談索穹頂預應力施工質量控制

王福元

(太原市建設工程質量監督站，山西太原 030009)

1 工程概況

山西太原煤炭交易中心展覽中心的圓形屋頂采用索穹頂結構形式，屋蓋建筑平面呈圓形，設計直徑為36 m。由內環梁、外環梁、斜索、環索、脊索及撐桿組成，屋頂表面覆蓋玻璃結構。

2 技術特點

2.1 索穹頂深化設計方案

深化設計主要包括索穹頂結構的節點設計、索長度設計、內環梁設計等與索穹頂結構相關構件的深化設計。深化設計對于索穹頂結構施工過程是極重要的一個過程，其設計過程必須與施工過程相結合，其成功與否直接關系到施工過程的成敗。針對本工程，施工單位安排了專門的深化設計人員，與設計院進行密切溝通，深刻理解設計意圖，借鑒以往的工程經驗，保證深化設計的質量。

2.2 施工仿真計算分析

由于索穹頂結構安裝和張拉的復雜性，必須對施工過程進行仿真模擬計算，為實際的施工過程提供依據，保證張拉成形的質量，使其最終形態的位形和索力符合設計院的要求。

1)根據設計要求的撐桿的垂直狀態，給出撐桿節點位置的環向索標記力;2)驗證張拉施工方案的可行性，確保張拉成形過程的安全;3)給出每張拉步張拉力的大小，為實際張拉時的張拉力值的確定提供理論依據;4)給出每張拉步結構的變形及應力分布，為張拉過程中的變形監測及索力監測提供理論依據;5)根據計算出來的張拉力大小，選擇合適的張拉機具，并設計合理的張拉工裝。

2.3 嚴格控制制索過程

雖然制索在工廠內完成，由于索穹頂結構的特殊性，大部分鋼索都是固定不可調節的，因此制索的精度應在深化設計中得到精確計算，完成拉索下料工作，并在實際制索過程中得到嚴格控制。

2.4 索張拉過程

在預應力鋼結構中，宜采用改變柔性桿件的長度的方法進行張拉。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時所計算確定的預應力施加過程相同。索穹頂結構的張拉成形過程主要就是確定預應力過程的次序、步驟、采用的機械設備、每次預應力施加的張拉值，同時對結構的變形進行控制，因為預應力的分布是與結構的形狀相匹配的。該工程通過討論分析確定了整體張拉成形法來完成本工程，借助中間搭設的支撐塔架，并配合四周脊索和斜索張拉，完成張拉成形過程。

2.5 施工監控

施工監控是索穹頂結構的施工過程中重要的一個環節，在每個預應力張拉階段，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，所以預應力過程的監控十分重要。本工程施工過程中，采用拉索張拉力控制為主，同時對結構進行監測，并對應力較大的部分鋼結構進行應力監測。以確保結構施工期安全，保證結構的初始狀態與原設計理論計算相符。

2.6 張拉完成后的施工措施

索穹頂結構張拉完成后，還應繼續進行監測，因為在后續的施工過程中，還有不同的荷載作用在索結構上，通過荷載增加的順序及位置，確保索結構不受集中荷載的作用，滿足設計的要求。

3 施工前的準備工作

3.1 技術準備

1)根據工程規范及設計要求編制施工方案;2)編制相關材料送檢計劃，確定哪些材料需要做檢測，做哪些檢測;3)準備施工記錄表格;4)根據工程要求配備現場技術人員，并且根據現場工程量來配備施工工人;5)根據工程進度配備相應的設備;6)設計張拉工裝，為張拉做準備;7)要求施工技術人員認真學習圖紙，根據規范及設計要求，掌握施工要點，并做好技術交底，對于關鍵工序，應組織專家論證。

3.2 預應力鋼索的準備

鋼絲來料檢驗→入庫→捻制拉索→預張拉→制錨→出廠檢驗→包裝→出庫。1)鋼絲來料檢驗。鋼絲到廠必須附上廠家質保書，并根據GB/T 20492-2006鋅—5%鋁—混合稀土合金鍍層鋼絲、鋼絞線的標準和公司鋼絲采購檢驗標準對鋼絲的抗拉強度、1%伸長時應力、斷后伸長率、扭轉、纏繞、鍍層重量、尺寸、表面質量、鍍層附著性這些指標做檢驗，所有檢驗合格后方可入庫。2)捻制鋼索。質量要求:直徑符合要求、外觀無差色、無跳股、無松股、無裂縫。3)錨具制作。錨具作為拉索索力的最終承擔者，其性能的好壞直接影響到斜拉索的安全性。錨具原材料選用合金結構鋼鑄件。并對錨具進行100%的超聲波探傷，確保每一個錨具的質量100%合格。其整個生產過程為:精密鑄造→熱處理→力學檢測和成分檢測→粗車→超聲波探傷→精車→表面處理→檢驗→入庫。4)制錨。根據圖紙計算尺寸下料→錨具加熱→澆鑄鋅合金→冷卻→檢驗→包裝→入庫。下料:根據實測彈性模量和客戶提供每個索的預張力進行計算。將鋼索固定在錨具上，并用相機拍照標示存檔以便追溯。錨具加熱，并用紅外測溫儀控制其錨具加熱溫度。澆鑄鋅合金并自然冷卻。用現場拉索制作3根試驗索做破壞試驗，驗證其成品拉索是否合格。檢驗合格后包裝入庫。5)鋼索及配件的保護。為了確保鋼索在運輸、存放及安裝過程中不受損傷，必須對鋼索做有效保護，現在主要采用的方法就是在鋼索的外面加設雙層PE套管，用塑料薄膜進行包裹，再在外面裹一層塑料薄膜，預應力鋼索及配件施工現場存放時，應放置在平整、干燥的地方，并在其下面放置墊木，在其上面進行覆蓋，防止雨淋，避免材料銹蝕。

4 施工工藝流程

主體鋼結構安裝完成，搭設中央提升塔架并將四周提升工裝索與主體鋼結構連接→拼接中央剛性內環→將下弦環索沿地面放索通道展開并安裝撐桿下節點→將上弦脊索按放射狀展開同時安裝撐桿上節點→將上脊索一端與內環鋼梁連接，另一端與四周提升工裝索連接→通過四周提升工裝索和中央提升塔架提升內環鋼梁和上脊索→在合適的提升高度安裝撐桿、下環索以及下斜索→繼續提升，當索穹頂的實際標高接近安裝標高時，將提升工裝撤下，換成張拉工裝→同步張拉直至達到設計要求的狀態。

5 施工監測

中國(太原)煤炭交易中心展覽中心索穹頂的結構復雜，技術難點多，施工比較困難，特別是在對拉索進行張拉成形的階段，為了保證工程在整個施工過程中的安全性以及掌握施工過程中結構的變形和內力變化規律，必須對張拉過程進行監測，通過監測，指導施工過程的安全及精確進行，并統計預應力工程施工數據資料。

5.1 監測內容

1)拉索索力:每根索張力的控制都關系到結構的成形狀態，因此應對拉索張拉過程進行索力監測。2)結構變形:結構變形的監測應能反映出結構的整體變形規律，由于該工程的特殊性，結構變形是判斷結構是否達到設計要求的依據。3)構件應力:構件應力監測可以通過應變監測來實現，應變測點的布設應盡可能布設在結構中受力較大、受力狀態復雜、對結構整體承載力與穩定性有重要影響的部位。

5.2 監測過程

在對預應力鋼索進行安裝及張拉的過程中，整體結構部分會隨之變形。為了解施工過程中結構變形發展規律，考察結構施工造成的變形影響，需要對施工過程中結構關鍵部位的變形進行監測。該工程通過采用油壓傳感器對鋼索拉力進行監測，主要應力監測部位是撐桿及內外環梁的鋼結構，每個監測點布置兩個振弦應變計，對稱布置，通過結構變形監測進一步指導和校核施工的精確進行，同時也可以對預應力施加的大小進行判別，確保預應力鋼索施工完成后的應力與設計所要求的應力一致。

在張拉過程中，采用全站儀對結構變形進行監測，能夠很好的監控結構位移變化。

6 結語

中國(太原)煤炭交易中心展覽中心索穹頂結構2010年11月開始實施，2011年3月完成。整個索穹頂結構施工過程規范，質量滿足相關規范要求，結構安全穩定，成形精確，達到了設計要求。

［1］ 詹偉東，董石麟.索穹頂結構體系的研究進展［J］.浙江大學學報(工學版)，2004(10):66-67.

［2］ 袁行飛，董石麟.索穹頂結構施工控制反分析［J］.建筑結構學報，2001(2):89-90.