预应力弦支结构的张拉应力分析及过程监测

尹 琦

1 工程概况

太原煤炭交易中心——展览中心位于太原市长风西大街与滨河西路的交叉口，是2011年在山西省太原市中部六省博览会的主会场，建筑面积约56000 m2，整个建筑为直径250 m的圆形，周边屋面结构形式为管桁架体系，在建筑中心区域为直径约26 m的圆形空间，原设计为开敞式，但是业主要求中心区不但要有较好的采光并且要求建筑能够封闭，所以设计考虑采用预应力弦支结构形式。作者参与了本工程的设计及施工过程。

预应力弦支结构是一种新型预张力结构，近些年，我国陆续有此种结构实现。在山西省民用钢结构中还是首次采用。中央区域采光顶为主索与玻璃屋面次索组合而成的弦支屋顶结构，直径36 m，矢高1.6 m，屋顶标高为26 m。在弦支屋面主索与次拉索;屋面材料采用玻璃。

结构布置见图1。

图1 索剖面图

表1 张拉各阶段撑杆和主索应力值比较分析

2 施工过程模拟计算分析

1)施工张拉过程及次序。

张拉索屋面分5级张拉。因为冬季施工的原因，张拉应力放大为设计应力的1.1倍。5级张拉为:初紧→0.5→0.7→0.9→1.1;张拉行程分别为10 cm→6 cm→2 cm→0。每级张拉完成后部分监测数据见表1，表2。因为张拉位置在26 m高的屋面，并且周边结构屋面施工安装正在进行，所以各个索的张拉不能够同时进行。为了解决这个矛盾，现场采取了分批张拉的办法。⑨轴处外斜索为第1组，10号处外斜索为第2组，共分为8组。单双数轴线张拉交替进行。

2)计算分析模型及模拟办法。

因为张拉过程是一个动力学和静力学结合的问题，所以软件模拟时考虑建立了结构的非线性动力有限元模型，将静力学模型转化为动力学模型，简化了计算，通过更新杆件位置形态的办法，最后又将动力形态转化为静力形态，并基于ANSYS计算平台计算，5个工况的部分模拟值见表1，表2。

表2 张拉各阶段次索应力值

3 结构施工监测仪器及测点布置

1)撑杆应力监测点选择屋面结构顶间隔90°布置的4，8，12，16四个轴线，应力监测点布置在四个轴线的撑杆下端及杆件左右两侧。为了使仪器与待测结构的温度膨胀系数接近，特采用了振弦应变计。

2)主结构索力监测的选择点也和撑杆应力监测点相同(4，8，12，16四个轴线)。主结构索的应力测量采用了索力动测仪。

3)次拉索的索力监测，选这两个对称的单元。次拉索的应力监测采用弓式测力计。

4)结构位移的监测主要是测量各个轴线位置撑杆的竖向监测。结构位移监测采用高精度精密全站仪。

4 张拉过程监测值与数值模拟结果比较分析

1)表1中显示的数据为撑杆和主结构的实测、模拟两种数据的比较及误差统计;表2显示的数据为次索的实测、模拟两种数据的比较及误差统计。

2)分析数据可以看出，在张拉过程中，索力的实测值和模拟值误差是较大的，而张拉成型之后，索力和计算模拟值误差较小。究其原因，是因为索撑杆在成型前后内力比值较小;长度变化也较小(在几个毫米之内);施工安装也有一定误差，所以影响了数据。但是同类型的索力还是十分均匀的，无论是张拉过程中还是张拉成型后，索力监测值与模拟值相比的误差都是很接近的，张拉成型后，预应力达到最大值。

3)由表2看出，次结构玻璃幕墙的索力和软件模拟差距还是较大的，需要通过索身上的套筒进行调整。

4)图2中显示各个撑杆位移在张拉各阶段的变化量基本相同，内外撑杆在成型后的标高十分接近，成品的外观效果很好。

图2 撑杆位移监测值

5 结语

1)对本预应力弦支屋面的主索及撑杆的监测结果基本和计算模拟吻合，并且预应力是在张拉过程中逐步产生，在成型时达到最大值。

2)因为周边环境的局限，采取了对称形式的分轴线张拉，未能同步张拉。通过监测数据和模拟数据的比较，发现监测数据和模拟数据还是能够比较好的吻合，并且能够满足国家相关规范的要求。说明圆形弦支屋面的张拉在计算和张拉次序安排合理的前提下能够实现不同步张拉。较为遗憾的是次索网幕墙索的数据偏差较大，需二次调整。

[1]刘 浩.探析后张法预制箱梁预应力损失的计算和控制[J].山西建筑，2011，37(14):40-41.