大跨空间钢结构预应力施工技术分析

徐增武

近年来，随着社会经济的发展，城市大跨度结构日益增多。大跨钢结构一般适用于大规模建筑工程，具有跨度大、环境复杂等特点，对于施工质量及工艺要求十分严格，为提高构件刚度、减小构件挠度、改善结构性能，预应力技术逐渐得到了广泛运用，本文主要围绕此技术展开详细分析。

1.预应力施工技术概述

近年来，我国建筑工程建设中预应力技术的运用越加广泛，主要是在建筑构件承载前预先张拉，改变建筑结构原有的应力状态，在此过程中会形成拉应力区域，可以与结构的拉应力相抵消，实现应力平衡状态，有效减少结构裂缝，增强建筑强度，确保工程质量。

本文主要以钢结构预应力技术为例展开分析，在施工之前，编制设计方案时，设计人员会依据结构应力特征设定一个初始刚度数值，但因各因素影响，施工过程中结构刚度会有所降低，出现刚度不足的问题，对预应力钢索施加预应力，可增强建筑刚度，确保建筑结构在满荷载情况下结构稳定性等使用功能依然符合性能要求。为进一步分析预应力施工技术的运用情况，下文主要围绕某大跨空间钢屋盖工程加以论述。

2.大跨空间钢结构预应力施工方法

本文以某大跨空间钢屋盖预应力施工为例展开分析，具体如下。

2.1 工程概况

该项目为大跨度建筑工程，钢屋盖为弦支穹顶结构，结构类似于椭圆形，长袖长度、短袖长度和矢高分别为89.9m、82.7m、6.559m，为低矢跨比弦支穹顶结构。该结构的上部为单层网壳，内八圈为Kiewitt型，外3～4圈则为联方型布置；下部索杆体系则按照Levy型索系布设，组成构件主要为环索、径向索、撑杆，环索为5圈，钢拉杆为6道。各圈撑杆高度分别为3.244m、3.539m、3.782m、3.600m、2.871m。钢管的弹性模量是2.06×1011N/m2，拉索的弹性模量是1.9×1011N/m2。

2.2 弦支穹顶预应力施工方法

弦支穹顶预应力施工方法应用比较普遍的有四种，分别为撑杆顶撑法、张拉径向拉杆、张拉环向拉索、混合张拉法，混合张拉法为撑杆顶撑法、张拉径向拉杆与张拉环向拉索结合应用。下面就这三种施工方法进行阐述：

（1）撑杆顶撑法：该方法实施时需间接施加预应力，阶段性地对竖向撑杆的长度进行调节，以施加不同等级的预应力。撑杆顶撑法实施难度高，所需的设备数量大，对于施工人员的业务能力要求高。该方法多被应用于预应力较低的弦支穹顶结构。

（2）径向张拉法：所谓径向张拉法即通过径向拉杆施加一定的预应力，但是与环向拉索相较，径向拉杆产生的应力较小，所需的张拉设备数量较多，所以设备控制难度大，适用范围有限。

（3）环向张拉法：环向张拉对于张拉设备的功能性要求较高，产生的应力较大。该方法多应用于弦支穹顶结构，与以上两种方法相较，环向张拉法操作便捷，所需的设备数量少，设置的竖向支撑系统不会对张拉动作造成影响。

经综合比较与分析，该项目最终采用环向张拉方案。在完成脚手架支撑结构的架设后，开始进行网壳拼装，拼装时需逐环安装下部的索杆体系构件，将拉索布设在合理位置上，然后对环向拉索进行分级张拉。张拉动作分两个阶段，第一阶段为有脚手架作为支撑的状态下，张拉由环外向内进行，张拉至设计预应力的90%；第二阶段是拆除脚手架支撑架构后，在第一阶段的张拉结束后，需将支撑与网壳分离，方可进行第二阶段的张拉，这一阶段的张拉因无支撑架构，且须张拉至预应力的100%，同时存在应力损失问题（约为10%），所以张拉顺序由环内向外。

3.大跨空间钢结构预应力施工技术要点

3.1 拉索张拉点布置

该项目使用的为环向张拉5圈环向拉索，在各环索多处设置有数个张拉点，张拉端的设置可在一定程度上约束张拉力，拉索和索撑之间的反复摩擦会产生应力损失。该工程拉索张拉点布设方案如图1所示。

3.2 预应力材料选择

预应力材料包括拉索、锚具、张拉端连接件等，本工程环向拉索选用1670级GALFAN索，钢丝表层覆盖有GALFAN镀层，镀层材料为95%锌+5%铝的混合稀土合金；拉索锚具采用热铸锚，热铸锚之间采用螺杆，张拉端构造如下图2所示。

3.3 张拉施工工艺

3.3.1 张拉顺序

张拉顺序示意图如图3所示。

第一阶段张拉顺序：由外向内逐环实施张拉，需注意的是，应先对各环拉索初预紧再进行张拉，可达到设计内力的90%。

第二阶段张拉顺序：由内向外逐环实施张拉，以提高拉索内力，增强负荷能力，由设计内力90%提高至100%。

3.3.2 张拉要点

为确保建筑结构整体的稳定性，需对环索的线性形态进行严格控制，撑杆必须竖直，环索张拉均匀，对于同环环索上各张拉点进行分级张拉，张拉动作需同时进行，一次同步张拉程序如下：预紧（10%）→25%→50%→70%→90%→100%。在张拉动作结束后，环索内力与设计索力相较差值较小，符合施工规范。

3.4 预应力监测技术

本项目弦支穹顶结构预应力施工监测内容如下：

（1）对拉锁的内力进行跟踪监测；

图2 张拉端构造

图3 张拉顺序示意图

（2）对建筑中的重要构件进行跟踪监测，主要监测应力变化情况；

（3）对裂缝等结构变形进行反复检查；

（4）可实施动态试验，对频率与振型等数值进行分析。

通过计算机模拟施工后，确定监测点共计106个，具体测点分布如下表1所示。

表1 监测内容

4.结语

预应力技术是当前建筑行业应用十分普遍的技术，已被住建部纳入重点推广技术之一。随着城市建设规模的日益扩大，施工工艺逐渐完善，大跨钢结构预应力施工技术也趋于成熟，在超高层建筑工程实施中得到了广泛运用，实践中需规范落实各道工序，合理控制张拉精度，保证结构受力合理，建筑物整体质量达标，满足大跨度、大空间建筑安全使用需求。