某图书馆顶部悬挑结构钢拉杆张拉施工模拟与监测

2020-06-17张晋元秦泽斌

结构工程师 2020年2期

张晋元秦泽斌，* 刘毅王楠

（1.天津大学建筑工程学院，天津300350；2.天津住宅集团建设工程总承包有限公司，天津300300）

1 工程概况

某图书馆7层至屋顶为悬挑结构，东西方向长度108.5 m，南北方向长度45.4 m，其中悬挑长度11.3 m。7层为混凝土伸臂结构。上部劲性结构悬挑桁架通过钢拉杆与下部混凝土伸臂梁连接，钢拉杆沿东西向一字排开，南北两侧各12根，共计24根。钢拉杆采用650级钢材，杆长7.05 m，直径120 mm。结构布置如图1、图2所示，钢拉杆详图见图3。

图1 七层至顶层结构示意图Fig.1 Structure above the seventh floor

图2 结构西立面图Fig.2 West elevation of the structure

图3 钢拉杆详图（单位：mm）Fig.3 Detail drawing of steel bars（Unit：mm）

2 初拟张拉施工方案

根据现场施工条件及流水作业的要求，整个预应力张拉施工过程如下：待7层至顶层混凝土结构强度达到100%后，拆除层间模板及支撑→吊装钢拉杆→张拉钢拉杆→拆除高支模板支撑（图4阴影部分）。其中钢拉杆的安装质量，是保证整体悬挑结构受力和结构安全稳定的重要环节，设计对钢拉杆有以下技术要求：①钢拉杆张拉至50 kN；②保证钢拉杆上下吊耳垂直且上下位置精准，拉杆铰的位置及垂直度偏差不得大于设计要求；③采用合理的方法进行张拉，且对拉杆预应力进行监测。

由于现场施工条件的限制，24根钢拉杆不可能实现同时张拉，后张拉的拉杆会对先张拉的拉杆的内力产生影响，同时由于在施工过程中整个结构的几何形态、刚度及其边界条件按照一定先后顺序先后形成，与结构状态相关的各个物理量不断变化［1］，因此不同的张拉顺序对结构的影响是不相同的。如单纯采用拉杆内力监测配合逐级循环张拉的方式进行施工，不仅施工效率及精度较低，且有可能对结构造成损伤［2］，鉴于现场施工条件，为保证钢拉杆安装质量，施工前拟定三种不同方案：外扩式、内收式、隔跨内收式（表1），拉杆编号见图4，每次同步对称张拉两根拉杆，采用Midas∕gen分别进行施工全过程模拟分析，从而确定使结构达到最佳受力状态的最优方案。

图4 7层平面结构示意图（单位：mm）Fig.4 Plan of the seventh floor（Unit：mm）

表1 预应力张拉初拟施工方案Table 1 Initial construction scheme of pressed tension

3 预应力张拉施工过程模拟

3.1 模拟方法及模型建立

首先基于Midas∕Gen建立6层至屋顶层的有限元模型，结构中的梁柱采用梁单元模拟；钢拉杆只承受拉力，采用桁架单元模拟；楼面采用刚性楼板假定；由于在张拉过程中，高支模板支撑并未拆除，近似采用弹簧单元模拟其支撑作用，弹簧间距按实际高支模板竖向支撑间距确定，弹簧刚度系数由模架刚度分析得到。以伸臂梁外伸跨为例，沿梁跨度方向和高度方向取全部模架计算，沿梁宽度方向取左右各一个剪刀撑间的模架计算，见图5，模架沿高度方向一个剪刀撑间的有限元模型如图6所示。A、B、C、D四点是模架竖向支撑对伸臂梁的作用点，分别在这四点施加F=200 kN的竖向荷载，计算得到的位移δ如表2所示，对应点的刚度由F∕δ得到，可见除A点外，B、C、D处的刚度较为接近，因此对该外伸跨两端竖向支撑对应点弹簧的刚度系数取4.63×104N∕mm，对于跨中点的弹簧刚度系数偏不利地取9.26×104N∕mm计算。

模型尺寸及材料特性均与设计资料一致，结构质量由程序自动考虑，施工活荷载取4 kN∕m2；除钢拉杆与梁的连接方式为铰接外，其余节点的连接方式均为刚接；钢拉杆预应力采用降温法模拟，通过反复迭代确定达到目标预拉力时的温度值［3-5］。

根据施工顺序在软件中设置不同的施工阶段，在分析某一张拉阶段时，仅在前一阶段模型的基础上激活参与当前阶段的单元、荷载、边界，计算过程中考虑时间依从效果（使用累加模型）及几何非线性，这样程序计算下一阶段的内力和变形时会基于上一阶段的结果，从而实现对施工全过程的模拟。

图5 模架计算示意图（单位：mm）Fig.5 Calculation diagram of formwork（Unit：mm）

图6 模架的有限元模型Fig.6 Finite element model of formwork

表2 支撑点的竖向位移Table 2 Vertical displacement of the support point

3.2 张拉结果分析

基于实际情况，程序中每次张拉2根钢拉杆，24根钢拉杆分12批次张拉完毕。由于张拉批次不同，后张拉的拉杆会对之前拉杆的预拉力造成影响。程序求解后，根据结构及张拉施工的对称性，取北边编号为N1至N6的6根拉杆分析，其三种张拉方案下钢拉杆最终内力如表3所示，张拉过程中内力变化如图7所示。

图7 张拉过程中钢拉杆内力变化图Fig.7 Force change in the tension process

表3 三种施工方案下钢拉杆最终内力Table 3 Final force of steel bar in three construction schemes

通过分析图7中各杆的内力变化规律可知，钢拉杆的预拉力在张拉施工过程中是不断变化的，但无论采取哪种方案，相邻钢拉杆的张拉对上一次张拉过的拉杆的预拉力损失影响较大，距离已张拉杆两跨以上拉杆的张拉基本不会对已张拉的拉杆产生影响。以内收式方案中N1杆为例，当张拉的拉杆距离N1杆为两跨时，N1杆的变化仅为2.4%，其他钢拉杆的内力变化规律与N1相同。

同时由图7、表3可知，由于钢拉杆之间的相互影响，除少部分钢拉杆内力与目标预拉力50kN相近，其余拉杆均有较大幅度的变化，特别是东西两侧的拉杆。为了定量衡量预拉力改变的大小，本文引入一个无量纲量预拉力变化率r，r的计算公式如式（1）所示。

式中：Ni为所有钢拉杆张拉完成后某根杆的内力；N0为该钢拉杆首次张拉后的内力。

根据结构与张拉施工过程的对称性，分别取三种方案下N1至N6、S1至S6钢拉杆的最终内力，计算其预拉力改变率，绘制于图8中。

图8 钢拉杆预拉力改变率Fig.8 Rate of change in pretension of steel bar

分析图8结果可知，外扩法S1、S2杆会产生明显大于其他杆件的预拉力改变，且改变率在三种方案中最大。隔跨内收法与内收法相比，各拉杆变化率改变情况大致相似，但隔跨内收法各拉杆的改变率整体大于内收法。内收法除首次张拉的N1外，其余拉杆的变化率均在10%以内。综合比较三种方案可知，内收式方案钢拉杆预拉力变化相对较小，可以采用这种方案施工。但是，内收式方案下12根拉杆的预拉力改变率中有7根杆均大于5%，且N1拉杆变化率为18.22%，这与设计要求预拉力值仍相差较大。因此，实际施工中拟采用分级张拉方式施加预应力，首先将所有钢拉杆按照内收式施工方案张拉至20 kN，待验收合格后，再次张拉至50 kN，从而保证张拉精度。使用Midas∕Gen进行分级分批次张拉施工全过程模拟，两级张拉下钢拉杆内力如表4所示。

由表4结果可知，在最后一步张拉完成时，除N1外各钢拉杆的预拉力变化率均在5%以内，满足工程精度要求。

表4 第一级张拉各阶段拉杆内力Table 4 Final force of steel bar in two phrases

4 现场施工及监测

4.1 施工技术要点

钢拉杆安装完成后，使用扭矩扳手进行张拉。由公式M=KNd可知，钢拉杆内力与施加扭矩一一对应，为保证张拉精度，通过钢拉杆拉伸试验，确定施工扭矩［6］。综合多次拉伸试验结果，本次张拉至第一级目标拉力需施加240 N·m扭矩，第二级目标拉力需施加600 N·m扭矩。用扭矩扳手对每个接头处的锁紧螺母进行旋转张紧时要注意内螺纹旋向，最终使拉杆达到充分垂直张紧。

悬挑高支模的卸载过程是对钢拉杆的加载过程，钢拉杆加载遵循的原则是“荷载逐级缓慢加载”，因此架体拆除应缓慢有序，以满足逐级、缓慢加载的要求，从而保证钢拉杆的受力情况处于可控制状态。整个加载过程均在钢拉杆应变检测下进行。一旦情况异常则停止加载，分析原因，保证施工过程的安全和质量。