預應力鋼結構的施工特點與控制

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　摘要：在目前新的“建筑技術政策”向鋼結構傾斜并提出“積極合理較快速地發(fā)展鋼結構”的態(tài)勢下，鋼結構學科將快速全面發(fā)展，鋼結構工程將更加廣泛。文章分析了預應力鋼結構的特點及其一般設計施工過程，提出了預應力鋼結構的施工控制設計措施。

　　關鍵詞：預應力鋼結構；施工控制；倒裝法

　　當前我國鋼結構在高聳結構、超高層結構中的應用近年來已非常廣泛，由于其良好的抗震性能，漸漸成為超高層結構的主流。此外，輕型鋼結構建筑體系用于中小型工廠、商店、大型超市，由于其構造簡單，材料單一，有利于制作的工業(yè)化和規(guī)格化，而且由于自重輕、工期短、經(jīng)濟性好而取得飛速發(fā)展。預應力鋼結構是在各類鋼結構中增加高強度贅余預應力桿件、張拉預應力桿件使其他構件獲得與荷載引起的內(nèi)力方向相反的預應力，而預應力桿獲得與荷載引起內(nèi)力方向相同的預應力，這樣既充分發(fā)揮了高強度預應力桿的作用，又充分利用了鋼構件的強度。預應力鋼結構其實質是以少量高強度鋼材代替一部分普通鋼材并提高其他構件的承載能力而取得顯著經(jīng)濟效益。顯然，高強度預應力構件強度越高并且提高其他構件承載能力的方式越合理，其綜合效果也就越為顯著，一般情況下，預應力平面結構可以節(jié)約鋼材10%～20%，預應力空間體系則可節(jié)約鋼材40%～50%，這是應該大力推廣的結構體系。

　　一、預應力鋼結構的原理與狀態(tài)

　?。ㄒ唬╊A應力鋼結構的基本原理

　　預應力鋼結構的基本原理就是針對普通鋼結構的特點，人為地在結構或構件較大受力部位，引入與荷載作用下符號相反的預麻力，使結構承使用荷載后，構件的內(nèi)力抵消一部分或大部分，變形也相應隨之減少，實現(xiàn)結構形式更合理、更經(jīng)濟的目標。按照預應力鋼結構施工工藝來分，剛性結構和半剛性結構可歸為一類，柔性結構歸為另一類。剛性結構和半剛性結構有相對獨立的桿件結構剛度，當索中預應力失效時，結構剛度減小，但桿件結構剛度仍存在。因此剛性結構和半剛性結構旖工工藝計算模型可以分解為索對桿件部分結構的作用，懸掛體系、斜拉體系、預應力網(wǎng)架結構、預應力網(wǎng)殼結構和張弦梁屋架都具備可劃分出相對獨立的桿件部分結構的特性。柔性結構不同于剛性結構和半剛性結構，它僅在預應力作用下才形成有剛度的結構，不能劃分出相對獨立的桿件部分結構，它的設計和施工計算都需確定結構形狀，因此柔性結構施工完全不同于剛性結構和半剛性結構施工。

　?。ǘ╊A應力鋼結構的狀態(tài)

　　預應力鋼結構狀態(tài)要素考慮是指索力和結構幾何形狀，為了便于分析和敘述，可以定義預應力鋼結構如下的三種不同狀態(tài)：

　　1．零狀態(tài)：零狀態(tài)時的結構是加工放樣后的構件集合體。零狀態(tài)時不存在預應力，不存在外部荷載和自重的作用，結構零狀態(tài)的桿件部分形狀和幾何尺寸是由設計圖紙給定的。

　　2．初始狀態(tài)：初始狀態(tài)是指結構安裝就位張拉后僅在預應力和自重作用下自平衡狀態(tài)。不考慮外部荷載的作用。預應力鋼結構初始狀態(tài)僅有預慮力和結構自重作用，實際上就是預應力施工張拉狀態(tài)，此狀態(tài)的索力和幾何形狀分別是施工張拉時的索張拉力控制值和位移監(jiān)控值。

　　3．工作狀態(tài)：工作狀態(tài)指結構投入使用在外部作用下所達到的平衡狀態(tài)。通常，外部作用下的工作狀態(tài)位移，由設計方提供說明和要求。

　　二、預應力鋼結構的施工流程與控制設計

　?。ㄒ唬╊A應力鋼結構的施工流程

　　現(xiàn)以長沙會展中心展覽大廳來說明預應力鋼結構施工特點，展覽大廳是一個斜拉索和張弦桁架相結合的復雜空間預應力鋼結構。施工過程如下：

　?。?）在地面抬模上拼裝屋架的張弦桁架跨段；張拉下弦索，張弦梁跨中起拱到預定量；

　　（2）起吊、安裝張弦桁架跨段，二端電焊連結；

　　（3）張拉斜索，使屋架位移控制點起拱到預定量；

　?。?）拆除支撐，然后安裝屋面板和設備。

　　從上述的施工過程中可以歸納出預應力鋼結構施工以下幾個特點：

　?。?）預應力施工會有階段性，可以是嵌套形式；

　　（2）需要確定一個形狀控制為索張拉目標，目標實現(xiàn)時的索力目標控制索力，目標實現(xiàn)時控制點位移為目標控制位移，即初始狀態(tài)；

　?。?）控制索力往往是幾個，甚至是十幾個以上。由于實際張拉設備有限，不可能所有索同時張拉，因此必須制定使用少數(shù)設備實現(xiàn)目標控制索力和目標控制位移的張拉方案。

　?。ǘ╊A應力鋼結構的施工控制設計

　　預應力鋼結構的施工狀態(tài)控制設計是指預先通過分析確定設計目標并制定張拉方案，張拉過程中對預應力鋼結構施工狀態(tài)進行實時識別，最終有目的地調(diào)整糾偏，從而使預應力鋼結構施工收到有效地控制。為了實現(xiàn)這個目標，可采用幾種施工計算方法，下面介紹三種方法：順序循環(huán)法、倒裝法和無應力法。

　　1．順序循環(huán)法。順序循環(huán)法分析步驟與實際預應力索施工步驟完全相同，通常在分析前根據(jù)工程具體情況先行確定若干各選方案，一般通過各個分組索2～3次循環(huán)疊代可逐步逼近設計索力，使結構最終成形。通過分析還可以準確獲得各個施工階段構件內(nèi)力分布和結構幾何形態(tài)。根據(jù)循環(huán)張拉的拉力增量可將順序循環(huán)法細分為足量循環(huán)張拉法、等量遞增循環(huán)張拉法和變量遞增循環(huán)張拉法。足量循環(huán)張拉法是指每個循環(huán)中各組索的施工控制索力均為設計索力，由于后張索引入的預應力將在結構中重分布，必然導致先前張拉的索力發(fā)生變化，因此需要經(jīng)過若干次循環(huán)張拉調(diào)整直至各組索內(nèi)力均最終均達到設計要求的索力；等量遞增循環(huán)張拉法是指通過k次循環(huán)張拉，將各組預應力索的設計索力等分為k份，每次循環(huán)張拉的索力增量為P/k，直至最后各組索力均逼近設計索力后停止張拉循環(huán)；而變量遞增循環(huán)張拉法是根據(jù)工程實際情況每次預應力施工張拉控制的索力增量不同，最后統(tǒng)一逼近設計索力的循環(huán)張拉施工方法。

　　2．倒裝法。我們以斜拉張弦桁架組合結構為例來說明“倒裝法”原理。假如我們已經(jīng)計算得到施工階段荷載控制值。即索力Fi和控制位移Ui（-1，…，n）。如果有n臺張拉設各，就可能同步比例張拉n根索，實現(xiàn)施工目標。但實際工程施工時，考慮到施工成本，不會采用同步張拉方案?，F(xiàn)考察使用一臺設備張拉時索力和位移的變化情況。假定一臺設備張拉次序和索號相同，要求張拉完成后的索內(nèi)力和控制點位移為已計算得到的施工階段荷載控制目標Fi（i=l，…，6）和Ui（i=1，…，6）。現(xiàn)假定按索號逐根張拉，張拉力就取Fi。1號索張拉后，當2號索張拉時，l號索索力就不再是Fi。繼續(xù)張拉3號索，1號索和2號索的索力又發(fā)生變化。后繼索張拉會改變已張拉索的索力，如此張拉無法達到施工階段荷載控制力和控制位移的目標。

　　3．無應力法。依據(jù)索工作狀態(tài)可以計算得索無應力長度。把按無應力長度制作的索全部安裝后，它的索力和位移在使用階段荷載下就是使用階段荷載的控制力和控制位移，在施工階段荷載下就是施工階段荷載的控制力和控制位移。因結構是彈性的，求解結果唯一，和索張拉次序無關。不難看出，按索無應力長度逐索安裝，剛安裝索的內(nèi)力和相應控制點位移，就是“倒裝法”按同樣次序逐索張拉時該索控制內(nèi)力和相應控制點位移。因此，無應力法和倒裝法從本質上講是同一過程的不同方式控制。無應力法逐一安裝索，是以索的無應力長度作為張拉控制量，此時索力就是倒裝法計算得到的控制張拉力。

　　通過以上分析，三種張拉順序對應各階段索力完全不同，因此各組索的張拉施工控制索力完全對應于事先制定的張拉順序，張拉順序不同施工控制索力也不同。其中倒裝法分析的結構計算結果是精確值，也是順序循環(huán)張拉法多次循環(huán)逼近的結果。計算過程簡單明了，采用該分析結果進行張拉，能準確控制施工階段各種預應力索的索力。張拉的最終結果與設計要求的結構成型索力完全一致。

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　　作者簡介：劉陽（1978－），男，湖北公安人，上海市第二市政工程有限公司助理工程師，研究方向：鋼結構橋梁在中國的發(fā)展。