咸阳市市民文化中心钢连廊预应力施工技术

柳明亮 杨 洋

(1.陕西省建筑科学研究院有限公司，陕西 西安 710082; 2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西 西安 710075)

0 引言

钢连廊不仅仅具有连接建筑物的交通联系功能而且还具有组织空间、整合环境和造型等功能；钢连廊一般跨度较大，结构中间支撑少，或无支撑，常采用预应力拉索来实现上述功能。预应力结构成型过程复杂，需要完善的施工技术来确保施工的安全，其中施工过程的数值模拟和施工监测是最为重要的环节。

在施工模拟和施工监测方面，国内外学者进行了系统深入的研究，在该方面取得丰富的研究成果。钱稼茹等人[1]对北京大学体育馆钢屋盖预应力施工过程进行数值模拟及监测，表明该屋盖结构模型分析和方法的正确性。刘红波等[2]对弦支穹顶结构施工过程进行数值模拟和监测，验证了滚动式撑杆下节点运用预应力结构的可行性。Mar Reynier和Hisham Abou-Kandil[3]研究提出两种结构动态响应测量的方法；Rubin[4]还从监测数据缺失方面提出该部分数据的处理方法。Nikos Tsikriktsi[5]总结了3类处理数据缺失方法：删除法、插补法、预测法。在钢结构连廊[6-10]方面也取得丰富研究成果，为在建或已建工程起到重要的指导作用。

预应力张拉精确度控制和张拉过程的安全是钢连廊结构研究的热点和难点之一，因此对钢连廊结构施工过程的施工模拟和施工监测成为最为有效的方法。本文以咸阳市市民文化中心青少年宫项目为研究背景，运用数值模拟和施工监测手段为施工提供重要的理论依据，对判断施工期间钢梁、预应力拉索和混凝土梁整体安全起到重要作用。

1 工程概况

咸阳市民文化中心(效果图如图1所示)项目，位于咸阳市北塬新城文化中心地块，共分为两期建设。青少年宫建筑面积约1.098万m2，地下1层，地上5层，建筑高度24 m；其中钢连廊(如图2所示)部分位于青少年宫一层楼面处连接东西两个建筑物，跨度达到21.5 m，一边并连接三跑钢楼梯，所用钢材均为Q345B，采用两种规格的H型钢(H600×300×16×12,H550×200×12×16)，7号楼梯采用箱型截面型钢(□500×250×10×16,□300×300×12×12)，踏步板采用14 mm厚钢板焊接而成；预应力钢索采用长6.17 m的φ32锌—5%铝—混合稀土合金镀层钢绞线，一端固接在钢筋混凝土梁上，另一端铰接在钢梁上。

2 施工技术

根据工程实施过程，制定以下方案：预应力施工张拉方案、施工监测方案和施工模拟方案。

本工程钢连廊通过预应力拉索悬挂于上层钢筋混凝土梁上，根据张拉的技术特点，将施工分为以下步骤：第一步混凝土结构的施工及预埋件的安装；第二步待混凝土达到设计强度以后，进行钢连廊结构钢梁的安装；第三步预应力拉索的安装以及预应力张拉施工。其中第三步为钢连廊施工的核心步骤。

2.1 预应力施工张拉方案

预应力施工张拉设计应确定施工顺序，尤其是制索和预应力张拉过程的顺序。对预应力钢结构施加预应力的过程应根据具体的结构类型分别采用改变刚性杆件或柔性索的长度等方法。施加预应力，使预应力能够分布到整个结构，达到预加应力的目的，这个预应力过程必须与设计的预应力施加过程相一致。实际的预应力施加过程作为非线性叠加步加以分析，对于预应力钢结构来说应区分其初始几何状态和预应力状态，有些预应力钢结构初始几何的张拉过程与施加预应力过程并不一致，这时预应力过程必须根据实际的设计情况加以区分，即首先完成曲线或曲面的张拉过程，再考虑为结构提供刚度的过程。简言之，预应力施工技术设计的主要内容就是确定预应力过程的次序、步骤、采用的机械设备、每次预应力施加的张拉值，同时控制结构的整体受力和变形。

本工程共有6条预应力张拉索，拉索施加初始预张力为60 kN，预应力施工过程应按一定的速率逐步张拉，因为在每一阶段预应力过程中，结构都经历一个自适应的过程，结构会经过自平衡而使内力重分布，形状也随之改变，拉索的索力会相互影响。经计算分析分3级张拉施工(见图3)，每级张拉时均从西向东以2根对称的拉索同时张拉20 kN，考虑张拉的施工工艺及预应力损失每次超张拉5%。预应力张拉具体施工步骤为：

1)安装1号和6号拉索，并同时缓慢的张拉两根索使其张拉力达到21 kN，进行监测记录；

2)待结构监测数据趋于平稳，再安装2号和5号拉索并对其张拉使拉索拉力达到21 kN，进行监测记录；

3)待结构稳定，再安装3号和4号拉索并对其张拉使拉索拉力达到21 kN，进行监测记录；

4)再从3号和4号拉索依次开始重复上述步骤，最终使拉索拉力达到63 kN。

2.2 监测方案

为保证钢结构以及上部连接钢筋混凝土梁在施工期间的安全，并使钢丝绳张拉的预应力状态与设计要求相符，必须对钢结构的安装精度、张拉过程中钢丝绳的拉力及钢结构的应力与变形进行监测。

本次结构施工过程中的变形监测采用自动静力水准仪加人工水准仪采集，应力监测采用振弦式应变计监测，钢丝绳的拉力通过油压传感器进行监测。油压传感器安装于液压千斤顶油泵上，通过专用传感器读数仪可随时监测到预应力钢丝绳的拉力。此次监测，布置32个振弦式应变计和7个静力水准仪(其中1个静力水准仪设置在基准点上)，2组油压传感器来进行钢索监测。应力与变形监测点布置见图4。

2.3 施工数值模拟方案

复杂工程应根据有限元软件进行定量分析计算，通过数值模拟以掌握结构受力和变形的特征并获得理论数据，验证施工方案的可行性。

数值模拟采用SAP2000进行建模计算(见图5)，其中钢梁和张拉索用框架单元和索单元模拟，预应力的实现通过在索单元施加温度荷载(降温法)来实现；根据预应力张拉施工方案，分为3级张，施加温度荷载时以同一横轴上的两根索为一组同时施加，依次从左边向右边连续施加，这个过程在SAP2000中定义为阶段施工分析，整个数值模拟的过程分为9步：1)建立有限元模型，从最左边第一组索开始，施加21 kN的预应力；2)在第一步的基础上，给中间一组拉索施加21 kN预应力；3)接着再给最右边的一组拉索施加21 kN的预应力；4)再从最右边开始重复以上步骤，每次施加21 kN增量的预应力，完成步骤5)～步骤9)。

3 数值模拟与监测结果分析

数值模拟结果表明，预应力张拉施工过程中：1)钢梁上下翼缘的应力基本保持在80 MPa以下，刚梁处于弹性工作状态；钢梁在与楼梯接触部分应力最大；远离楼梯一侧的钢梁应力一般大于接近楼梯侧的钢梁应力；2)拉索的应力基本保持在60 MPa以下，处于弹性工作状态，拉索全程受拉；3)结构主要连接点的位移值基本保持在30 mm以下，远离楼梯一侧的钢梁变形一般大于接近楼梯侧的钢梁变形，结构变形处于可控状态。

图6为咸阳市市民文化中心钢连廊中钢梁应力的数值模拟与施工监测结果。测点17号上弦和测点12号上弦数值模拟和现场监测的应力值比较接近，应力变化趋势一致，在整个张拉过程中，测点17号上弦数值模拟和现场监测的应力偏差最大为-54.15 kN和-42.35 kN，偏差为20%；测点12号下弦数值模拟和现场监测的应力偏差最大为15.41 kN和19.29 kN，偏差为20%；且均处于弹性阶段。对于竖向位移，数值模拟和现场监测除在初期和末期偏差较大外，其他过程数值模拟和现场监测比较接近，说明结构变形在施工初期和末期受施工影响比较大，中间阶段受影响较小，数据吻合较好。施工过程中，结构最大变形为25.4 mm<86 mm(L/250)，结构处于弹性阶段。

4 结语

通过对咸阳市市民文化中心青少年宫预应力钢连廊的施工过程模拟和施工监测分析，得到以下结论：

1)预应力施工过程中对主要受力杆件的应力、主要节点的变形进行监测非常关键。

2)本项目数值模拟和施工监测数据表明，在整个施工过程中，钢梁上下翼缘的应力值都保持在80 MPa以下，变形监测点的竖向位移基本保持在30 mm以下，结构始终处于弹性状态，张拉过程结构是安全的，施工方案是可行的。

3)数值模拟和施工监测数据吻合较好，部分数据存在偏差，考虑到施工人员的操作水平和偶然施工因素，这些偏差尚处于可控状态。

参考文献:

[1] 钱稼茹,张微敬,赵作周,等.北京大学体育馆钢屋盖施工模拟与监测[J].土木工程学报,2009，42(9):13-20.

[2] 刘红波,陈志华,牛 犇.弦支穹顶结构施工过程数值模拟及施工监测[J].建筑结构学报,2012，33(12):79-84.

[3] Reynier M, Abou-Kandil H.Sensors location for updating problems[J]. Mechanical Systems and Signal Processing,1999，13(2):297-314.

[4] Little R J,Rubin D B.Statistical analysis with missing data[M].New York:John Wiley & Sons,1987.

[5] Tsikriktsis N. A review of techniques for treating missing data in OM survey research[J].Journal of Operations Management，2005，24(1):53-62.

[6] 郑毅敏,孙华华,赵 昕,等.大跨度高空钢结构连廊的有限元模型修正[J].振动工程学报,2009，22(1):105-109.

[7] 陆 通.武汉国际博览中心椭球体钢连廊施工阶段仿真分析[J].施工技术,2015，44(17):5-8.

[8] 孙连波.钢结构连廊安装施工方法及力学分析[J].施工技术,2015,44(11):26-28.

[9] 陈伟军,刘永添,苏艳桃.带连廊高层建筑连接方式设计研究[J].建筑结构学报,2009,14(6):73-76.

[10] 郑毅敏,孙华华,赵 昕,等.杭州市民中心高空连廊动力特性分析与测试[J].土木工程学报,2009，42(2):73-79.