張拉是為了消除索的非彈性變形， 保證在使用時的彈性工作。預(yù)張拉在工廠內(nèi)進(jìn)行，一般選取鋼絲極限

14、強度的5055%為預(yù)張力，持荷時間為0.52.0h。6.1.6 鋼索的防護(hù)：鋼索在防護(hù)前必須表面處理，認(rèn)真除污。鋼 索的防護(hù)方法有：黃油裹布；塑料涂層；多層液體氯丁橡膠防護(hù)；表 面油漆；鋼索用套管；內(nèi)灌液體氯丁橡膠；將環(huán)氧樹脂粉末噴于鋼絲 上再熱熔、固化形成，外加PE套管。這些防護(hù)方法可適應(yīng)周圍無嚴(yán)重侵蝕性的一般 環(huán)境。6.2 預(yù)應(yīng)力放索與吊裝。6.2.1 在腳手架一階平臺面上準(zhǔn)備 3米M0米的平面以滿足索體 放盤所需的空間要求。6.2.2 針對索盤內(nèi)徑、外徑、高度、重量等參數(shù)提前加工放索架 并運到現(xiàn)場。6.2.3 塔吊將預(yù)應(yīng)力索吊起安放至放索架上。6.2.4 本工程預(yù)應(yīng)力索較長，環(huán)向索最長達(dá)

15、 62m （分為四段后）， 重達(dá)4t左右（包括索頭），故穿索時要借助牽引機（牽引機的牽引力 范圍在3t左右），每兩個撐桿間用兩個倒鏈掛住。在地面開盤放索， 放索采用人工牽引放索。放索由一端向另一端牽引。為防止散盤，對轉(zhuǎn)盤設(shè)置剎車 和限位裝置。為防止索體在移動過程中與地面接觸，索頭用布包住， 在地面沿放索方向鋪設(shè)一些圓軸承，以保證索體不與地面接觸。6.2.5 除部分長度短且質(zhì)量輕的索體采用人工方式搬運，大部分 預(yù)應(yīng)力拉索需塔吊配合吊裝到位。吊裝應(yīng)在鋼結(jié)構(gòu)安裝前進(jìn)行。吊裝 時使用鋼管作扁擔(dān)輔助吊具。6.3 預(yù)應(yīng)力索張拉。6.3.1 張拉前撐桿初始位置：張拉前撐桿都是向內(nèi)偏斜的，張拉 完成后撐桿達(dá)到

16、垂直效果。6.3.2 張拉設(shè)備的選用：經(jīng)過計算，徑向索最大張拉力約32t左右，需要兩臺25t千斤頂，并且一次同時張拉12根徑向索，故選用 24臺25t千斤頂，即同時使用12套張拉設(shè)備。6.3.3 預(yù)應(yīng)力鋼索張拉前標(biāo)定張拉設(shè)備：張拉設(shè)備采用預(yù)應(yīng)力鋼 結(jié)構(gòu)專用千斤頂和配套油泵、油壓傳感器、讀數(shù)儀及千斤頂支撐架。 根據(jù)設(shè)計和預(yù)應(yīng)力工藝要求的實際張拉力對油壓傳感器及讀數(shù)儀進(jìn) 行標(biāo)定。標(biāo)定書在張拉資料中給出。6.3.4 張拉時的技術(shù)參數(shù)及控制原則：張拉時的控制原則為：索 力控制為主，伸長值控制為輔6.3.5 張拉過程：施工前用仿真模擬張拉工況，以此作為指導(dǎo)試張拉的依據(jù)。張拉逐級加載分成 2級，分別為0.7(T con 1.0(rcon張拉設(shè)備和工具等輔助設(shè)備全部準(zhǔn)備及加工到位運至現(xiàn)場。張拉時，服從統(tǒng)一指揮，按張拉給定的控制技術(shù)參數(shù)進(jìn)行精確控制張拉。6.4 張拉質(zhì)量控制方法和要求。6.4.1 張拉時按標(biāo)定的數(shù)值進(jìn)行張拉，用伸長值和油壓傳感器數(shù) 值進(jìn)行校核。6.4.2 認(rèn)真檢查張拉設(shè)備和與張拉設(shè)備相接的鋼索，以保證張拉 安全、有效。6.4.3 張拉嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行，控制給油速度，給油時間不 應(yīng)低于0.5min。6.4.4 張拉設(shè)備形心應(yīng)與預(yù)應(yīng)力鋼索在同一軸線上。6.4.5 實測伸長值與計算伸長值相差超過允許誤差時，應(yīng)停止張 拉，報告工程師進(jìn)行處理。7預(yù)應(yīng)力張