搜索
1大跨度预应力钢结构杂交结构及张力结构成套技术一杂交结构杂交结构是由索杆系和刚构杂交而成的大跨空间预应力钢结构类型，其典型结构形式有张弦结构、斜拉结构和弦支穹顶等。由于各结构形式中索、杆和刚构的构成(见表1)及力学性能等不同，因此各结构形式的拉索预应力施工技术也有所不同。表1典型杂交结构的构成典型结构形式索杆/柱刚构张弦结构下弦索撑杆梁、桁架、网壳斜拉结构前索、背索桅杆、塔柱梁、桁架、网壳弦支穹顶环索、斜索撑杆网壳1.张弦结构张弦结构中的下弦索和撑杆为上弦刚构提供了弹性下支撑点，平衡刚构的侧推力。张弦结构整体具有桁架的力学特性，其中预应力可调控结构内力和形状。由于存在稳定的上弦刚构，因此拉索不是张弦结构的必要构件。1.1张弦结构拉索的安装难点根据张弦结构的力学特性，下弦索各索段的索力较为均匀，因此一般情况下，拉索连续贯通撑杆下端的索夹。下弦索的空间姿态为平索，抗弯刚度小，将其从地面或拼装平台上提升至空中设计位置，是其安装难点之一。另外，平索安装时大垂度的悬链线，索体对索头已有一定的水平拉力，难以将索头与结构节点连接，并且与张拉成型后的设计线形差异很大，这也是平索安装的难点之一。1.2张弦结构拉索的安装工艺为便于将拉索的索头与端部节点、索体与撑杆下端索夹分别连接，可采用“两端牵引、多点提升”的安装方法，从而减小拉索安装时的索端牵引力，易于调整拉索安装的空中姿态。具体方法：1)在钢构上安装若干提升装置(如电动环链葫芦、倒链等)，将索头与端部节点连接，并适当放长，然后将索体跨中与中间撑杆索夹连接，然后再将索体与其他索夹连接。在两端索头和索体中部设置提升点，利用提升装置将拉索从地面或支架平台上向上提升。2)在索头设置临时牵引索，利用小吨位牵引装置(如前卡千斤顶、卷扬机等)两端牵引，将索头逐渐牵引向连接节点，用牵引力克服索中拉力，直至索头与结构节点连接。3)提升时不仅在两端索头上设置提升点，且在索体上也设置提升点，即多点提升，可大大减小牵引力，控制索头距离和索体在空中的线形。4)提升和牵引同步完成，边提升边牵引，从而有效地控制平索在空中安装过程中的稳定性。由于需要设置多个提升点，两端牵引、多点提升的安装工艺适用于拉索上部存在钢构的平索安装，如哈尔滨国际体育会展中心(如右图)、南京河西会展中心、厦门会展中心、上海图两端牵引、多点提升的平索安装示意世博会主题馆等张弦梁的拉索安装。（对应最后同样采用平索的张力结构—索桁架拉索安装和张拉工艺）1.3张弦结构的拉索张拉基本要求（适用所有具有拉索的结构）1)拉索张拉前，必须进行相关施工分析，制定施工方案，确定张拉的方法、顺序、程序、施工张拉力、张拉控制项目以及对钢构安装的要求、张拉作业平台等并经有关单位检验合格后进行下一步工作。2)若拉索分批张拉，则应充分考虑先后批张拉的索力相互影响。3)张拉前，应调整被动张拉索的索长误差，预紧主动张拉索。4)正式张拉前，应做好以下工作:①搭设张拉作业平台，该平台架应与结构脱离，不应影响结构张拉变形;②张拉前结构的状态应与施工方案要求的一致；③应清除钢构上较重的堆置物或吊挂物，避免影响张拉时结构状态;④张拉千斤顶和油压表应在有资质的试验单位进行配套标定，且必须安排配套使用，使用必须符合规定要求。5)张拉工装及其各部件的设计承载力不应低于最大施工张拉力标准值的1.3倍。26)应先将张拉工装、千斤顶、油泵、油压表等在地面预组装，进行试张拉操作并检查合格后，方可进行正式张拉。7)为弥补调节装置中螺牙间隙引起的预应力损失，可采用超张拉。对于旋紧螺母的调节装置(如双螺杆式热铸锚、冷铸锚)，可不超张拉。8)应根据标定记录，将拉索张拉的施工张拉力换算为控制油压表值。严格按照控制油压表值进行张拉。当张拉千斤顶和油泵存在较大高差，油泵上的油压表值应予以调整，以弥补高差引起的千斤顶和油泵之间油压差异，或者在千斤顶的进油口增设油压表。9)当风力大于五级或雨(雪)天，或环境温度高于50℃或低于－5℃，不应进行拉索张拉作业。10)应边张拉边旋紧调节装置，保证张拉作业过程中拉索与端节点始终有效连接，避免由于张拉工装和机具的失常或操作失误引发安全事故。11)张拉时，应同步监控结构变形以及关键构件的空间姿态。应根据主要控制项目，对张拉过程予以监控。1.4张弦结构张拉过程分析由于张弦结构的索段较短，其预应力施工过程分析主要为张拉过程分析，因此索段模型一般采用两节点直线模型。在等效预张力的找力分析中，增量比值法较为适用。在环境温度影响分析中，上弦刚构的制作和拼装不考虑环境温度影响，采用“正算法”，在拉索的制作和张拉中考虑环境温度影响。在刚构焊接方面，由于上弦刚构拼装焊接时一般处于自由状态，因此一般应采取构造和工艺措施保证焊接变形。在施工控制方面，一般以控制张拉力为主，以控制撑杆空间姿态为辅，但若弦刚度弱，张拉变形大，结构跨度和矢高控制要求高，则需根据分析结果进行拼装，且张拉应以控制结构位形为主。1.5张弦结构拉索张拉工艺若张弦结构在原位拼装，则一般逐榀依次的拼装刚构、安装和张拉拉索，两者流水施工，榀间索力有一定的相互影响，因此拉索张拉滞后刚构拼装2～3榀进行。若单榀张弦结构在地面拼装和张拉后吊装就位，则榀间索力无影响。但需更加关注单榀张拉后结构矢高和跨度，便于吊装后支座就位和榀间连系构件的安装。单榀拉索宜两端张拉，便于调整撑杆沿跨度方向的偏摆，且一般仅张拉一次到位。对于撑杆可摆动的张弦结构(如哈尔滨会展中心)，通过撑杆的摆动将索端张拉力传递至各索段，因此拉索张拉前将索体与索夹固定连接。对于撑杆固定的张弦结构(如2010年上海世博会主题馆，见右图，下为拉索张拉案例)，索体应与索夹滑动连接，为克服索夹摩擦力，可边张拉边振动索夹附近的索体，采用“超张拉回松”技术，或称为“倒拆法”即通过索端超张拉来提高中间索段的索力，然后回松索端张拉力至正常值。一、概况：东区屋盖上弦为平直三角管桁架，下弦索为1670级高强铜丝柬双索(2PESC5409)．锚具为单螺杆式热铸锚。拉索分为三个索段，呈折线形，折点处拉索通过可活动索夹与撑杆相连。撑杆呈v字形。二、进行预应力拉索施工分析：采用ANSYS软件，建立整体屋盖结构有限元模型，重点分析西区张弦桁架施工。特别是拉索施工需要满足的要求：在整个施工过程中，必须监控拉索张拉力和结构的挠度，确保结构的初始状态和外形满足设计要求；拉索张拉时不得被临时支撑阻碍和干扰，需要拆除阻碍部分的临时支撑；严格控制变形的协调；张拉时应对桁架的状态机相邻构件进行严密监测，及时调整张拉程序，并确保张拉完成后，索夹上的高强度螺栓拧紧，并产生足够的摩擦力。三、制定总体施工顺序：东区和西区分开安装，在中间轴设置合拢段。东区三跨普通桁架采用累积滑移法施工；西区单跨张弦桁架分三段吊装单元，在地面安装，吊装至临时支架和结构支座上上总拼。在安装前需要对拉索进行预张拉，张拉后进行撑杆、拉索、、檩条、交叉撑以l/1轴和9轴上的横向联系桁架(檩条和交叉撑处高强螺栓初拧)的安装，移除部分临时支撑架，然后张拉拉索（如第四部分），将高强螺栓终拧固定。最后安装东西区合拢段，并将滑动支座固定。(注：拉索张拉施工时1/1轴支座滑动)。张弦3桁架施工依次从A轴向W轴进行。由于榀间拉索张拉存在相互影响．为尽量减小拉索张拉对檩条和交叉撑安装的影响，当某榀张拉时，请榀及其后续两榀之问的檩条和交叉撑须已安装。但A—C，U—W的檩条和交叉撑，在U轴线张拉结束后再安装。四、预应力拉索施工方法：拉索施工的总体程序为：放索一牵引索一索头安装，索体卡入索夹一张拉索。依次张拉各榀张弦桁架，且一次张拉到位。单榀张弦桁架的双索采用两端、同步张拉(共4个张拉点)，每个张拉点采用2台千斤顶、l台油泵以及l套工装（见右图）。为保证同步，分5级张拉：0％一25％—50％一75％一90％—100％。张拉过程中实行双控，即控制结构竖向位移和索力。第一阶段(0—25％一50％一75％一90％)以控制索力为主，而第二阶段(90％—100％)则根据结构变形情况对索力进行调整，以控制变形为主。2.斜拉结构2.1斜拉结构的组成斜拉结构是由刚构、桅杆(或塔柱)和拉索（前索和背索）构成，斜拉结构中的前索布置在刚构的上方，为刚构提供弹性上支撑点，平衡竖向荷载，从而改善结构内力状况，减少变形和支座弯矩，实现更大跨度，减少用钢量；而背索和桅杆或塔柱为前索提供上支点，并平衡前索索力。由于独立的悬挑刚构会失稳倾覆，因此拉索是斜拉挑篷结构的必要构件，其预应力可调控悬挑刚构的内力和形状。斜拉索的空间姿态为直线形斜索，位于刚构(优先安装)的上方，索长，质量大，上索头位置高。2.2斜拉结构斜索安装工艺斜索的特点是:斜索位于钢构的上部，两端高差大，上索头位置高，且为直线索。因此，斜索安装工艺与平索有所不同。由于斜索位于钢构上部，斜索不能在地面上展开后再安装，直接在钢构上也难以进行展开作业，长而重的斜索安装难度大。在工程实践中，根据结构形式，采用了天轮循环和一端牵引的安装工艺，以实现无支架、少占用起重机、快速、方便地安装拉索。2.2.1天轮循环法安装斜索在斜索两端的结构节点上安装2个定滑轮及其之间的循环钢丝绳;在循环钢丝绳上安装工装索夹和索托钩，将斜索的上索头临时锚固在工装索夹上，索体搁置在索托钩上;利用卷扬机牵引钢丝绳在2个定滑轮之间循环转动，钢丝绳带着拉索的上索头向上节点移动，直至上索头与上节点连接，解除工装索夹，最后牵引将下索头与下节点连接(见右图)。图天轮循环的斜索安装示意2.2.2一端牵引安装斜索一端牵引安装斜索，就是先将斜索的一端(上索头或下索头)与钢构节点相连，然后通过牵引设备和牵引索将另一端牵引就位。根据斜索和桅杆是否捆绑一起吊装，以及斜索一端牵引的方向，又可分为:索杆捆绑向下牵引、索杆分开向下牵引以及索杆分开向上牵引的安装工艺。1)索杆捆绑向下牵引的斜索安装(如广东外贸大学体育场)当现场起重机能力较大时，可将拉索与桅杆捆绑在一起吊装，然后再将斜索的下索头牵引就位。其安装顺序为:在地面展开拉索并去除索体外保护层，将上索头与桅杆上部节点相连，然后利用起重机将拉索和桅杆一起吊装，最后一端牵引斜索的下索头就位。2)索杆分开向下牵引的斜索安装(如江宁体育场)当现场起重机能力较小时，可将拉索与桅杆分开吊装。在地面展开拉索并去除索体外保护层，利用起重机将斜索的上索头吊运至桅杆上部就位，然后再将斜索的下索头平移牵引就位。3)索杆分开向上牵引的斜索安装(如天津泰达会展中心)当现场起重机能力较小时，可将拉索与桅杆分开吊装，利用起重机将斜索成盘运至钢构上方节点附近，将斜索的上索头牵引就位，同时展开拉索和去除索体外保护层，最后将下索头牵引就位。由于向上牵引的距离较长，为便于长、重斜索向上牵引，可增设临时滑索。类似于设置轨道索、一端牵引的平索安装工艺，将上索头挂在滑索上，利用牵引设备将上索头沿滑索向上牵引就位。斜索安装应从起重机性能要求、牵引难度、索头安装难度及拉索保护等4方面予以综合考虑，具体应用时需根据工程情4况、结构特点、起重机能力、场地条件、施工方案等综合选择合理的安装方法。2.3斜拉结构斜索张拉过程分析斜拉结构的预应力施工过程分析主要为张拉过程分析，尽管索长，但斜角大，张力大，因此索段模型一般采用两节点直线模型即可满足分析精度要求。在等效预张力的找力分析中，各桅杆或塔柱的索系之间、前索系和背索系之间乃至前索或背索之间，各层面上的索力相互影响都较大，采用收敛稳定的退化补偿法。在环境温度影响分析中，刚构的制作和拼装并不考虑环境温度影响，因此采用“基于拉索等效预张力的正算法”；在拉索的制作和张拉中考虑环境温度影响，有必要时仅对斜拉索和桅杆进行子结构零状态找形分析，保证张拉后桅杆的空间姿态。在刚构焊接分析方面，由于斜拉挑篷结构的悬挑刚构拼装焊接时处于自由状态，因此一般应采取构造和工艺措施保证焊接变形，而无需进行刚构焊接分析。在施工控制方面，一般以控制张拉力为主，以控制桅杆空间姿态和刚构竖向位移为辅。2.4斜拉结构拉索张拉斜拉结构中悬挑刚构的纵向联系一般较强，以保证较好的整体性，因此均在刚构整体安