工程實例解析預應力鋼結構的施工

1、工程實例解析預應力鋼結構的施工-結構理論本文通過工程實踐淺談預應力鋼結構的施工?！娟P鍵詞】 預應力；鋼結構；施工1工程概況某市體育館屋蓋結構形式新穎，布置復雜，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構體系；該結構體系由上 部單層網殼和下部弦支索桿體系構成， 設置六道環(huán)索，局部布置構造 鋼棒，其中撐桿采用圓鋼管、上下端錢接。該結構具有用鋼量小，結構輕盈，鋼結構 體系截面類型少的特點，結構形式見下圖。本工程索結構部分主要有兩部分組成：環(huán)向索和徑向索。環(huán)向 索采用預應力索規(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預應力工程施工技術特點本工程所涉及的預應力工程為預應力鋼結構（張弦單層網殼）。預應力鋼結構工程具有施工難度大，施工前期準備工作量大的特點。 本工程結構形式比較新穎，而且現(xiàn)成的工程經驗比較少，施工的難度 就更大。因此為使本工程達到設計質量要求，確定了本工程技術要點。2.1 根據(jù)仿真計算確定上層單層網殼和預應力索安裝順序，從技 術角度上確定預應力索張拉方式，是采用張拉環(huán)向索還是張拉徑向索 完成結構施工。并進一步確定施工過程中的多級張拉和對稱張拉， 不 同階段預

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

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

5、的組織設計。施工組織設計是預應力鋼結構的施工進行技術準 備，著重注意的技術要點是貫穿在制索、拉索和預應力鋼索張拉過程 中。2.5 預應力張拉過程不同工況下的預應力建立，應在仿真計算結 果的指導下進行。并應規(guī)定結構的不同荷載，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。預應力施加過程的控制，在每一階段預應力過程中，結構都經歷一個自適 應的過程，結構會經過自平衡而使內力重分布，形狀也隨之改變，所 以預應力的監(jiān)控是十分重要的。 本工程中將采取可靠的檢測手段， 對 鋼結構的變形和預應力鋼索的受力進行實時監(jiān)測，以確保結構施工期安全，保證結構 的初始狀態(tài)與

6、原設計相符。3預應力施工技術路線3.1 技術路線的概述。此體育館屋蓋，總體安裝順序為：將上層 網殼和懸挑部分的鋼結構全部安裝結束后， 進行預應力張拉。在網殼 安裝結束后，在腳手架支撐作用下所形成的結構要跟設計圖紙相吻 合；支座為徑向可滑動支座；施加預應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張 拉設計力的70%,由內向外張拉設計力的100%。3.2 具體技術路線。3.2.1 預應力施加原則。以施加預應力前結構的位形為初始位形， 設定拉索中的預拉力，此時，結構的初始位形不能滿足結構的平衡條 件，于是在節(jié)點上產生了不平衡力，在該不平衡力

7、的作用下，結構產生位移，從而得到結構新的位形，經過多次迭代計算，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)（預應力零狀態(tài)）：無 自重、無預應力作用的放樣狀態(tài)；b、預應力平衡態(tài)：自重、預應力 作用下的自平衡狀態(tài)；c、恒荷載態(tài)：自重、預應力、并屋面恒荷載作用下的自平衡 狀態(tài)；d、設計荷載態(tài)：在預應力零狀態(tài)的基礎上，承受設計荷載作 用的狀態(tài)。放樣態(tài)所對應的幾何參數(shù)是構件工廠加工的尺寸依據(jù)；自重態(tài) 所對應狀態(tài)的就是整個結構安裝結束后在自重作用下的狀態(tài)；對安裝后的結構施加預應力設計值后得到預應力平衡態(tài)，其對應的幾何參數(shù) 是設計圖紙上該結構的幾何外形，即設計人員希望得到的幾何外

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

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

10、對鋼結構的安裝要求4.1 索體安裝精度。由于索體的安裝精度很高，索體長度的調節(jié) 量只有3到4厘米，因此為了保證整個結構的安裝精度， 需要在把分 段制作完成的桁架在工廠內進行預拼裝。同時到現(xiàn)場后上層單層網殼 的安裝要求精度更局。4.2 索體安裝精度。為了防止在鋼結構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； 同時如果焊接部位正 下方有索體經過時，要在焊接部位下面搭設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重不均勻，造成結構起拱不均勻。張拉徑向索可 以很好的彌補此缺點，對于全對稱結構，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，在索力設計時，一個原則是盡量減小索節(jié)點的切向 位移，經索力調整，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，可以通過調整其中 一根徑向索，調節(jié)索節(jié)點的切向位移以及撐桿內力，因此張拉徑向索可以保證環(huán)向索、徑向索、撐桿內力以及結構起拱分布均勻。張拉徑向索的缺點是 張拉點多，設備和人員需

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)向索會產生很 大的摩擦力，造成兩根撐桿內力嚴重不均，有些撐桿內力會變號，而 且張拉完成后撐桿的內力無法調整，因此本工程采取張拉徑向索的張拉方式。6預應力索施工6.1 預應力鋼索制作。預應力鋼索及節(jié)點加工圖由預應力專項施 工單位設計，制作加工由預應力鋼索專業(yè)生產廠家完成。 預應力鋼索 的制作加工如下：6.1.1 調直：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格，要準確、等長。下料采用應力下料法”，將開盤在2003

13、00MPa拉應力下的鋼絲或鋼絞線調直，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嚴格進行。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：鋼索應用切割機切割，嚴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 鋼索的預張拉：鋼索的預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。預張拉在工廠內進行，一般選取鋼絲極限

14、強度的5055%為預張力，持荷時間為0.52.0h。6.1.6 鋼索的防護：鋼索在防護前必須表面處理，認真除污。鋼 索的防護方法有：黃油裹布；塑料涂層；多層液體氯丁橡膠防護；表 面油漆；鋼索用套管；內灌液體氯丁橡膠；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。這些防護方法可適應周圍無嚴重侵蝕性的一般 環(huán)境。6.2 預應力放索與吊裝。6.2.1 在腳手架一階平臺面上準備 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 塔吊將預應力索吊起安放至放索架上。6.2.4 本工程預應力索較長，環(huán)向索最長達

15、 62m （分為四段后）， 重達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，對轉盤設置剎車 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 除部分長度短且質量輕的索體采用人工方式搬運，大部分 預應力拉索需塔吊配合吊裝到位。吊裝應在鋼結構安裝前進行。吊裝 時使用鋼管作扁擔輔助吊具。6.3 預應力索張拉。6.3.1 張拉前撐桿初始位置：張拉前撐桿都是向內偏斜的，張拉 完成后撐桿達到

16、垂直效果。6.3.2 張拉設備的選用：經過計算，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套張拉設備。6.3.3 預應力鋼索張拉前標定張拉設備：張拉設備采用預應力鋼 結構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)設計和預應力工藝要求的實際張拉力對油壓傳感器及讀數(shù)儀進 行標定。標定書在張拉資料中給出。6.3.4 張拉時的技術參數(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張拉設備和工具等輔助設備全部準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參數(shù)進行精確控制張拉。6.4 張拉質量控制方法和要求。6.4.1 張拉時按標定的數(shù)值進行張拉，用伸長值和油壓傳感器數(shù) 值進行校核。6.4.2 認真檢查張拉設備和與張拉設備相接的鋼索，以保證張拉 安全、有效。6.4.3 張拉嚴格按照操作規(guī)程進行，控制給油速度，給油時間不 應低于0.5min。6.4.4 張拉設備形心應與預應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，應停止張 拉，報告工程師進行處理。7預應力張