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摘要：預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的主流結(jié)構(gòu)形式，其以少量高強(qiáng)度鋼材代替一部分普通鋼材并提高其它構(gòu)件的承載能力而取得顯著經(jīng)濟(jì)效益。國內(nèi)預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)比較薄弱，本文通過對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工控制的研究，重點(diǎn)闡述了預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工過程控制方法和施工過程中的監(jiān)測內(nèi)容及方法。從而保證預(yù)應(yīng)力施工過程有理有序的進(jìn)行，同時(shí)保證施工期間的安全。...

淺析預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

柳明亮  張欣

（陜西省建筑科學(xué)研究院，陜西西安710082  中國五洲工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京100053）

    預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域新成果的新型結(jié)構(gòu)形式，是以索為主要受力構(gòu)件與其他鋼結(jié)構(gòu)體系組合的平面和空間雜交結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)類型更為豐富，更具有結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性。它能充分發(fā)揮材料性能，高強(qiáng)度的拉索施加預(yù)應(yīng)力后，有極強(qiáng)的現(xiàn)代感。由于拉索的引入，使得鋼結(jié)構(gòu)的空間尺寸和桿件尺寸均大幅降低，從而使結(jié)構(gòu)更加輕盈、經(jīng)濟(jì)。該結(jié)構(gòu)形式在大量的工程實(shí)踐中不斷地完善和提高，取得了顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。一般情況下，預(yù)應(yīng)力平面結(jié)構(gòu)可以節(jié)約鋼材10％～20％，預(yù)應(yīng)力空間體系則可節(jié)約鋼材40％～50％。

一、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)原理

    預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是在設(shè)計(jì)、制造、安裝、施工和使用過程中，采用人為方法引入預(yù)應(yīng)力以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的各類鋼結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)通過引入預(yù)應(yīng)力后受力機(jī)理得到改善，因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力調(diào)整了外部荷載與結(jié)構(gòu)內(nèi)部抗力的關(guān)系，充分發(fā)掘了剛才彈性強(qiáng)度的潛力，所以預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的動(dòng)、靜力性能得到改善。

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)通過對(duì)力的重復(fù)、轉(zhuǎn)移、質(zhì)變以及優(yōu)選使得構(gòu)件的內(nèi)力減小或承載力增加，變形也隨之減少，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)形式更合理更經(jīng)濟(jì)。

二、預(yù)應(yīng)力施工

    預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工過程實(shí)際上是幾何體系由機(jī)構(gòu)（準(zhǔn)機(jī)構(gòu)）變?yōu)榭沙袚?dān)設(shè)計(jì)荷載的結(jié)構(gòu)體系過程。“剛性”桿件在未進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉并參與工作前，鋼網(wǎng)架整體剛度較小，可以看作為準(zhǔn)機(jī)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)體系安全控制不同于常規(guī)結(jié)構(gòu)體系，

    預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的施工順序和施工方法。不同施工順序和施工方法對(duì)桿件內(nèi)力會(huì)有很大影響，在施工過程中，有些桿件內(nèi)力可能超過結(jié)構(gòu)成形之后的內(nèi)力。這類結(jié)構(gòu)體系安全控制不同于常規(guī)結(jié)構(gòu)體系，需要對(duì)結(jié)構(gòu)在成形后正常使用狀態(tài)下的承載力，剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行控制，同時(shí)應(yīng)研究預(yù)應(yīng)力張拉施工過程中結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，并對(duì)結(jié)構(gòu)幾何成形過程中的安全性進(jìn)行控制。

三、預(yù)應(yīng)力施工模擬

    對(duì)于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)來說，在施工過程中，結(jié)構(gòu)內(nèi)力及幾何形狀均在不斷的變化。采用分批張拉發(fā)張拉預(yù)應(yīng)力時(shí)，后期張拉的拉索將會(huì)對(duì)前期已張拉成形的拉索的內(nèi)力產(chǎn)生影響。因此，需要對(duì)每一張拉過程的張力控制值進(jìn)行精確模擬計(jì)算，以保證張拉完成后，實(shí)際內(nèi)力值及設(shè)計(jì)要求值一致，同時(shí)保證施工過程中的安全。

    為了方便表述，明確以下三個(gè)定義:幾何零狀態(tài)、安裝狀態(tài)、初始(預(yù)應(yīng)力)態(tài)。幾何零狀態(tài)表示結(jié)構(gòu)初始外形幾何形狀的狀態(tài)，體系處于無自重、無預(yù)應(yīng)力作用;安裝狀態(tài)指的是單層網(wǎng)殼、斜向鋼拉桿、豎向撐桿及環(huán)索已安裝，準(zhǔn)備開始張拉時(shí)的狀態(tài);初始( 預(yù)應(yīng)力) 狀態(tài)指的是有預(yù)應(yīng)力、有桿件自重、無屋面的其他外荷載情況下的幾何狀態(tài)，這時(shí)拉索內(nèi)的預(yù)應(yīng)力稱為初始預(yù)應(yīng)力。

    某體育館屋蓋采用弦支穹頂結(jié)構(gòu)，球冠直徑92m，支撐于角度等分圓周的24根鋼筋混凝土圓柱上。共布置7道環(huán)索，環(huán)索由里至外依次為1～7圈。

    對(duì)該工程采用ANSYS 10.0進(jìn)行建模，采用單元生死技術(shù)和多時(shí)間步連續(xù)分析技術(shù)來模擬預(yù)應(yīng)力拉索張拉過程。分析模擬時(shí)，假定施工張拉采用分批一次張拉，采用單元生死法逐根激活索單元，通過對(duì)索單元施加初始應(yīng)變引入預(yù)應(yīng)力。采用多時(shí)間步連續(xù)分析技術(shù)，每一步均以上一步的分析結(jié)果作為基礎(chǔ)，與實(shí)際施工過程吻合良好。

    本工程施工模擬采用施工反分析法，該方法從弦支穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理想成型狀態(tài)（安裝狀態(tài)）出發(fā)，以成形時(shí)索、桿內(nèi)力和幾何狀態(tài)為初值，按照一定的施工順序依次拆除各圈索桿，從而確定各個(gè)階段的結(jié)構(gòu)施工控制參數(shù)，最終確定結(jié)構(gòu)的幾何零狀態(tài)。通過對(duì)結(jié)構(gòu)不同工況受力情況給出索張力設(shè)計(jì)值，后根據(jù)索張力設(shè)計(jì)值計(jì)算出張拉階段索施工張力控制值(見表2)。

圖 1有限元計(jì)算模型

表 1單元類型及材料規(guī)格

表 2 索施工張力控制值（KN）

    在實(shí)際工程中，為保證結(jié)構(gòu)在施工過程中尤其是預(yù)應(yīng)力張拉過程中的的安全，同時(shí)保證預(yù)應(yīng)力張拉施工的準(zhǔn)確性，使張拉完成后，實(shí)際施工中的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)剛度與設(shè)計(jì)要求相符，應(yīng)對(duì)張拉過程中結(jié)構(gòu)索力、桿件應(yīng)力、應(yīng)變和變形等進(jìn)行監(jiān)測。

    預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)一般為大跨結(jié)構(gòu)，均為分段安裝后進(jìn)行整體拼裝，安裝和拼裝時(shí)測量工作較大，空間控制也較難。由于鋼結(jié)構(gòu)與下部非鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件通過預(yù)埋件相連，由于不同材料結(jié)構(gòu)施工規(guī)范存在差別，這增加了施工過程中安裝及校正的難度。

    4.1、索力監(jiān)測

    工程中常用的索力測量方法有壓力表測試法、傳感器讀數(shù)法、頻率法等。

    施工階段采用壓力表法進(jìn)行拉索索力控制，此時(shí)，可以直接通過油壓表讀數(shù)換算成千斤頂?shù)膹埨�力直接讀出。事先經(jīng)過標(biāo)定的千斤頂測試索力精度可達(dá)到1%～2%。

    因此，在施工階段時(shí)進(jìn)行索力可以直接利用壓力表法進(jìn)行監(jiān)測。該方法借助已有設(shè)備進(jìn)行施工過程控制，壓力表測試法比較直觀，簡單易行，不需要添置另外的儀器設(shè)備，節(jié)省成本，是施工中索力檢測最適合的方法。

    4.2、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

    盡管利用先進(jìn)的計(jì)算手段對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析，但計(jì)算時(shí)往往會(huì)引用一部分假定使得計(jì)算模型和實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)依舊存在差異；同時(shí)由于鋼結(jié)構(gòu)在制作、安裝過程中存在很多不確定性因素從而可能引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力的變化。為保證整個(gè)施工過程安全可控，需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件在整個(gè)施工過程中的應(yīng)力進(jìn)行有效監(jiān)測。從而達(dá)到全面把握卸載過程中的實(shí)際受力狀態(tài)與原設(shè)計(jì)的符合情況，提供結(jié)夠構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變的實(shí)時(shí)信息。這對(duì)于保證結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全具有十分重要的意義。

    工程中常采用各種類型的應(yīng)力應(yīng)變傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，常用的傳感器種類有振弦傳感器、光纖光柵傳感器和電阻應(yīng)變傳感器等。通過傳感器采集數(shù)據(jù)，后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以獲得結(jié)構(gòu)中重要構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，及時(shí)獲得結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)狀態(tài)，保證施工過程安全可控。

    4.3、變形監(jiān)測

    由于工程實(shí)際與仿真模擬時(shí)采用的假定并不能完全相符，故需要對(duì)工程變形情況進(jìn)行測量，確定其空間位置隨時(shí)間的變化過程。

變形監(jiān)測與工程建設(shè)中的測圖和施工測量相比，有很多自身特點(diǎn)：精度要求高、需要重復(fù)監(jiān)測、結(jié)合各種監(jiān)測方法、數(shù)據(jù)處理要求嚴(yán)格和多學(xué)科知識(shí)配合等。利用變形監(jiān)測技術(shù)，對(duì)工程建筑物進(jìn)行定期、系統(tǒng)的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采取工程補(bǔ)救。對(duì)于預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)在整個(gè)施工過程需要對(duì)結(jié)構(gòu)中變形較大位置進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，和數(shù)值模擬得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以保證結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全。

    變形監(jiān)測首先需要布置基準(zhǔn)點(diǎn)，建立監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)，同時(shí)確定監(jiān)測點(diǎn)位置。利用全站儀等儀器進(jìn)行監(jiān)測，獲得結(jié)構(gòu)在施工過程中撓度值。通過獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并同數(shù)值分析時(shí)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，獲取結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)狀態(tài)，確保結(jié)構(gòu)施工過程安全可控。

五、結(jié)論

    對(duì)于不同的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)實(shí)際情況綜合分析最適合本工程的施工工藝，以確保結(jié)構(gòu)中不同構(gòu)件整體協(xié)同工作，施工工序簡單，施工工期短；同時(shí)確保施工期間的質(zhì)量與安全。

    施工全過程分析是保證預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工過程安全可控的重要手段。對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工過程分析能夠很好的了解施工過程中各桿件內(nèi)力的變化，以保證施工過程安全可靠。同時(shí)使用生死單元與溫度荷載調(diào)節(jié)技術(shù)能夠有效的實(shí)現(xiàn)施工全過程模擬。

    預(yù)應(yīng)力索在實(shí)際過程中一般為分批張拉，使得桿件最大內(nèi)力可能出現(xiàn)在施工過程中。因此需要對(duì)結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力索張拉階段時(shí)不同工況進(jìn)行模擬分析，計(jì)算出張拉計(jì)算索應(yīng)力控制值。

    對(duì)于預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)大部分為高空作業(yè)，施工難度大。在工程施工過程中，結(jié)合工程特點(diǎn)及施工模擬的數(shù)據(jù)，提出合理的施工監(jiān)測方案，能夠更好的確保結(jié)構(gòu)施工的順利進(jìn)行，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)在施工過程中安全可控。

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)     文徑網(wǎng)絡(luò)：呂琳琳  尹維維 編輯    劉真 文徑 審核)

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