M形屋架张拉施工过程监测研究

范志远

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

随着建筑行业的快速发展，场馆、高层连廊、屋盖的跨度越来越大，结构形式也越来越复杂，目前屋盖常用的结构形式多为拉杆预应力桁架体系。拉索（拉杆）预应力桁架是预应力钢结构学科中研究最早、最广泛的一种结构形式，其涉及的类型有简支桁架、连续桁架、悬臂桁架、拱式桁架、立体桁架等，施加预应力的方法有单次预应力与多次预应力。可以说拉索（拉杆）预应力钢桁架的研究与应用奠定了预应力钢结构学科的发展基础，并推动学科深入。虽然国内外学者针对拉杆预应力钢桁架结构体系开展了一系列的探索研究[1-4]，然而其结构体系的复杂性、受力状态的非线性和结构找形等难题仍存在。因此，本文以某一M形屋架工程为背景，进行施工过程监测，以研究拉杆预应力钢桁架体系的力学状态。

1 工程概况

背景工程的M形屋架钢结构采用预应力钢拉杆，共26根φ60 mm钢拉杆，50根φ40 mm钢拉杆。结构形式如图1所示。

图1 M形屋架钢结构示意

M形屋架安装流程：钢构件、拉杆预加工→安装两侧边桁架组合件、φ60 mm拉杆→现场拼接U形钢结构→安装φ40 mm拉杆→中间向两端对称拼装M形屋面→中间向两端对称张拉钢拉杆→张拉成形。

2 分析工况

2.1 张拉工况

中间φ40 mm拉杆预应力按2次张拉到位，现场张拉大致按照中间→东侧→西侧顺序进行（图2）。详细张拉顺序为：LG407→LG406（张拉部分力）→LG406'→LG405→L G404→LG403→LG402→LG401→LG406→LG405'→LG404'→LG403'→LG402'→LG401'→拆除临时支杆。

图2 M形屋架钢结构平面示意

2.2 张拉控制力

中间φ40 mm拉杆预应力张拉控制力参照设计图纸中的张拉力。中间拉杆的张拉控制力如表1所示。

表1 拉杆张拉控制力

3 施工状态监测

3.1 监测关键要素

M形屋架系柔性屋面结构，在M形屋架施工过程中，两侧支座均采用临时支杆进行限位约束，在拆除临时支杆时，需要对支座水平位移进行监测，以便控制支座不产生较大水平位移。

当U形管内侧拉杆张拉时，临时支杆力会发生较大变化，需要对临时支杆力进行监测，明确临时支杆受力变化趋势，以确定临时支杆拆除的适宜时机。同时，屋架的拉杆力会随U形管内侧拉杆的张拉、临时支杆的拆除及结构恒载的到位而发生变化。因此，在施工中需对屋架拉杆力进行应力监测，及时控制拉杆力使其最终达到成形受力状态。

3.2 主要监测内容

结合屋架钢结构特点，M形屋架的主要监测内容如下：

1）支座水平位移的监测：主要监测22—24 轴支座水平约束解除前后的水平位移。

2）U形管拉杆轴力的监测：主要监测U形管外侧拉杆（LG413、LG415、LG417、LG419、LG423、LG424、LG425、LG426）、内侧拉杆（LG404、LG405、LG406、LG407）轴力。监测张拉U形管内拉杆，对外侧拉杆力和相邻拉杆力的影响。支座水平约束解除后，监测拉杆力的变化。

3）临时支杆力的监测：主要监测22—24 轴支座临时支杆力在U形管内拉杆张拉前后的变化。

3.3 监测点布置

M形屋架布置支座水平位移监测点6个、外侧拉杆应力监测点8个、内侧拉杆应力监测点4个、临时支杆应力监测点6个，合计位移监测点6个、应力监测点18个。监测点布置如图3～图9所示。

图3 位移监测点平面布置示意（屋架纵向为X向，横向为Y向）

图4 外侧拉杆应力监测点平面布置示意

图5 外侧拉杆应力监测点安装示意

图6 内侧拉杆应力监测点平面布置示意

图7 内侧拉杆应力监测点安装示意

图8 临时支杆应力监测点平面布置示意

图9 临时支杆应力监测点安装示意

4 理论与实测对比分析

4.1 理论模型

本文利用有限元计算软件Midas/Gen，进行M形屋架的施工全过程模拟（图10），分析了整个张拉过程中各拉杆轴力、临时支杆内力及支座位移的变化趋势，并与实测数据进行对比分析。

图10 计算模型示意

M形屋架的钢结构部分采用梁单元模拟，拉杆均采用桁架单元模拟，拉索采用索单元模拟。

屋架的橡胶支座采用弹性支撑模拟，弹性支撑的竖向、水平刚度以设计图纸中刚度参数为准。屋架外侧拉杆、拉索与裙楼连接处按铰接处理。

4.2 结果分析

4.2.1 中间拉杆

依据监测数据对比分析可得，中间拉杆实测轴力与理论结果的变化趋势比较吻合，偏差在20%范围以内。

理论计算时，支座处的所有临时支杆均在拉杆张拉完成后拆除，因此，在拆除临时支杆阶段，各拉杆拉力会相应减小。而实际施工时，现场部分临时支杆在张拉拉杆阶段出现自动脱离现象，因此部分拉杆的拉力减小现象出现在张拉阶段而非拆除临时支杆阶段。拉杆轴力监测数据详见图11、图12。

图11 中间拉杆轴力变化曲线

图12 中间拉杆轴力实测理论曲线对比

从图11、图12中可得：

1）当张拉中间拉杆LG407时，会引起相邻拉杆LG406、LG404出现压力。主要是拉杆张拉时，会引起结构向内收缩变形，而该屋架拉杆均为非柔性拉杆，从而导致相邻拉杆出现压力。

2）第9阶段，张拉拉杆LG406时，相邻拉杆拉力均出现不同程度的减小。拉杆拉力松弛程度：LG405＞LG407＞LG404。这表明，拉杆张拉时会引起相邻拉杆拉力的松弛，同时松弛程度随拉杆间距的增大而减小。

3）张拉对称侧拉杆时（阶段10～14），上述3根拉杆拉力基本保持不变。这表明，当拉杆间距较大时，相互的影响作用也较小。

4.2.2 边侧拉杆

依据监测数据对比分析可得，北岸边侧拉杆实测轴力与理论结果的变化趋势比较吻合，偏差大致在40%以内，如图13、图14所示。

图13 北岸边侧拉杆轴力变化曲线

从图13、图14中可得：

1）当张拉中间拉杆的同时，会引起同一轴上的边侧拉杆拉力增大。

2）第9阶段，张拉拉杆LG406时，相邻边侧拉杆拉力均出现不同程度的减小。主要由于中间拉杆张拉时引起相邻中间拉杆拉力的松弛，从而导致相应轴的边侧拉杆的拉力减小。

4.2.3 临时支杆

在吊杆张拉前，标定临时支杆的初始值F0，临时支杆相对内力按监测值减初始值计算：F＝F测－F0。即临时支杆的监测内力均是以张拉前为初始的相对增量。依据监测数据对比分析可得，临时支杆实测内力与理论结果的变化趋势比较吻合，偏差大致在20%以内，如图15～图17所示。

图15 25 轴临时支杆内力实测理论对比

图16 26 轴临时支杆内力实测理论对比

图17 27 轴临时支杆内力实测理论对比

从图15～图17中可得：

1）当张拉中间拉杆时，会引起对应轴号的临时支杆的拉力增大。

2）当张拉中间拉杆时，与中间拉杆相对应的临时支杆拉力的增量大致为拉杆张拉力的一半。主要是因为1根中间拉杆对应两轴的临时支杆，因此，同一轴号的南、北岸临时支杆的拉力总增量约为对应中间拉杆拉力的一半。

3）各个轴的北岸临时支杆的内力增量均大于南岸临时支杆。

4.2.4 支座水平位移

拉杆张拉前，利用全站仪测量的各监测点坐标初始值（X0，Y0，Z0）；待临时支杆完全拆除后，再利用全站仪测量各监测点变形后位移值（X，Y，Z），前后两次坐标差值即为监测点的位移值（ΔX，ΔY，ΔZ）。其中，测量坐标系X轴沿屋架纵向朝东为正，Y轴沿屋架横向朝北为正。

依据监测数据对比分析可得，支座水平位移实测值与理论结果的变化趋势较吻合，偏差约30%，如图18所示。

图18 支座水平位移坐标系示意

根据表2可得：结构成形后，支座水平位移均在1 cm以内，且主要以横向（Y向）位移为主，横向位移最大为7 mm。结构成形后，结构整体具有横向朝南岸偏移的趋势，且北岸的横向位移相对南岸的横向位移较大。

表2 支座水平位移监测数据单位：mm

5 结语

1）拉杆张拉时，会引起结构向内收缩变形，从而引起相邻拉杆拉力的松弛，同时松弛程度随拉杆间距的增大而减小。当拉杆间距较大时，相互的影响作用较小。中间拉杆张拉时引起相邻中间拉杆拉力的松弛，会引起相应轴的边侧拉杆的拉力减小。

2）结构成形后，支座水平位移均在1 cm以内，且主要以横向（Y向）位移为主，横向位移最大为7 mm。

通过本工程的现场监测研究，深入探究了拉杆预应力钢桁架体系的施工力学状态，为类似结构体系的张拉施工提供了实测数据参考。