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1、图 1 某体育场工程预应力弦张钢桁架平面布置图科技 栏目主持：孟 楠某体育馆工程130m跨预应力弦张钢桁架安装和实时监测技术陈 健 南通四建集团有限公司，南通 226300摘 要：本文结合某工程130m跨度的预应力弦张钢桁架结构安装中的拉索张拉施工，研究了大跨 度弦张钢桁架预应力拉索的张拉施工工艺实时监测控制方法，包括桁架拉索的安装、基于 施工仿真技术的现场张拉、张拉过程中的分析与调整、张拉过程中的实时监控等，特别是 所涉及的主要施工顺序流程和关键的技术要点，研究解决了大跨度弦张钢桁架拉索张拉过 程预应力难以控制、稳定性差的重大技术难题，其系统的综合技术可指导不同跨度预应力 弦张桁架的高质量施
2、工。关键词：130m跨弦张钢桁架；预应力拉索；现场张拉；实施监控；施工顺序流程基金项目 ：住房和城乡建设部建筑节能与能源综合利用科学计划项目，项目编号（2014-K1-060）.1引言精细化的仿真实现了对施工的指导6；陈亮在文献中以大型大跨度钢桁架预应力拉索张拉施工是预应力技术的重点 与难点，国内外研究的热点与难点研究主要集中在张拉过程的 施工仿真、预应力损失的控制及拉索的选择与固定等，而缺 乏对于施工现场张拉过程的优化实施、控制与监测调整 1-4。 国内专家学者结合最新工程做了相关的研究，唐兴国等以北 京电视中心高层钢结构为对象采用 LS-DYNA 软件详细仿 真了张拉过程，并在施工中实施了
3、实时监控的张拉技术 5 ； 刘学武等在研究中给出了预应力张拉过程中的力学模型，其复杂钢结构为对象，对预应力张拉的过程进行了全过程的控制，获得良好的工程应用效果，但由于工程特点的差异，解 决具体工程案例情况并不理想，本文结合某具体工程的大跨 度大吨位 130m 跨弦张钢桁架结构重点阐述预应力拉索张拉 施工工艺及控制技术。2 工程概况及结构特点某大学体育馆工程采用混凝土柱支承的大跨度钢屋盖结 构，屋盖为预应力弦张梁桁架结构，整体平面形状为矩形，TECHNOLOGY图 2 单榀弦张桁架结构三维示意图图 3 第一根预应力拉索的张拉图 4 第二根预应力拉索的张拉图 5 第三根预应力拉索的张拉科技其长度为
4、 360m，宽度为 130m， 桁 架截面为倒三角形式，主桁架一端为 固定支座，另一端为滑移支座。弦张 桁架由上弦桁架、下弦索及其之间的 撑杆构成。通过布置和张拉拉索，产 生向上的等效预应力荷载来提高结构 刚度，平衡支座全部或部分推力以控 制结构外形尺寸。单榀主桁架最重为 73 吨，其整体构造布置情况如图 1 所示。通过布置和张拉拉索产生向上的 等效预应力荷载，优化结构内力状态 可平衡支座部分推力，单榀弦张钢桁 架结构三维示意图，如图 2 所示。索体材料采用半平行钢丝束索， 为 1670 级 7 镀锌钢丝双护层扭绞 型拉索，规格为 PES C7223，内层 PE 为黑色耐老化高密度聚乙烯，两
5、端可调，张拉端锚具为冷铸锚，连接 件采用叉耳式。3弦张钢桁架无搭接施 工顺序根据该工程具有的难度特点，要 求单区同一个伸缩缝段内的梁全部张 拉完成后，再进行屋面檩条及屋面板 的安装，具体过程 ： 采用高空分 段吊装的方法搭设胎架，按照施工图 尺寸拼装第一榀弦张桁架上部钢构 ；采用同样方法拼装第二榀弦张桁 架，弦张桁架与支座连接就位，支座 下垫四氟乙烯板 ；拼装两榀桁架之 间的纵向联系桁架、天窗架、十字撑 等，杆件节点通过焊接完成 ；重复 第 2-3 步，完成第三榀桁架和桁架 之间联系构件的安装、焊接 ；拉索 地面展开且高空安装，张拉第一榀桁 架的预应力拉索；重复第 2-3/5 步， 完成第 4
6、 榀桁架和桁架之间联系构件的安装、焊接 ；张拉第 2 榀桁架，按 以上 16 步骤依次流水施工。根据该弦张结构特点设置 Y-N 轴线为一个单元，M-C 轴线为另一个单元，不同单元桁架榀数、跨度有差异，但安装、张拉流程一样。同一单元全部 张拉完成后，可进行已张拉桁架之间的屋面檩条的安装，然后进行屋面板的安装， 最后固定支座底板。第一步 ：Y/X/W 轴主桁架和之间次桁架、天窗架等联系构件拼装、焊接完成， 安装 Y 轴线拉索，张拉 Y 轴线拉索，如图 3 所示 ：第二步 ：V 轴主桁架和之间连系构件拼装、焊接完成后，安装 X 轴线拉索， 张拉 X 轴线拉索，其如图 4 所示 ：第三步 ：U 轴主桁
7、架和之间连系构件拼装、焊接完成，安装 W 轴线拉索，张 拉 W 轴线拉索，如图 5 所示 ：622014 年第 15 期TECHNOLOGY表 1 130m 跨弦张桁架结构自重初始态索力依次类推最后安装 P 轴、N 轴线的拉索，直至 Y-N 单 元张拉完成。4张拉前的施工仿真分析采用 ANSYS V12.0 软件分析，计算中考虑双非线性和 应力刚化效应，弦张桁架构件采用梁单元 Beam44 释放两端； 预应力拉索采用仅受拉的 Link10 杆单元 ； 胎架采用受压的 Link10 杆单元，其计算模型如图 6 所示。图6 预应力弦张钢桁架计算模型表 2 130m 跨弦张桁架拉索张拉过程索力拉索弹
8、性模量为 1.95105MPa，泊松比为 0.3，钢构件 的质量密度为 7.85103kg/m3， 并考虑 1.05 的节点重量系数； 索采用双护层半平行钢丝束索，质量密度为 7.85103kg/m3， 并考虑 1.1 的索皮重量系数，整体结构自重初始态的索力值如表 1 所示。130m 跨弦张桁架结构自重初始态竖向位移 ：跨中最大 竖向位移为 162mm，位于第 C 榀，其余跨中竖向位移为 144mm158mm 范围内 ；支座最大水平位移为 85.6mm，位 于第 G 榀 ；索力为 15682827kN，其拉索张拉过程中索力 如表 2 所示。由以上分析可见，对于两个弦张梁结构分别得出如下 结论
9、 ：130m 跨弦张梁，施工过程中拉索的张拉力最大达到 3176kN，即张拉 U 跨拉索时所达到。施工过程中最大竖向 位移为 162mm，发生在第步张拉时。施工过程中弦张钢 桁架应力最大为 146MPa，发生在第步张拉时。每张拉一榀， 该榀桁架上挠，主动脱离支撑胎架，该榀桁架下的支撑胎架 即可转移使用。5弦张钢桁架施工现场的张拉5.1 施工顺序预应力拉索现场施工工序 ：预应力拉索展开对接索 拉杆提升装置安装拉索提升对中索球索头临时锚 固测量索端节点安装误差调整被动索长并锚固就位张 拉主动索并锚固就位张拉完成63索分组编号设计等效预张力 （kN）自重初始态索力 （kN）跨中竖向位移 （mm）C2
10、9131568162D34152066157E38152406155F38152393158G40162579158H38162414156J37142328154K37142335153L38152437148 M41762827144N40562720145P38152445147Q36162255151R38162426150S38152433153T38162431152U40172587156V38162403156 W38162421153X36542305151Y32121864151张拉分组轴线施工过程中张拉索力 （kN）张拉成型后索力 （kN）Y25521864C226615
11、69X28862305D26532065W30032421E29902406V29982403F29902394U31762587G31632578T30132431H29722415S29902433J28882329R28922426K26102334Q25342255L23942439P23342445 M23292828N27212721图 9 预应力拉索的张拉实施过程图 7 预应力拉索索夹按标记安装图 8 索提升通过牵引装置导入张拉孔道过程科技5.2 拉索的安装就位采用流水安装顺序，对于单榀弦张桁架，先安装撑杆， 再安装拉索和索夹，安装拉索和索夹过程中索头调节装置 应尽量放长。工厂里
12、拉索在初始预张力条件下按照有应力 长度进行生产并在拉索索皮表面标记索夹位置，开盘放索 后安装撑杆和挂预应力拉索，将拉索两端索头与端节点临 时连接并预紧拉索来保证索球自动归位，完成张拉前的各 项准备。在放索过程中考虑索盘绕产生的弹性和牵引产生的偏 心力，开盘时需防止崩盘，采用索盘放索架进行放索，在 开盘拉索展开过程中外包的防护层不除去，仅剥去索夹处 的防护，在牵引索安装索球张拉索的各道工序中要防止和 避免碰伤、刮伤索体。拉索施工操作平台采用型钢焊接可 移动的拉索安装和张拉所需的操作平台，撑杆安装要求搭 设拉索临时安装支撑架，用吊机或手动葫芦将地面编好号 的撑杆逐根吊起，将撑杆上节点与刚构相连。撑
13、杆也可以 随弦张桁架一起吊装，拉索及索夹安装要求拉索在地面展 开，将拉索调节装置尽量放长并按厂家做好记号的位置安 装索夹，如图 7 所示。工和结构受力 ；将阻碍结构张拉变形的非结构构件与结构 脱离。在张拉过程中，首先在张拉前调整索体螺杆露出 螺母的长度，使露出的长度相同，需考虑支座初始安装 偏差，即初始张拉位置相同。五级张拉程序为 ：预紧 25% 50% 75% 90% 100%。其次，在张拉过程中尽 量使千斤顶给油速度同步，旋紧螺杆螺母以 10mm 为一控制 点，单根索 2 个螺杆、螺母旋紧速度基本同步。在张拉完成 每小级后测量螺杆的外露值，若外露值不同，则在下一级张 拉的时候将外露值小的首
14、先张拉出其差值，然后再同步给油 张拉，张拉前应比较张拉时结构支座布置及约束情况是否与 设计模型相符，应尽量避免由于索张拉造成结构支座发生较 大的偏移，其张拉的过程如图 9 所示。拉索索头送到桁架下弦节点入口处工序中，采用专门的 牵引装置将拉索两端牵引进入桁架预留孔道后，收紧牵引装 置的千斤顶，逐渐缩短调节装置，使索体上抬靠近撑杆下端。 在索体牵引、张拉过程中，索球自动进入撑杆下节点，拉索 提升牵引入桁架预留孔道，其过程如图 8 所示。5.3 拉索的张拉实施拉索张拉前该桁架构件应全部安装完成，合拢为一 整体，直接与拉索相连的节点，其空间坐标精度需严格控 制。严格控制节点上与索相连的耳板方向以免影
15、响拉索施6预应力拉索张拉过程中的实时监测6.1 实时监测的要点拉索预张力施工过程是个动态的结构状态变化过程，是 结构从零状态向成形初始态转变的过程。由于钢构安装误差、 拉索制作、安装和张拉误差、分析误差以及环境影响等原因， 实际结构状态与分析模型是有差异的。因此，必须对拉索预 应力施工过程予以监测，对比理论分析值和实际结构响应的 差异，及时掌握各关键施工阶段的结构状态，保证拉索施工 全过程处于可控状态，保证施工过程结构安全，为下阶段施 工和最后的施工验收提供依据。拉索预应力施工实时监测主 要针对各主动张拉点的索力。6.2 测点的布置本实时监测依据张拉过程中拉索所施加的荷载过程监 测其内力分布情
16、况，利用对不均匀对称结构的判断，将主要 测点布置在应力集中较为严重的区域，共设 30 个测点，测试过程中均采用 11 电阻应变片以跟踪测量杆件的应变值， 为消除偏心弯曲影响采用对称串联半桥四片补偿块法的贴片 方案，而对于纯弯曲引起的应变测量，为消除轴力的影响， 采用对称半桥工作片补偿法的贴片方案。同时，共设 2 个共 用温度补偿块，在每个加载段内按静力问题考虑，采用静态 电阻应变仪并配预调平衡箱进行观测。在监测过程中将荷载 划分为若干个加载段，先进行第一个循环的加载以消除结构642014 年第 15 期TECHNOLOGY表 3 130m 跨弦张桁架拉索张拉过程索力施工过程中张拉索力（kN）张拉成型后索力（kN） 张拉分组轴线 实测值原理论值误差率 %实测值原理论值误差率 %Y25482552-0.16187518640.59 C22532266-0.57157915690.64X28762886-0.35232523050.87 D26
