淺析預應力鋼結構施工技術

柳明亮  張欣

（陜西省建筑科學研究院，陜西西安710082  中國五洲工程設計集團有限公司，北京100053）

    預應力鋼結構是空間結構領域新成果的新型結構形式，是以索為主要受力構件與其他鋼結構體系組合的平面和空間雜交結構，使其結構類型更為豐富，更具有結構創新性。它能充分發揮材料性能，高強度的拉索施加預應力后，有極強的現代感。由于拉索的引入，使得鋼結構的空間尺寸和桿件尺寸均大幅降低，從而使結構更加輕盈、經濟。該結構形式在大量的工程實踐中不斷地完善和提高，取得了顯著的社會和經濟效益。一般情況下，預應力平面結構可以節約鋼材10％～20％，預應力空間體系則可節約鋼材40％～50％。

一、預應力鋼結構原理

    預應力鋼結構是在設計、制造、安裝、施工和使用過程中，采用人為方法引入預應力以提高結構強度、剛度、穩定性的各類鋼結構。傳統鋼結構通過引入預應力后受力機理得到改善，因為預應力調整了外部荷載與結構內部抗力的關系，充分發掘了剛才彈性強度的潛力，所以預應力鋼結構的動、靜力性能得到改善。

預應力鋼結構通過對力的重復、轉移、質變以及優選使得構件的內力減小或承載力增加，變形也隨之減少，實現結構形式更合理更經濟。

二、預應力施工

    預應力鋼結構施工過程實際上是幾何體系由機構（準機構）變為可承擔設計荷載的結構體系過程。“剛性”桿件在未進行預應力張拉并參與工作前，鋼網架整體剛度較小，可以看作為準機構。這類結構體系安全控制不同于常規結構體系，

    預應力鋼結構施工時根據實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桿件內力會有很大影響，在施工過程中，有些桿件內力可能超過結構成形之后的內力。這類結構體系安全控制不同于常規結構體系，需要對結構在成形后正常使用狀態下的承載力，剛度和穩定性進行控制，同時應研究預應力張拉施工過程中結構的力學性能，并對結構幾何成形過程中的安全性進行控制。

三、預應力施工模擬

    對于預應力結構來說，在施工過程中，結構內力及幾何形狀均在不斷的變化。采用分批張拉發張拉預應力時，后期張拉的拉索將會對前期已張拉成形的拉索的內力產生影響。因此，需要對每一張拉過程的張力控制值進行精確模擬計算，以保證張拉完成后，實際內力值及設計要求值一致，同時保證施工過程中的安全。

    為了方便表述，明確以下三個定義:幾何零狀態、安裝狀態、初始(預應力)態。幾何零狀態表示結構初始外形幾何形狀的狀態，體系處于無自重、無預應力作用;安裝狀態指的是單層網殼、斜向鋼拉桿、豎向撐桿及環索已安裝，準備開始張拉時的狀態;初始( 預應力) 狀態指的是有預應力、有桿件自重、無屋面的其他外荷載情況下的幾何狀態，這時拉索內的預應力稱為初始預應力。

    某體育館屋蓋采用弦支穹頂結構，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道環索，環索由里至外依次為1～7圈。

    對該工程采用ANSYS 10.0進行建模，采用單元生死技術和多時間步連續分析技術來模擬預應力拉索張拉過程。分析模擬時，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，通過對索單元施加初始應變引入預應力。采用多時間步連續分析技術，每一步均以上一步的分析結果作為基礎，與實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構設計理想成型狀態（安裝狀態）出發，以成形時索、桿內力和幾何狀態為初值，按照一定的施工順序依次拆除各圈索桿，從而確定各個階段的結構施工控制參數，最終確定結構的幾何零狀態。通過對結構不同工況受力情況給出索張力設計值，后根據索張力設計值計算出張拉階段索施工張力控制值(見表2)。

圖 1有限元計算模型

表 1單元類型及材料規格

表 2 索施工張力控制值（KN）

    在實際工程中，為保證結構在施工過程中尤其是預應力張拉過程中的的安全，同時保證預應力張拉施工的準確性，使張拉完成后，實際施工中的預應力狀態、結構整體穩定性和結構剛度與設計要求相符，應對張拉過程中結構索力、桿件應力、應變和變形等進行監測。

    預應力鋼結構一般為大跨結構，均為分段安裝后進行整體拼裝，安裝和拼裝時測量工作較大，空間控制也較難。由于鋼結構與下部非鋼結構構件通過預埋件相連，由于不同材料結構施工規范存在差別，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、傳感器讀數法、頻率法等。

    施工階段采用壓力表法進行拉索索力控制，此時，可以直接通過油壓表讀數換算成千斤頂的張拉力直接讀出。事先經過標定的千斤頂測試索力精度可達到1%～2%。

    因此，在施工階段時進行索力可以直接利用壓力表法進行監測。該方法借助已有設備進行施工過程控制，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備，節省成本，是施工中索力檢測最適合的方法。

    4.2、應力應變監測

    盡管利用先進的計算手段對結構進行了詳細的計算分析，但計算時往往會引用一部分假定使得計算模型和實際鋼結構依舊存在差異；同時由于鋼結構在制作、安裝過程中存在很多不確定性因素從而可能引起結構構件應力的變化。為保證整個施工過程安全可控，需要對鋼結構關鍵構件在整個施工過程中的應力進行有效監測。從而達到全面把握卸載過程中的實際受力狀態與原設計的符合情況，提供結夠構件的應力應變的實時信息。這對于保證結構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力應變傳感器對結構進行應力應變監測，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變傳感器等。通過傳感器采集數據，后進行數據處理，以獲得結構中重要構件應力應變的實時數據，及時獲得結構實時狀態，保證施工過程安全可控。

    4.3、變形監測

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

變形監測與工程建設中的測圖和施工測量相比，有很多自身特點：精度要求高、需要重復監測、結合各種監測方法、數據處理要求嚴格和多學科知識配合等。利用變形監測技術，對工程建筑物進行定期、系統的監測發現異常及時采取工程補救。對于預應力鋼結構在整個施工過程需要對結構中變形較大位置進行實時的監控，和數值模擬得出的數據進行對比，以保證結構在施工過程中的安全。

    變形監測首先需要布置基準點，建立監測基準網，同時確定監測點位置。利用全站儀等儀器進行監測，獲得結構在施工過程中撓度值。通過獲得的數據進行分析處理，并同數值分析時獲得的數據進行對比，獲取結構實時狀態，確保結構施工過程安全可控。

五、結論

    對于不同的預應力鋼結構形式，根據實際情況綜合分析最適合本工程的施工工藝，以確保結構中不同構件整體協同工作，施工工序簡單，施工工期短；同時確保施工期間的質量與安全。

    施工全過程分析是保證預應力鋼結構施工過程安全可控的重要手段。對整體結構進行施工過程分析能夠很好的了解施工過程中各桿件內力的變化，以保證施工過程安全可靠。同時使用生死單元與溫度荷載調節技術能夠有效的實現施工全過程模擬。

    預應力索在實際過程中一般為分批張拉，使得桿件最大內力可能出現在施工過程中。因此需要對結構預應力索張拉階段時不同工況進行模擬分析，計算出張拉計算索應力控制值。

    對于預應力鋼結構大部分為高空作業，施工難度大。在工程施工過程中，結合工程特點及施工模擬的數據，提出合理的施工監測方案，能夠更好的確保結構施工的順利進行，同時保證結構在施工過程中安全可控。

參考文獻

    【1】秦亞麗,陳志華.弦支穹頂施工方法及施工過程分析 [C],第六屆全國現代結構工程學術研討會論文集.工業建筑(增刊),2006.

    【2】崔曉強,郭彥林,葉可明.大跨度鋼結構施工過程的結構分析方法研究[J],學,2006,23(5):83—88.

    【3】郭云.弦支彎頂結構形態分析、動力性能及靜動力試驗研究[D],天津:天津大學,2003.

    【4】張明山.弦支穹頂結構的理論研究[D]，浙江:浙江大學，2004.

    【5】柳鋒,王驥,遲云.組合網架結構預應力施工模擬分析與監測[J],施工技術,2011,40(339):33-36.

(本文來源：陜西省土木建筑學會     文徑網絡：呂琳琳  尹維維 編輯    劉真 文徑 審核)