咸陽市市民文化中心鋼連廊預應力施工技術

柳明亮 楊 洋

(1.陜西省建筑科學研究院有限公司，陜西 西安 710082; 2.中交第一公路勘察設計研究院有限公司,陜西 西安 710075)

0 引言

鋼連廊不僅僅具有連接建筑物的交通聯系功能而且還具有組織空間、整合環境和造型等功能；鋼連廊一般跨度較大，結構中間支撐少，或無支撐，常采用預應力拉索來實現上述功能。預應力結構成型過程復雜，需要完善的施工技術來確保施工的安全，其中施工過程的數值模擬和施工監測是最為重要的環節。

在施工模擬和施工監測方面，國內外學者進行了系統深入的研究，在該方面取得豐富的研究成果。錢稼茹等人[1]對北京大學體育館鋼屋蓋預應力施工過程進行數值模擬及監測，表明該屋蓋結構模型分析和方法的正確性。劉紅波等[2]對弦支穹頂結構施工過程進行數值模擬和監測，驗證了滾動式撐桿下節點運用預應力結構的可行性。Mar Reynier和Hisham Abou-Kandil[3]研究提出兩種結構動態響應測量的方法；Rubin[4]還從監測數據缺失方面提出該部分數據的處理方法。Nikos Tsikriktsi[5]總結了3類處理數據缺失方法：刪除法、插補法、預測法。在鋼結構連廊[6-10]方面也取得豐富研究成果，為在建或已建工程起到重要的指導作用。

預應力張拉精確度控制和張拉過程的安全是鋼連廊結構研究的熱點和難點之一，因此對鋼連廊結構施工過程的施工模擬和施工監測成為最為有效的方法。本文以咸陽市市民文化中心青少年宮項目為研究背景，運用數值模擬和施工監測手段為施工提供重要的理論依據，對判斷施工期間鋼梁、預應力拉索和混凝土梁整體安全起到重要作用。

1 工程概況

咸陽市民文化中心(效果圖如圖1所示)項目，位于咸陽市北塬新城文化中心地塊，共分為兩期建設。青少年宮建筑面積約1.098萬m2，地下1層，地上5層，建筑高度24 m；其中鋼連廊(如圖2所示)部分位于青少年宮一層樓面處連接東西兩個建筑物，跨度達到21.5 m，一邊并連接三跑鋼樓梯，所用鋼材均為Q345B，采用兩種規格的H型鋼(H600×300×16×12,H550×200×12×16)，7號樓梯采用箱型截面型鋼(□500×250×10×16,□300×300×12×12)，踏步板采用14 mm厚鋼板焊接而成；預應力鋼索采用長6.17 m的φ32鋅—5%鋁—混合稀土合金鍍層鋼絞線，一端固接在鋼筋混凝土梁上，另一端鉸接在鋼梁上。

2 施工技術

根據工程實施過程，制定以下方案：預應力施工張拉方案、施工監測方案和施工模擬方案。

本工程鋼連廊通過預應力拉索懸掛于上層鋼筋混凝土梁上，根據張拉的技術特點，將施工分為以下步驟：第一步混凝土結構的施工及預埋件的安裝；第二步待混凝土達到設計強度以后，進行鋼連廊結構鋼梁的安裝；第三步預應力拉索的安裝以及預應力張拉施工。其中第三步為鋼連廊施工的核心步驟。

2.1 預應力施工張拉方案

預應力施工張拉設計應確定施工順序，尤其是制索和預應力張拉過程的順序。對預應力鋼結構施加預應力的過程應根據具體的結構類型分別采用改變剛性桿件或柔性索的長度等方法。施加預應力，使預應力能夠分布到整個結構，達到預加應力的目的，這個預應力過程必須與設計的預應力施加過程相一致。實際的預應力施加過程作為非線性疊加步加以分析，對于預應力鋼結構來說應區分其初始幾何狀態和預應力狀態，有些預應力鋼結構初始幾何的張拉過程與施加預應力過程并不一致，這時預應力過程必須根據實際的設計情況加以區分，即首先完成曲線或曲面的張拉過程，再考慮為結構提供剛度的過程。簡言之，預應力施工技術設計的主要內容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，同時控制結構的整體受力和變形。

本工程共有6條預應力張拉索，拉索施加初始預張力為60 kN，預應力施工過程應按一定的速率逐步張拉，因為在每一階段預應力過程中，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，拉索的索力會相互影響。經計算分析分3級張拉施工(見圖3)，每級張拉時均從西向東以2根對稱的拉索同時張拉20 kN，考慮張拉的施工工藝及預應力損失每次超張拉5%。預應力張拉具體施工步驟為：

1)安裝1號和6號拉索，并同時緩慢的張拉兩根索使其張拉力達到21 kN，進行監測記錄；

2)待結構監測數據趨于平穩，再安裝2號和5號拉索并對其張拉使拉索拉力達到21 kN，進行監測記錄；

3)待結構穩定，再安裝3號和4號拉索并對其張拉使拉索拉力達到21 kN，進行監測記錄；

4)再從3號和4號拉索依次開始重復上述步驟，最終使拉索拉力達到63 kN。

2.2 監測方案

為保證鋼結構以及上部連接鋼筋混凝土梁在施工期間的安全，并使鋼絲繩張拉的預應力狀態與設計要求相符，必須對鋼結構的安裝精度、張拉過程中鋼絲繩的拉力及鋼結構的應力與變形進行監測。

本次結構施工過程中的變形監測采用自動靜力水準儀加人工水準儀采集，應力監測采用振弦式應變計監測，鋼絲繩的拉力通過油壓傳感器進行監測。油壓傳感器安裝于液壓千斤頂油泵上，通過專用傳感器讀數儀可隨時監測到預應力鋼絲繩的拉力。此次監測，布置32個振弦式應變計和7個靜力水準儀(其中1個靜力水準儀設置在基準點上)，2組油壓傳感器來進行鋼索監測。應力與變形監測點布置見圖4。

2.3 施工數值模擬方案

復雜工程應根據有限元軟件進行定量分析計算，通過數值模擬以掌握結構受力和變形的特征并獲得理論數據，驗證施工方案的可行性。

數值模擬采用SAP2000進行建模計算(見圖5)，其中鋼梁和張拉索用框架單元和索單元模擬，預應力的實現通過在索單元施加溫度荷載(降溫法)來實現；根據預應力張拉施工方案，分為3級張，施加溫度荷載時以同一橫軸上的兩根索為一組同時施加，依次從左邊向右邊連續施加，這個過程在SAP2000中定義為階段施工分析，整個數值模擬的過程分為9步：1)建立有限元模型，從最左邊第一組索開始，施加21 kN的預應力；2)在第一步的基礎上，給中間一組拉索施加21 kN預應力；3)接著再給最右邊的一組拉索施加21 kN的預應力；4)再從最右邊開始重復以上步驟，每次施加21 kN增量的預應力，完成步驟5)～步驟9)。

3 數值模擬與監測結果分析

數值模擬結果表明，預應力張拉施工過程中：1)鋼梁上下翼緣的應力基本保持在80 MPa以下，剛梁處于彈性工作狀態；鋼梁在與樓梯接觸部分應力最大；遠離樓梯一側的鋼梁應力一般大于接近樓梯側的鋼梁應力；2)拉索的應力基本保持在60 MPa以下，處于彈性工作狀態，拉索全程受拉；3)結構主要連接點的位移值基本保持在30 mm以下，遠離樓梯一側的鋼梁變形一般大于接近樓梯側的鋼梁變形，結構變形處于可控狀態。

圖6為咸陽市市民文化中心鋼連廊中鋼梁應力的數值模擬與施工監測結果。測點17號上弦和測點12號上弦數值模擬和現場監測的應力值比較接近，應力變化趨勢一致，在整個張拉過程中，測點17號上弦數值模擬和現場監測的應力偏差最大為-54.15 kN和-42.35 kN，偏差為20%；測點12號下弦數值模擬和現場監測的應力偏差最大為15.41 kN和19.29 kN，偏差為20%；且均處于彈性階段。對于豎向位移，數值模擬和現場監測除在初期和末期偏差較大外，其他過程數值模擬和現場監測比較接近，說明結構變形在施工初期和末期受施工影響比較大，中間階段受影響較小，數據吻合較好。施工過程中，結構最大變形為25.4 mm<86 mm(L/250)，結構處于彈性階段。

4 結語

通過對咸陽市市民文化中心青少年宮預應力鋼連廊的施工過程模擬和施工監測分析，得到以下結論：

1)預應力施工過程中對主要受力桿件的應力、主要節點的變形進行監測非常關鍵。

2)本項目數值模擬和施工監測數據表明，在整個施工過程中，鋼梁上下翼緣的應力值都保持在80 MPa以下，變形監測點的豎向位移基本保持在30 mm以下，結構始終處于彈性狀態，張拉過程結構是安全的，施工方案是可行的。

3)數值模擬和施工監測數據吻合較好，部分數據存在偏差，考慮到施工人員的操作水平和偶然施工因素，這些偏差尚處于可控狀態。

參考文獻:

[1] 錢稼茹,張微敬,趙作周,等.北京大學體育館鋼屋蓋施工模擬與監測[J].土木工程學報,2009，42(9):13-20.

[2] 劉紅波,陳志華,牛 犇.弦支穹頂結構施工過程數值模擬及施工監測[J].建筑結構學報,2012，33(12):79-84.

[3] Reynier M, Abou-Kandil H.Sensors location for updating problems[J]. Mechanical Systems and Signal Processing,1999，13(2):297-314.

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