预应力钢结构的施工技术分析

预应力钢结构的施工技术分析

闫利春

中外建华诚工程技术集团有限公司，邮编 100052

摘要：

20世纪50年代，预应力钢结构技术传入我国，为我国钢结构技术的发展和应用带来了良好的经济效益。在钢结构领域中，预应力技术极大地缩减了用钢量，通过引入与荷载效应相反的预应力，抵消部分荷载作用产生的内力，从而提高结构的承载能力。预应力的引入还扩大了钢结构技术的发展，使其呈现出多种不同的形式，为新型独特的建筑风格提供了可能性。虽然预应力钢结构技术曾一度停滞不前，但近年来，伴随着我国经济高速发展，预应力钢结构技术再次得到了人们的重视并投入到工程应用中。

随着社会的发展，人们对建筑物的美观和功能都提出了更高的要求，对大跨度、大空间混凝土结构及钢结构的需求更加迫切。在结构中施加预应力无疑是一种增大结构跨度和空间的经济有效的措施。基于此，本文结合实际案例，详细探讨预应力技术在钢结构加固中的优点，预应力加固技术的发展奠定了良好的基础。如今我国步入新时期，对建筑建材绿色化、可持续发展的要求愈发强烈，在对既有钢结构建筑加固补强方面，引入预应力技术的建筑加固方案作为最具有经济价值潜力的技术，倍受人们的青睐。

关键词：预应力；钢结构；施工技术

前言

随着社会的发展，人们对建筑物的美观和功能都提出了更高的要求，对大跨度、大空间混凝土结构及钢结构的需求更加迫切。在结构中施加预应力无疑是一种增大结构跨度和空间的经济有效的措施。

1. 预应力技术在钢结构中的应用

预应力技术是在国外最先运用，其发展初期大部分用在桥梁工程中。在施工阶段将预应力技术应用到钢结构中，通过调整钢材结构杆件的内力，从而形成高强钢材，既满足了使用需求，又在很大程度上节省了钢材消耗。

我国在上世纪中叶开始研究并引入预应力技术在钢结构中的使用。首次应用预应力技术是在山西省大同市，成功建造了一架预应力钢结构输煤栈桥，为之后的预应力钢结构应用提供了借鉴的范本。

在计算机还没有发明之前，预应力钢结构的研究以解析法和近似法为主要研究方法，需要耗费大量的人力，且所得结论不够精确。随着计算机的发明、使用和普及，相关的软件逐渐被研发，有限元法就是其中一个重要的分析方法。几十年来，有限元法的发展为大型工程的结构分析提供了重要参考和依据，使得现代预应力结构获得进一步的研究和发展，助推了预应力技术在钢结构中的应用。

2. 案例分析

2.1工程概况

本项目为浙江神仙居南天顶观景台工程,坐落在神仙居景区南天顶，南天桥北侧往西约300m，海拔863.0m位置上。由拱架支撑柱、左右侧背索、左右侧抗风索、悬挑梁柱、附属用房、钢拉索、混凝土基础部分组成。平台分为2层，高度5.1m，平面长度114.8m，宽度20m。

拱形塔柱高度35m，悬挑长度101m，通过16根斜拉索与塔柱相连，塔柱后方设2根背索平衡斜拉索拉力，背索通过锚碇与山体相连。结构两侧各设置2根抗风索，用以保证横向稳定。

其中斜拉索规格Φ140，单根长度约90m，共4根；斜拉索规格Φ60和Φ80，16根；抗风索规格Φ119和Φ80，共4根。此外钢结构之间设Φ32和Φ60的吊索和交叉稳定索，共24根。

结构模型和平立面布置见下图：

图1.钢结构模型图

图2.立面布置图

图3.平面布置图

2.2施工难点及特点

本工程为预应力钢结构，具有施工难度大、施工前期准备工作量大的特点。拉索和钢构件都是结构中不可缺少的重要组成部分，因此拉索和钢构件的施工需要紧密配合，以保证索拱架施工的安全和质量，并满足结构设计所要求的状态。

本工程屋面预应力钢结构主要有三部分构成：拱形塔柱、背索及斜拉索、钢结构观景平台。整体结构施工顺序如下：先施工拱形塔柱，再安装和张拉背索，确保塔柱最高点的位移在控制范围之内，然后安装分段吊装钢结构，同步安装张拉每组2根斜拉索，最后张拉抗风索。张拉过程中分步骤张拉和调整拉索索力，保证塔柱和钢结构的变形和受力在控制范围之内。

3. 施工技术分析

3.1预应力钢索张拉工艺

经过计算，背索最大张拉力约300T左右，需要两台250T千斤顶；斜索和抗风索最大张拉力约50T左右，需要两台30T千斤顶；张拉时对称的两根拉索同步进行（每根拉索使用两个千斤顶，进行预应力张拉工作）。

张拉设备采用相应的千斤顶和配套油泵。根据设计和预应力工艺要求的实际张拉力对千斤顶、油压传感器进行标定。实际使用时，由此标定曲线上找到控制张拉力值相对应的值，并将其计算打印成表格上，以方便操作和查验。

预应力钢索张拉以张拉力控制为依据。预应力钢索张拉完成后，应立即测量校对。如发现异常，应暂停张拉，待查明原因，并采取措施后，再继续张拉。

千斤顶

张拉杆

承力架

固定工装

图4.张拉工装示意图

由于本工程张拉设备组件较多，因此在进行安装时必须小心安放，使张拉设备形心与钢索重合，以保证预应力钢索在进行张拉时不产生偏心；

油泵启动供油正常后，开始加压，当压力达到钢索设计拉力时，超张拉5％左右，然后停止加压，完成预应力钢索张拉。张拉时，要控制给油速度，给油时间不应低于0.5min。

图5.张拉顺序及张拉力

3.2钢拉索的张拉过程控制

经过钢拉索一系列的安装及对张拉工作的施工准备，最后，应对照设计和经论证确定的方案要求，进行现场勘查验收，确认无问题后，方可进入张拉施工。钢拉索的张拉施工步骤如下：

①先安装主塔后，安装背索，进行第一级张拉，然后安装吊索1、2、3、4依次分别长大第一级；②张拉背索第二级，安装吊索5、6，张拉第一级；③对张拉背索第三级安装吊索7、8，并张拉第一级；④桥面拼装完成，按照吊索1至8的顺序，进行第二级张拉；

3.3施工顺序图示（部分）：

主塔安装完成后，安装背索，第一级张拉

图6.

拼装分区04，安装吊索2，并张拉第一级

图7

拼装分区05，安装吊索3、4，并张拉第一级

图8

背索张拉力表

吊索和抗风索张拉力表

张拉施工时，还应注意如下事项：

（1）安装到位的钢拉索，在正式张拉前，宜先进行试张拉，以检验、发现和消除连接节点、工装夹具、承力架安装、油栗、油管线路和千斤顶安装是否存在异常等情况。

（2）严格按设计和方案中“以位移控制为主，索力值控制为辅”的要求进行张拉，加强现场巡査与旁站工作，正确记录好索张拉时每级达到的实际索力值，使之始终与设计值（仿真计算值）相符。此过程中还应有专业的健康监测单位配合进行。

（3）张拉时，还应有施工、监理等专职的质量安全管理人员，专门负责对相邻结构，关键部位、索夹节点等进行巡视检查。

（4）张拉过程中，如果突然停电，则停止索张拉施工。关闭总电源，查明停电原因，防止来电时张拉设备的突然启动，对屋架结构产生不利影响。同时在张拉的时把锁紧螺母拧紧，保证索力变化跟张拉过程是同步的；突然停电状态下，在短时间内，千斤顶还是处于持力状态，并且油泵回油还需要一段时间，不会出现安全事故。处理好后在现场值班的电工立刻进行查找原因，以最快的速度修复。为了避免这种情况，在现场的二级箱要做到专用，三级箱按照要求安装到位。

（5）同时张拉与塔柱相连的2根对称拉索，共有4对千斤顶同时张拉，因此控制张拉的同步是结构受力、变形均匀的重要措施。控制张拉同步有两个步骤。首先，在张拉前调整索体锚杯露出丝杆的长度，使露出的长度相同，即初始张拉位置相同。第二，在张拉过程中将每级的张拉力在张拉过程中再次细分为4~10小级，在每小级中尽量使千斤顶给油速度同步，在张拉完成每小级后，所有千斤顶停止给油，如此通过每一个小级停顿调整的方法来达到整体同步的效果。

3.4施工过程中平台的位形控制

观景平台施工采用变形和索力双控的方法，变形着重控制桥面起拱和主塔的偏移。通过分段拼装和分级张拉来控制主塔和桥面变形在一个合理范围之内。主塔的偏移主要靠4根背索来控制，背索分三级张拉，控制主塔偏移量在150mm以内。

第一级张拉结构变形（单位：mm）

第二级张拉结构变形（单位：mm）

第三级张拉结构变形（单位：mm）

3.5施工过程中索力控制

索力控制措施

1）预应力张拉的目标索力即设计院提供或认可的张拉完成时刻的索力分布。需要计算出每一步的张拉力，编制出张拉力表，作为张拉的依据。

2）应详细计算每一个张拉步骤的结构受力情况和索力变化情况，保证结构构件和拉索受力不超过极限状态设计值，有足够的安全储备。

3）为保证结构和张拉工装的安全，张拉操作应严格控制张拉力，张拉力不得超出理论值10%。拉索伸长值受影响因素很多，张拉过程中作为辅助控制手段，各索伸长值列于目标索力表中。

4）拉索张拉完成的状态作为预应力拉索施工的验收状态。对此状态下的索力进行实测，根据测量得到的实际索力，调整计算模型，对拉索结构在各种荷载工况下的安全性进行验算。根据计算结果，如果拉索的安全性有保证，可以进行下一步的工作：安装桥面。如果由于索力的误差导致拉索的安全性不能保证，必须对索力进行调整，直到满足要求为止。

过程中的部分索力结果：

第一级张拉拉索索力（单位：kN）

第二级张拉拉索索力（单位：kN）

第三级张拉拉索索力（单位：kN）

4. 检测技术与应用

1.1检测的方法

通过振动频率的方法对悬挑钢的结构与拉应力进行检测，并且根据拉索的不同拉力与受力的情况，来计算振动的频率，这样可以进一步得出结构中拉力的数值，在计算的过程中还要考虑到索边界的条件，包括垂度与斜度等，还有阻尼器等等都会对振动造成影响，因此，在计算的过程中一定要将这些因素考虑进去，避免计算的结果与实际情况有出入，将检测结果与标准值进行对比之后，就可以发现悬挑梁的结构是否存在着质量与安全上的问题。

此外，在计算的过程中，不仅要考虑到拉索索力，还要考虑到拉索的长度没包括每延米的质量，以及拉索界面的弯曲情况，之后再测量相关的振动频率，依照公式进行计算就可以了。但如果在实际操作的过程中，拉索两端的边界上不能够形成支撑的过程中，则上述的方法是无效的，这时就需要根据有限元软件，并且利用这种原理来进行计算，有限元软件的计算方法是需要对拉索的拉力进行假设的，然后在不同的条件之下，来计算拉索振动的频率，直到操作的过程中，能够保证频率值误差在0.1以内，这样才能保证有限元计算的结果就是最终想要得出的结果。

4.2检测过程中所要用到的仪器

根据实际的案例可以得出悬挑钢的结构的检测是需要五种仪器的，也就是压电式加速计、低通滤波的放大器与智能信号采集分析仪，还有就是综合测试仪、智能的玄式数码应变计。仪器的主要参数包括：压电式加速计的型号是VS-99，其频率范围在0.1-200Hz，灵敏度为12.5V/g,而低通滤波的放大器的截止频率在-3Db，1Hz可以保证多档可测；智能的玄式数码应变计的型号是1NV306，其频率的精度主要是0.01%，而幅值在0.01%左右，相位是1度，量程是±3000g；综合测试仪的振弦的频率是600-3000Hz，而其温度在-40°C-125°C期间，其测量的频率精度在0.1%±0.1Hz左右，其温度测量的精度在±0.5°C之间。

4.3索拉力主要测量原理

在实际操作拉索的时候，其拉力与设计值是存在着一定的出入的，但是拉力值可以衡量结构的内力状态是否符合相关的要求，当前还是有非常多的方法可以用来测量拉索在承载着一定压力的情况之下，通过使用千斤顶油压表法，与错固端埋置的方法，以及振动频率与磁通量测量法，但目前由于振动的频率法由于其测试时需要的精度与测试条件都不是特别高，因此，在建筑过程中，其广泛的应用与结构拉索与桥梁拉索包括吊杆还有其他杆结构拉力的测试中的应用都非常广泛。另外，在相应的条件下，拉索的拉力与拉索的振动频率是存在着一定的对应关系的，而且采用的主要是振动频率测量拉力的方法，这种测量方法是需要综合考虑各种因素的，因为很多因素都会对索力振动造成影响。

4.4整个案例的检测流程

首先通过夹具将加速传感器安装在拉索上，再通过传感器的功能来采集拉索的振动频率，再通过放大器来将信号放大，这样可以方便信号的采集与分析，通过采集仪器将信号全部收集之后，可以再通过信号分析仪将数据进行采集与分析，在发送给综合测试的仪器，形成振动频谱之后，在这一基础上通过智能弦式的数码应变计对频谱进行分析，在通过拉索进行多阶的自振频率。其次，在通过对拉索的实测频率与长度，还包括线密度与垂度，抗弯刚度等进行计算与测试。

4.4索力监测结果

过程中索力实测对比表

由检测结果可以看出，通过仿真分析、分级对称张拉、变形索力双控等综合控制手段，可以达到预期的设计状态。

结束语：

预应力技术可以满足建筑工程中对大跨度、大空间的需求，因此在一些特殊结构中应用广泛。钢拉索预应力结构，是建筑结构中新颖的专业化技术，其优点是节材、节能减排、减少湿作业和碳排放、能极大地增大空间和利用效率，是我国建设领域向绿色节能可持续发展的一个重要方向。但尚需业内人士，继续从产品研发、制造、安装施工、后续检测等诸多环节加以挖潜和不断提高。

参考文献：

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