預應力索結構張拉技術研究

齊金萍，朱奕鋒

（中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088）

0 引言

隨著社會發展和科技進步，預應力索結構在大跨空間結構中的應用越來越廣泛。預應力索結構結構形式復雜，種類繁多，根據剛度可分為半剛性結構和柔性結構。半剛性結構主要有斜拉結構、索拱結構、拉索結構和張弦結構，主動受力和被動受力相結合，如深圳游泳跳水館、吉林速滑館、深圳東部華僑城多功能劇場、天津梅江會展中心等；柔性結構以主動受力為主，主要有索桁架、索穹頂、張拉整體結構和索膜結構，該類結構中主要承力構件為索，其幾何形狀和結構剛度均依靠拉索或膜結構中的預應力實現。

1 預應力拉索張拉技術特點

由于預應力索結構結構形式多樣，每個工程中索的直徑、張拉力值和錨固形式差別較大。因此，進行拉索的張拉要做好以下2個方面的工作。

1.1 施工仿真計算分析

預應力索結構的張拉成形過程主要是確定預應力過程的順序、步驟，以及采用的機械設備、張拉力值和拉索伸長值等。施工仿真分析是對預應力索結構的張拉成形過程進行模擬，拉索的下料長度、張拉力值及工裝設計均需通過仿真分析得到。通過針對具體工程建立結構整體模型，進行施工仿真模擬計算，指導拉索的安裝和張拉，可起到事半功倍的作用。

施工仿真模擬計算應得出如下結果：根據設計要求狀態確定每根拉索標記力，即下料要求預應力值；根據設計要求狀態的索力確定張拉階段的最大索力，選擇合適的張拉機具；驗證張拉施工方案的可行性，確保張拉成形過程安全；給出每根拉索每級張拉力值，為實際張拉時張拉力值的確定提供理論依據；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。

1.2 預應力張拉工裝設計

通過仿真分析，確定張拉次序和張拉力值后應進行張拉設備的選擇和張拉工裝的設計。由于預應力索結構的結構形式復雜，種類繁多，張拉工裝不僅與索的直徑、錨具形式有關，而且與支座構造及邊界條件有關。因此，基本上每個預應力索結構的張拉工裝都應專門設計，但每種類型的預應力索結構的工裝設計原則是相同的。

以下通過順義區城南體育中心體育館和天津梅江會展中心2個工程實例介紹施工仿真模擬過程和工裝設計。

2 施工仿真模擬

2.1 順義區城南體育中心體育館

2.1.1 工程概況

順義區城南體育中心體育館平面尺寸為75.0m×78.4m，結構軸線頂部高度22.136m。中部比賽區為單層大跨拉索鋼結構，軸線平面尺寸為60.0m×63.8m，水平投影面積3 828m2。屋蓋結構為雙向張弦梁結構，柱距分別為8.25m和9.00m。結構在4個角點的支座采用固定鉸支座，其他位置的支座沿拉索方向可滑動。2個方向的主梁采用□800×400×25×30箱形梁；拉索采用雙層PE拉索，規格5mm×139mm和5m×199mm，強度1 670MPa。上部鋼梁及下部拉索均為空間二次拋物面布置。鋼梁向上起拱拋物面頂點高度1.5m，拉索向下起拱拋物面頂點高度5.5m，二次拋物面在四周支座處交會于水平平面高度20.7m處。屋蓋結構模型如圖1所示。

圖1 屋蓋主結構模型

2.1.2 張拉順序

將拉索分6批進行對稱張拉，每批張拉2根拉索。結構在長軸和短軸各有6根拉索，分6批將拉索張拉至70%設計初拉力，然后再按張拉順序張拉至105%設計初拉力（考慮5%超張拉）。從兩側往中間進行張拉，一次張拉2根，對稱張拉，張拉位置和張拉順序如圖2所示。

2.1.3 張拉力值

根據圖2的張拉順序計算出各張拉批次的張拉力值，并按照該張拉力值進行千斤頂和油泵選擇，以及設計相應的張拉工裝。實際張拉時根據以上數據進行張拉力值控制，并根據仿真模擬分析的位移值進行監控。

圖2 張拉順序

2.2 天津梅江會展中心

2.2.1 工程概況

天津梅江會展中心鋼屋蓋采用張弦桁架結構，主跨度90m，主跨兩側各懸挑9m，如圖3所示。2榀張弦桁架之間的距離（柱距）為15m，一側柱頂比另一側高2.25m。張弦桁架結構的上部桁架采用的為剖面呈倒三角形的空間管桁架，鋼桁架的高度為2.5m，跨中撐桿高度為8m，撐桿采用圓鋼管，均勻地布置9根，下弦索采用的是7mm×265mm半平行鋼絲束。垂直于張弦桁架方向，每隔18m采用三角形管桁架把每榀張弦梁連成整體，整個三維模型如圖4所示。

圖3 單榀張弦桁架

圖4 三維空間模型

2.2.2 張弦桁架總體張拉

1）總體張拉思路 按照理想模型在地面拼裝完單榀張弦梁后一次張拉到位，然后將張弦梁吊裝到柱頂就位，此時桁架支座允許滑移，安裝完次桁架和屋面結構后固定桁架支座，并對張弦梁的上弦變形進行監測。

2）單榀張弦桁架施工驗算 荷載為桁架自重和張拉力，支座為一端固定，另一端滑動，采用通用有限元軟件ANSYS進行計算。

3）桁架吊裝 單榀桁架吊裝采用2輛汽車式起重機抬吊，吊鉤位置確定為接近1/3處，故計算模型對應修改為：刪除支座約束，用link10單元模擬吊索，并將吊索上端約束，如圖5所示。在桁架吊裝狀態下，桁架的跨度減小。雖無側向支撐約束，但整個結構重心在2個約束連線的下方。通過計算，整體穩定不存在問題，只需保證單個構件的應力小于鋼材強度即可。

圖5 吊裝過程計算模型

4）整體張弦桁架施工驗算 荷載為桁架自重、張拉力和次桁架及屋面自重，支座為一端固定，另一端滑動，采用通用有限元軟件ANSYS進行計算，仿真分析結果如表1所示。

表1 仿真分析結果

從以上計算可看出，張弦桁架各桿件的應力及位移均滿足要求，故最終確定的張弦桁架安裝方案為：在地面將單榀張弦桁架拼裝并一步張拉到位，然后逐榀進行吊裝并安裝就位，隨后安裝次桁架和屋面，最后固定張弦桁架支座。

3 工裝設計

工程中常用的拉索錨具主要為螺紋螺母錨具和叉耳式錨具。首先根據施工仿真模擬計算確定的張拉力選擇相應的千斤頂和配套油泵，并根據錨具類型、索直徑及錨固節點設計相應的工裝。

3.1 叉耳錨具張拉工裝

北京順義區城南體育中心體育館的拉索直徑為94mm，索頭采用熱鑄叉耳式錨具，張拉工裝主要由U形卡、橫擔、張拉桿和承力架組成，如圖6所示。U形卡加工成弧形，套住叉耳錨具的外側，為使U形卡與錨具外側連接緊密，加U形卡墊；橫擔的兩端開孔與U形卡連接，中間開孔與張拉桿的一端連接；張拉桿的另一端與承力架連接；拉索從承力架的中部開孔處穿過，承力架作用于拉索與錨具連接處。張拉桿一般采用鋼棒，如果張拉力不超過300kN，也可采用15.2mm的鋼絞線。

圖6 張拉設備組裝

3.2 螺紋螺母錨具張拉工裝

天津梅江會展中心的拉索直徑為150mm，索頭采用的是螺紋螺母冷鑄錨具，張拉工裝主要由張拉桿、張拉撐腳、調節螺母和張拉填芯等組成，如圖7所示，在螺紋螺母錨具的內側加工內螺紋，張拉填芯與內螺紋連接，張拉桿穿過張拉撐腳與張拉填芯連接。千斤頂通過牽引張拉桿對拉索進行張拉，張拉撐腳承受千斤頂的壓力，張拉時同時旋轉錨具上的螺母固定。

圖7 螺紋螺母錨具張拉工裝組裝

4 張拉控制原則與操作要點

4.1 張拉控制原則

根據設計和預應力工藝要求確定的實際張拉力對千斤頂、油泵進行標定，制作標定證書，以方便檢查和使用。預應力鋼索張拉采用雙控，即以預應力鋼索拉力控制為主，監測結構變形控制為輔。每根預應力鋼索張拉完成后應立即測量校對，如發現異常應暫停張拉，待查明原因并采取措施后再繼續張拉。

4.2 操作要點

1）張拉設備安裝 由于張拉設備組件較多，因此在進行安裝時必須小心安放，使張拉設備形心與鋼索重合，以保證預應力鋼索在進行張拉時不產生偏心。

2）拉索張拉 油泵啟動供油正常后開始加壓，當壓力達到鋼索設計拉力時，超張拉5%，然后停止加壓，完成預應力鋼索張拉。張拉時要控制給油速度，給油時間不應低于0.5min。

5 結語

目前，預應力索結構在我國得到廣泛應用，市場前景廣闊。通過天津梅江會展中心和北京順義區城南體育中心體育館2個工程實例，介紹預應力拉索施工過程的仿真模擬、張拉工藝和工裝設計，以期為類似工程提供技術支持和參考。