齊金萍，朱奕鋒

（中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088）

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)在大跨空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，種類繁多，根據(jù)剛度可分為半剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)。半剛性結(jié)構(gòu)主要有斜拉結(jié)構(gòu)、索拱結(jié)構(gòu)、拉索結(jié)構(gòu)和張弦結(jié)構(gòu)，主動(dòng)受力和被動(dòng)受力相結(jié)合，如深圳游泳跳水館、吉林速滑館、深圳東部華僑城多功能劇場(chǎng)、天津梅江會(huì)展中心等；柔性結(jié)構(gòu)以主動(dòng)受力為主，主要有索桁架、索穹頂、張拉整體結(jié)構(gòu)和索膜結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)中主要承力構(gòu)件為索，其幾何形狀和結(jié)構(gòu)剛度均依靠拉索或膜結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)。

1 預(yù)應(yīng)力拉索張拉技術(shù)特點(diǎn)

由于預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式多樣，每個(gè)工程中索的直徑、張拉力值和錨固形式差別較大。因此，進(jìn)行拉索的張拉要做好以下2個(gè)方面的工作。

1.1 施工仿真計(jì)算分析

預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)的張拉成形過(guò)程主要是確定預(yù)應(yīng)力過(guò)程的順序、步驟，以及采用的機(jī)械設(shè)備、張拉力值和拉索伸長(zhǎng)值等。施工仿真分析是對(duì)預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)的張拉成形過(guò)程進(jìn)行模擬，拉索的下料長(zhǎng)度、張拉力值及工裝設(shè)計(jì)均需通過(guò)仿真分析得到。通過(guò)針對(duì)具體工程建立結(jié)構(gòu)整體模型，進(jìn)行施工仿真模擬計(jì)算，指導(dǎo)拉索的安裝和張拉，可起到事半功倍的作用。

施工仿真模擬計(jì)算應(yīng)得出如下結(jié)果：根據(jù)設(shè)計(jì)要求狀態(tài)確定每根拉索標(biāo)記力，即下料要求預(yù)應(yīng)力值；根據(jù)設(shè)計(jì)要求狀態(tài)的索力確定張拉階段的最大索力，選擇合適的張拉機(jī)具；驗(yàn)證張拉施工方案的可行性，確保張拉成形過(guò)程安全；給出每根拉索每級(jí)張拉力值，為實(shí)際張拉時(shí)張拉力值的確定提供理論依據(jù)；給出每張拉步結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力分布，為張拉過(guò)程中的變形監(jiān)測(cè)及索力監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)。

1.2 預(yù)應(yīng)力張拉工裝設(shè)計(jì)

通過(guò)仿真分析，確定張拉次序和張拉力值后應(yīng)進(jìn)行張拉設(shè)備的選擇和張拉工裝的設(shè)計(jì)。由于預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，種類繁多，張拉工裝不僅與索的直徑、錨具形式有關(guān)，而且與支座構(gòu)造及邊界條件有關(guān)。因此，基本上每個(gè)預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)的張拉工裝都應(yīng)專門設(shè)計(jì)，但每種類型的預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)的工裝設(shè)計(jì)原則是相同的。

以下通過(guò)順義區(qū)城南體育中心體育館和天津梅江會(huì)展中心2個(gè)工程實(shí)例介紹施工仿真模擬過(guò)程和工裝設(shè)計(jì)。

2 施工仿真模擬

2.1 順義區(qū)城南體育中心體育館

2.1.1 工程概況

順義區(qū)城南體育中心體育館平面尺寸為75.0m×78.4m，結(jié)構(gòu)軸線頂部高度22.136m。中部比賽區(qū)為單層大跨拉索鋼結(jié)構(gòu)，軸線平面尺寸為60.0m×63.8m，水平投影面積3 828m2。屋蓋結(jié)構(gòu)為雙向張弦梁結(jié)構(gòu)，柱距分別為8.25m和9.00m。結(jié)構(gòu)在4個(gè)角點(diǎn)的支座采用固定鉸支座，其他位置的支座沿拉索方向可滑動(dòng)。2個(gè)方向的主梁采用□800×400×25×30箱形梁；拉索采用雙層PE拉索，規(guī)格5mm×139mm和5m×199mm，強(qiáng)度1 670MPa。上部鋼梁及下部拉索均為空間二次拋物面布置。鋼梁向上起拱拋物面頂點(diǎn)高度1.5m，拉索向下起拱拋物面頂點(diǎn)高度5.5m，二次拋物面在四周支座處交會(huì)于水平平面高度20.7m處。屋蓋結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 屋蓋主結(jié)構(gòu)模型

2.1.2 張拉順序

將拉索分6批進(jìn)行對(duì)稱張拉，每批張拉2根拉索。結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)軸和短軸各有6根拉索，分6批將拉索張拉至70%設(shè)計(jì)初拉力，然后再按張拉順序張拉至105%設(shè)計(jì)初拉力（考慮5%超張拉）。從兩側(cè)往中間進(jìn)行張拉，一次張拉2根，對(duì)稱張拉，張拉位置和張拉順序如圖2所示。

2.1.3 張拉力值

根據(jù)圖2的張拉順序計(jì)算出各張拉批次的張拉力值，并按照該張拉力值進(jìn)行千斤頂和油泵選擇，以及設(shè)計(jì)相應(yīng)的張拉工裝。實(shí)際張拉時(shí)根據(jù)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行張拉力值控制，并根據(jù)仿真模擬分析的位移值進(jìn)行監(jiān)控。

圖2 張拉順序

2.2 天津梅江會(huì)展中心

2.2.1 工程概況

天津梅江會(huì)展中心鋼屋蓋采用張弦桁架結(jié)構(gòu)，主跨度90m，主跨兩側(cè)各懸挑9m，如圖3所示。2榀張弦桁架之間的距離（柱距）為15m，一側(cè)柱頂比另一側(cè)高2.25m。張弦桁架結(jié)構(gòu)的上部桁架采用的為剖面呈倒三角形的空間管桁架，鋼桁架的高度為2.5m，跨中撐桿高度為8m，撐桿采用圓鋼管，均勻地布置9根，下弦索采用的是7mm×265mm半平行鋼絲束。垂直于張弦桁架方向，每隔18m采用三角形管桁架把每榀張弦梁連成整體，整個(gè)三維模型如圖4所示。

圖3 單榀張弦桁架

圖4 三維空間模型

2.2.2 張弦桁架總體張拉

1）總體張拉思路 按照理想模型在地面拼裝完單榀張弦梁后一次張拉到位，然后將張弦梁吊裝到柱頂就位，此時(shí)桁架支座允許滑移，安裝完次桁架和屋面結(jié)構(gòu)后固定桁架支座，并對(duì)張弦梁的上弦變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2）單榀張弦桁架施工驗(yàn)算 荷載為桁架自重和張拉力，支座為一端固定，另一端滑動(dòng)，采用通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算。

3）桁架吊裝 單榀桁架吊裝采用2輛汽車式起重機(jī)抬吊，吊鉤位置確定為接近1/3處，故計(jì)算模型對(duì)應(yīng)修改為：刪除支座約束，用link10單元模擬吊索，并將吊索上端約束，如圖5所示。在桁架吊裝狀態(tài)下，桁架的跨度減小。雖無(wú)側(cè)向支撐約束，但整個(gè)結(jié)構(gòu)重心在2個(gè)約束連線的下方。通過(guò)計(jì)算，整體穩(wěn)定不存在問(wèn)題，只需保證單個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力小于鋼材強(qiáng)度即可。

圖5 吊裝過(guò)程計(jì)算模型

4）整體張弦桁架施工驗(yàn)算 荷載為桁架自重、張拉力和次桁架及屋面自重，支座為一端固定，另一端滑動(dòng)，采用通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算，仿真分析結(jié)果如表1所示。

表1 仿真分析結(jié)果

從以上計(jì)算可看出，張弦桁架各桿件的應(yīng)力及位移均滿足要求，故最終確定的張弦桁架安裝方案為：在地面將單榀張弦桁架拼裝并一步張拉到位，然后逐榀進(jìn)行吊裝并安裝就位，隨后安裝次桁架和屋面，最后固定張弦桁架支座。

3 工裝設(shè)計(jì)

工程中常用的拉索錨具主要為螺紋螺母錨具和叉耳式錨具。首先根據(jù)施工仿真模擬計(jì)算確定的張拉力選擇相應(yīng)的千斤頂和配套油泵，并根據(jù)錨具類型、索直徑及錨固節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的工裝。

3.1 叉耳錨具張拉工裝

北京順義區(qū)城南體育中心體育館的拉索直徑為94mm，索頭采用熱鑄叉耳式錨具，張拉工裝主要由U形卡、橫擔(dān)、張拉桿和承力架組成，如圖6所示。U形卡加工成弧形，套住叉耳錨具的外側(cè)，為使U形卡與錨具外側(cè)連接緊密，加U形卡墊；橫擔(dān)的兩端開孔與U形卡連接，中間開孔與張拉桿的一端連接；張拉桿的另一端與承力架連接；拉索從承力架的中部開孔處穿過(guò)，承力架作用于拉索與錨具連接處。張拉桿一般采用鋼棒，如果張拉力不超過(guò)300kN，也可采用15.2mm的鋼絞線。

圖6 張拉設(shè)備組裝

3.2 螺紋螺母錨具張拉工裝

天津梅江會(huì)展中心的拉索直徑為150mm，索頭采用的是螺紋螺母冷鑄錨具，張拉工裝主要由張拉桿、張拉撐腳、調(diào)節(jié)螺母和張拉填芯等組成，如圖7所示，在螺紋螺母錨具的內(nèi)側(cè)加工內(nèi)螺紋，張拉填芯與內(nèi)螺紋連接，張拉桿穿過(guò)張拉撐腳與張拉填芯連接。千斤頂通過(guò)牽引張拉桿對(duì)拉索進(jìn)行張拉，張拉撐腳承受千斤頂?shù)膲毫?，張拉時(shí)同時(shí)旋轉(zhuǎn)錨具上的螺母固定。

圖7 螺紋螺母錨具張拉工裝組裝

4 張拉控制原則與操作要點(diǎn)

4.1 張拉控制原則

根據(jù)設(shè)計(jì)和預(yù)應(yīng)力工藝要求確定的實(shí)際張拉力對(duì)千斤頂、油泵進(jìn)行標(biāo)定，制作標(biāo)定證書，以方便檢查和使用。預(yù)應(yīng)力鋼索張拉采用雙控，即以預(yù)應(yīng)力鋼索拉力控制為主，監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)變形控制為輔。每根預(yù)應(yīng)力鋼索張拉完成后應(yīng)立即測(cè)量校對(duì)，如發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)暫停張拉，待查明原因并采取措施后再繼續(xù)張拉。

4.2 操作要點(diǎn)

1）張拉設(shè)備安裝 由于張拉設(shè)備組件較多，因此在進(jìn)行安裝時(shí)必須小心安放，使張拉設(shè)備形心與鋼索重合，以保證預(yù)應(yīng)力鋼索在進(jìn)行張拉時(shí)不產(chǎn)生偏心。

2）拉索張拉 油泵啟動(dòng)供油正常后開始加壓，當(dāng)壓力達(dá)到鋼索設(shè)計(jì)拉力時(shí)，超張拉5%，然后停止加壓，完成預(yù)應(yīng)力鋼索張拉。張拉時(shí)要控制給油速度，給油時(shí)間不應(yīng)低于0.5min。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)前景廣闊。通過(guò)天津梅江會(huì)展中心和北京順義區(qū)城南體育中心體育館2個(gè)工程實(shí)例，介紹預(yù)應(yīng)力拉索施工過(guò)程的仿真模擬、張拉工藝和工裝設(shè)計(jì)，以期為類似工程提供技術(shù)支持和參考。