预应力施工技术在大跨空间钢结构中的应用分析

2014-04-24杨震

湖北工程学院学报 2014年3期

关键词：钢构拉索跨度

杨震

(赤峰学院建筑与机械工程学院，内蒙古赤峰 024000)

钢结构工程技术采用以钢材制作为主，由型钢和钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件组成，各构件或部件之间采用焊缝、螺栓或铆钉进行连接，是主要的建筑结构类型之一。与其他类型的建筑结构相比，钢结构的优点主要有：

(1)理论分析可靠性高。钢材是理想的弹塑性材料，内部材质均匀，晶体结构接近于各向同性。钢结构的实际工作性能可以被目前的计算理论较好的反应，具有较高的可靠性。

(2)强度较高，质量较轻。钢材强度高于砌体，混凝土和木材，弹性模量也较高。在受力条件相同的情况下，与其他结构相比，钢结构结构质量更轻，构建截面面积更小，在运输和安装上有明显优势,是建造大跨度建构筑物的理想材料[1]。

(3)塑性和韧性好。钢结构有很高的塑性，在破坏之前有较大的塑性变形，会产生有明显的征兆，容易发现，留有充足的时间对结构进行修补。而且钢材韧性高，具有良好的抗震性能，对于冲击荷载与动力荷载有较好的抵抗能力，是地震设防区的理想结构。

(4)制作和安装方便。组成钢结构的构件一般可在工厂制作，具有很高的工业化、批量化程度高，具备大规模的生产能力，生产的产品精度高。采用工厂制作、工地安装的方法可以显著的缩短工期，进而降级造价，发挥投资效应。

(5)具有可焊性与密封性。钢材的可焊性体现在可以不加多余连接件，仅通过焊接就能连接钢结构各构件，使得钢结构可适用于各种复杂结构形状的需要，具有比其他结构如混凝土和木质结构所不具备的显著优点。对气密性和水密性要求较高的结构，可采用焊接连接后进行安全密封的措施来满足密封性要求。

(6)耐热性能高。钢结构具有较好的耐热性，当钢材的表面温度在200 ℃以内时，钢材的弹性模量和屈服强度几乎不产生任何变化。

当然，钢结构也存在许多不足之处，主要有：

(1)耐火性差。钢材在高温下会产生蓝脆和徐变现象，强度降低。当钢结构表面温度大于200 ℃时，如果温度继续上升，钢材的强度和弹性模量会显著下降。当表面温度大于300 ℃，如果温度继续上升，则钢材丧失承载能力，很容易进入塑性状态。

(2)耐腐蚀性差。钢材在潮湿和有腐蚀介质的环境中，容易腐蚀，需要定期维护。维护费高也是钢结构的主要弱点之一。

2 预应力钢结构形式与施工技术

近年来，我国预应力钢结构取得了令人瞩目的成绩，具体体现在预应力结构形式、预应力施工技术和预应力高强拉索材料几个方面。

2.1 预应力钢结构类型的发展

在国内，被应用于实际工程的预应力钢结构形式很多。限于篇幅，本文重点介绍张弦梁结构和斜拉结构。其他形式的钢结构还括：索桁架、预应力桁架结构、索网、索拱、索穹顶、弦支穹顶及多次混合结构等。

2.1.1 张弦梁结构

上弦钢构、中间撑杆和下弦索构成了完整的张弦梁结构。张拉时，张弦梁可以形成预应力自平衡体系。拉索上的预张力完全由上弦钢构的内力平衡，其一端或两端的支座允许滑动。上海浦东国际机场候机楼工程，建于1998年，候机楼跨度为44 m和83 m，是我国国内第一次运用大跨度张弦梁结构。一开始多为单向张弦梁，后来这类钢结构逐渐变得多样化，并得到了广泛应用[2]。

2.1.2 斜拉结构

斜拉结构主要包括：桅杆、斜拉索和钢构。斜拉索通常安装在钢构的上方，从而优化了结构的受力方式，使得结构变形与制作弯矩得到完善，为钢构提供了弹性支撑。在实现更大跨度的同时，降低了用钢量，实现了更好的经济效益。

早期，在一些小型结构中，斜拉结构应用比较广泛，其拉索大都是组装而成。发展至今，斜拉结构在材料和外在形式上经过了较大的变化，使用上也变得更加多样。如江宁体育场的斜拉网架结构平面呈月牙形(图1)，网架后缘支撑在V型钢柱上。在吴江体育场工程中，梭形管桁架的拉桁架结构被应用在塔柱上。在广东外语外贸大学体育场工程中，张力撑结构被应用在桅杆中[3]。

图1 江宁体育场斜拉网架结构

2.2 预应力钢结构施工技术的应用与发展

预应力钢结构施工，具体体现在拉索施工和钢构施工的结合，张拉机具、节点和索头的结合，及包括全过程的施工控制、设计分析和构件制作工艺的结合等多个方面。因此预应力钢构施工技术包含集全过程性和系统性的施工技术，而不仅仅是预应力构件的制作、安装和预应力构件的张拉工艺。

2.2.1 分析和制作工艺的结合

施工目的方面，预应力钢结构包括形状的初始态(如钢构形状参数、构件空间位置等)和受力的初始态(支座反力、索内力、钢构内力等)的两重要求，并且要求它们完全对应。这些要求显然要高于一般钢结构的施工要求。在具体的施工中，存在较多客观与主观因素的制约，如施工条件、施工误差、经费预算的限制等，因此要完全达到力和形的完美结合是比较困难。在具体操作和应用之前，设计人员不仅要非常熟悉这些材料与产品的属性，而且要经过详细的分析与测试，为实际施工积累大量可靠而有效的参数。只有这样，最终在应用环节中才能实现行之有效的控制，从而以达到设计目的。分析内容包括：结构性能的分析、施工力学分析以及施工成型状态对结构性能的影响分析等。

2.2.2 索头、张拉机具和节点的结合

按照功能划分，张拉机具主要分为两个部分。第一部分包括拉杆、锚固装置以及台座(用于放置千斤顶)在内的张拉工装。第二部分包括千斤顶、油泵、油压表和油管在内的千斤顶系统。节点系统是重要的一个组成部分，主要包括拉索中部的索托、索夹节点和拉索端部的连接节点。拉索张拉时，技术人员需要充分考虑构造的尺寸大小、如何有效传力、怎样精准施力、是否有足够的操作空间等方面的因素。将张拉机具与节点和索头连接在一起,并把张拉机具和索头、节点有效结合起来，以达到在拉索中准确施加预定张力的目的[4]。

2.2.3 钢构和拉索施工的结合

预应力钢结构性能的提升，最终由施加在拉索上的张力大小决定。结构预应力状态在拉索张拉后，不仅包括拉索结构的内力(张力)，还包括结构的空间位置，钢构的剪力，弯矩，轴力以及支座处的支反力等。设计时除了要考虑到拉索的张力大小外，还要考虑整体结构。所以，要达到整体结构的有机结合，需要使拉锁施工和钢构施工密切配合。

2.2.4 从结构分析到构件制作、构件安装和构件张拉的全过程控制

设计前期要求实现力与形的结合，预应力钢结构在施工控制方面显得非常重要。与一般的钢构不同，预应力钢结构是从结构分析出发，对结构制作、安装、拉力等各个环节要进行有效的控制。通常，一般的钢构的施工控制重点放在结构的制作和现场安装方面。

3 拉索材料的发展与应用

预应力拉索材料是预应力钢结构的主要材料。如今的拉索材料，已经开始适用高强度的钢丝束和钢拉杆等成品索。钢丝表面防腐蚀技术主要为镀锌铝处理和环氧喷涂。

在初期的预应力的钢结构中，主要应用的组装索有两类：钢绞线组装索和钢丝绳组装索。钢绞线组装索的索体材在预应力混凝土中无粘接钢绞线中得到广泛使用，拉索锚具则在夹片锚和挤压锚的基础上进行了改进。目前，在工程中广泛使用高强钢丝束成品索和钢拉杆成品索(如图2)。成品索的物理力学特性、制作工艺及质量、防腐防锈性能及美学方面有明显的提高。在节点构造、拉索制作长度、锚具的形式、现场安装和张拉工艺方面，现代工程也相应地提出了更高要求。

图2 钢丝束成品索(a)和钢拉杆成品索(b)

钢丝束成品索最初在大跨度桥梁的桥型中得到有效使用。随着它在建筑结构中的应用，其发展速度变得迅猛起来。这种索的防护层为双层PE，索体结构的制作工艺一般是将1 670级5 或7高强度外层镀锌钢丝束通过半平行扭绞而成。调节装置、连接部件和锚固器具组成了索头。螺母式、单耳式、叉耳式等形式是连接件的主要形式。热铸锚具和冷铸锚具是锚具的两大主要方式。实际工程中，需要在综合考虑连接锚具形式、节点构造等因素后，才可配套选择连接件和调节装置。

钢拉杆成品索各部件之间的连接方式主要为螺栓连接，部件包括杆体、连接件和调节装置，其杆体单根杆体长度不超过12 m，屈服强度可达到650 MPa。其最早被应用在上海浦东新国际博览中心的柱间支撑中，然后在机场候机楼、会展中心和体育场馆等项目中得到了应用。