預應力施工技術在大跨空間鋼結構中的應用分析

楊 震

(赤峰學院 建筑與機械工程學院，內蒙古 赤峰 024000)

鋼結構工程技術采用以鋼材制作為主，由型鋼和鋼板等制成的鋼梁、鋼柱、鋼桁架等構件組成，各構件或部件之間采用焊縫、螺栓或鉚釘進行連接，是主要的建筑結構類型之一。與其他類型的建筑結構相比，鋼結構的優點主要有：

(1)理論分析可靠性高。鋼材是理想的彈塑性材料，內部材質均勻，晶體結構接近于各向同性。鋼結構的實際工作性能可以被目前的計算理論較好的反應，具有較高的可靠性。

(2)強度較高，質量較輕。鋼材強度高于砌體，混凝土和木材，彈性模量也較高。在受力條件相同的情況下，與其他結構相比，鋼結構結構質量更輕，構建截面面積更小，在運輸和安裝上有明顯優勢,是建造大跨度建構筑物的理想材料[1]。

(3)塑性和韌性好。鋼結構有很高的塑性，在破壞之前有較大的塑性變形，會產生有明顯的征兆，容易發現，留有充足的時間對結構進行修補。而且鋼材韌性高，具有良好的抗震性能，對于沖擊荷載與動力荷載有較好的抵抗能力，是地震設防區的理想結構。

(4)制作和安裝方便。組成鋼結構的構件一般可在工廠制作，具有很高的工業化、批量化程度高，具備大規模的生產能力，生產的產品精度高。采用工廠制作、工地安裝的方法可以顯著的縮短工期，進而降級造價，發揮投資效應。

(5)具有可焊性與密封性。鋼材的可焊性體現在可以不加多余連接件，僅通過焊接就能連接鋼結構各構件，使得鋼結構可適用于各種復雜結構形狀的需要，具有比其他結構如混凝土和木質結構所不具備的顯著優點。對氣密性和水密性要求較高的結構，可采用焊接連接后進行安全密封的措施來滿足密封性要求。

(6)耐熱性能高。鋼結構具有較好的耐熱性，當鋼材的表面溫度在200 ℃以內時，鋼材的彈性模量和屈服強度幾乎不產生任何變化。

當然，鋼結構也存在許多不足之處，主要有：

(1)耐火性差。鋼材在高溫下會產生藍脆和徐變現象，強度降低。當鋼結構表面溫度大于200 ℃時，如果溫度繼續上升，鋼材的強度和彈性模量會顯著下降。當表面溫度大于300 ℃，如果溫度繼續上升，則鋼材喪失承載能力，很容易進入塑性狀態。

(2)耐腐蝕性差。鋼材在潮濕和有腐蝕介質的環境中，容易腐蝕，需要定期維護。維護費高也是鋼結構的主要弱點之一。

2 預應力鋼結構形式與施工技術

近年來，我國預應力鋼結構取得了令人矚目的成績，具體體現在預應力結構形式、預應力施工技術和預應力高強拉索材料幾個方面。

2.1 預應力鋼結構類型的發展

在國內，被應用于實際工程的預應力鋼結構形式很多。限于篇幅，本文重點介紹張弦梁結構和斜拉結構。其他形式的鋼結構還括：索桁架、預應力桁架結構、索網、索拱、索穹頂、弦支穹頂及多次混合結構等。

2.1.1 張弦梁結構

上弦鋼構、中間撐桿和下弦索構成了完整的張弦梁結構。張拉時，張弦梁可以形成預應力自平衡體系。拉索上的預張力完全由上弦鋼構的內力平衡，其一端或兩端的支座允許滑動。上海浦東國際機場候機樓工程，建于1998年，候機樓跨度為44 m和83 m，是我國國內第一次運用大跨度張弦梁結構。一開始多為單向張弦梁，后來這類鋼結構逐漸變得多樣化，并得到了廣泛應用[2]。

2.1.2 斜拉結構

斜拉結構主要包括：桅桿、斜拉索和鋼構。斜拉索通常安裝在鋼構的上方，從而優化了結構的受力方式，使得結構變形與制作彎矩得到完善，為鋼構提供了彈性支撐。在實現更大跨度的同時，降低了用鋼量，實現了更好的經濟效益。

早期，在一些小型結構中，斜拉結構應用比較廣泛，其拉索大都是組裝而成。發展至今，斜拉結構在材料和外在形式上經過了較大的變化，使用上也變得更加多樣。如江寧體育場的斜拉網架結構平面呈月牙形(圖1)，網架后緣支撐在V型鋼柱上。在吳江體育場工程中，梭形管桁架的拉桁架結構被應用在塔柱上。在廣東外語外貿大學體育場工程中，張力撐結構被應用在桅桿中[3]。

圖1 江寧體育場斜拉網架結構

2.2 預應力鋼結構施工技術的應用與發展

預應力鋼結構施工，具體體現在拉索施工和鋼構施工的結合，張拉機具、節點和索頭的結合，及包括全過程的施工控制、設計分析和構件制作工藝的結合等多個方面。因此預應力鋼構施工技術包含集全過程性和系統性的施工技術，而不僅僅是預應力構件的制作、安裝和預應力構件的張拉工藝。

2.2.1 分析和制作工藝的結合

施工目的方面，預應力鋼結構包括形狀的初始態(如鋼構形狀參數、構件空間位置等)和受力的初始態(支座反力、索內力、鋼構內力等)的兩重要求，并且要求它們完全對應。這些要求顯然要高于一般鋼結構的施工要求。在具體的施工中，存在較多客觀與主觀因素的制約，如施工條件、施工誤差、經費預算的限制等，因此要完全達到力和形的完美結合是比較困難。在具體操作和應用之前，設計人員不僅要非常熟悉這些材料與產品的屬性，而且要經過詳細的分析與測試，為實際施工積累大量可靠而有效的參數。只有這樣，最終在應用環節中才能實現行之有效的控制，從而以達到設計目的。分析內容包括：結構性能的分析、施工力學分析以及施工成型狀態對結構性能的影響分析等。

2.2.2 索頭、張拉機具和節點的結合

按照功能劃分，張拉機具主要分為兩個部分。第一部分包括拉桿、錨固裝置以及臺座(用于放置千斤頂)在內的張拉工裝。第二部分包括千斤頂、油泵、油壓表和油管在內的千斤頂系統。節點系統是重要的一個組成部分，主要包括拉索中部的索托、索夾節點和拉索端部的連接節點。拉索張拉時，技術人員需要充分考慮構造的尺寸大小、如何有效傳力、怎樣精準施力、是否有足夠的操作空間等方面的因素。將張拉機具與節點和索頭連接在一起,并把張拉機具和索頭、節點有效結合起來，以達到在拉索中準確施加預定張力的目的[4]。

2.2.3 鋼構和拉索施工的結合

預應力鋼結構性能的提升，最終由施加在拉索上的張力大小決定。結構預應力狀態在拉索張拉后，不僅包括拉索結構的內力(張力)，還包括結構的空間位置，鋼構的剪力，彎矩，軸力以及支座處的支反力等。設計時除了要考慮到拉索的張力大小外，還要考慮整體結構。所以，要達到整體結構的有機結合，需要使拉鎖施工和鋼構施工密切配合。

2.2.4 從結構分析到構件制作、構件安裝和構件張拉的全過程控制

設計前期要求實現力與形的結合，預應力鋼結構在施工控制方面顯得非常重要。與一般的鋼構不同，預應力鋼結構是從結構分析出發，對結構制作、安裝、拉力等各個環節要進行有效的控制。通常，一般的鋼構的施工控制重點放在結構的制作和現場安裝方面。

3 拉索材料的發展與應用

預應力拉索材料是預應力鋼結構的主要材料。如今的拉索材料，已經開始適用高強度的鋼絲束和鋼拉桿等成品索。鋼絲表面防腐蝕技術主要為鍍鋅鋁處理和環氧噴涂。

在初期的預應力的鋼結構中，主要應用的組裝索有兩類：鋼絞線組裝索和鋼絲繩組裝索。鋼絞線組裝索的索體材在預應力混凝土中無粘接鋼絞線中得到廣泛使用，拉索錨具則在夾片錨和擠壓錨的基礎上進行了改進。目前，在工程中廣泛使用高強鋼絲束成品索和鋼拉桿成品索(如圖2)。成品索的物理力學特性、制作工藝及質量、防腐防銹性能及美學方面有明顯的提高。在節點構造、拉索制作長度、錨具的形式、現場安裝和張拉工藝方面，現代工程也相應地提出了更高要求。

圖2 鋼絲束成品索(a)和鋼拉桿成品索(b)

鋼絲束成品索最初在大跨度橋梁的橋型中得到有效使用。隨著它在建筑結構中的應用，其發展速度變得迅猛起來。這種索的防護層為雙層PE，索體結構的制作工藝一般是將1 670級5 或7高強度外層鍍鋅鋼絲束通過半平行扭絞而成。調節裝置、連接部件和錨固器具組成了索頭。螺母式、單耳式、叉耳式等形式是連接件的主要形式。熱鑄錨具和冷鑄錨具是錨具的兩大主要方式。實際工程中，需要在綜合考慮連接錨具形式、節點構造等因素后，才可配套選擇連接件和調節裝置。

鋼拉桿成品索各部件之間的連接方式主要為螺栓連接，部件包括桿體、連接件和調節裝置，其桿體單根桿體長度不超過12 m，屈服強度可達到650 MPa。其最早被應用在上海浦東新國際博覽中心的柱間支撐中，然后在機場候機樓、會展中心和體育場館等項目中得到了應用。

4 結語

近10年來，在工程技術人員的努力下，預應力鋼結構構件在國內不斷發展并走向成熟，滿足了大跨度的需求，被廣泛的運用在機場候機廳、體育館、工業廠房等工程實際中。在此過程中，預應力鋼結構的材質、結構樣式、施工應用技術不斷進步，確保了設計時提出的大跨度鋼結構力與形的要求。

[參 考 文 獻]

[1] 田自強.體育館大跨度鋼結構施工技術要點分析[J].信息系統工程，2011(5)：149-150.

[2] 郭正興，羅斌.大跨度鋼結構預應力施工技術研究與應用-大跨空間鋼結構預應力技術發展與應用綜述[A]，2011，40(340):101-108.

[3] 史洪泉.大跨度空間鋼結構施工全過程力學分析及考慮施工影響的若干要素研究[D].南京：東南大學,2005.

[4] 鄭永康.高空大跨空間結構施工技術應用與研究[D].南昌：南昌大學,2011.