某钢结构办公楼项目预应力拉索施工技术

邱时秒，赵家欢，郭骅锐，苏伟泓，黄彩彬

（中国建筑第二工程局有限公司华南分公司，广东 深圳 518000）

1 引言

将预应力拉索结构引入钢结构体系，目的是提高结构承载力、降低结构压力、增加结构稳定性，组合后的结构一般称之为预应力钢结构体系。趣店科技金融创新园区项目主体工程1#楼采用“核心筒+巨型拱悬吊体系”，通过巨型拱结构体系将钢结构主楼荷载传递至核心筒，再通过核心筒传递至基础受力结构，为避免巨型拱结构带来的水平推力对核心筒受力结构造成影响，设计引入预应力拉索体系，用于平衡巨型拱结构对两侧核心筒的推力。

2 工程概况

趣店科技金融创新园区项目位于厦门市同安区，其中，1#楼建筑造型呈回字形，建筑面积113 500 m2，地上9层，建筑高度45.8 m，层高4.2 m，主楼标准层结构外边边长139.2 m，内边边长84.0 m。采用钢骨混凝土筒+巨型拱悬吊结构体系，由8个核心筒、各楼层钢梁、巨型拱、水平桁架和吊柱组成。8个核心筒之间设置巨型折线拱，拱上部及中部分别设置水平桁架和拉梁，拱下部设置拉索共同形成自平衡体系。结构荷载通过吊柱、巨型折线拱、拉索等结构将主楼荷载传递至核心筒结构。

本工程巨型拱跨越7层、8层、9层，预应力钢拉索位于7层钢梁位置，连接东、西、南、北直线段7层钢骨柱拱脚节点，每个直线段8根，共32根。其中，上排钢拉索位于7层钢梁上方，下排钢拉索穿过7层钢梁腹板。预应力钢拉索直径为φ125 mm，材质为高钒镀层索，抗拉强度≥1 670 MPa，索体弹性模量为（1.6±0.1）×105MPa。

3 施工重点及难点分析

本项目施工中主要有以下重点和难点：（1）本工程拉索沿着拱下布置，主要作用为平衡拱架对两侧柱的推力，拱桁架施工过程中，预应力的施加需满足设计意图，即减小拱架对柱的推力，确保拱脚推力在设计允许范围内。（2）拱桁架采用随结构层施工分段安装的方法，由于拱架在施工受荷过程中，拉索索力在各个状态各不相同，需要对各个状态的索力进行精确计算，并在施工过程中对索力和结构变形进行监测，确保施工过程的安全。（3）拱跟随主体结构施工，预应力的施加是一个关键工序，因此，需要对施工不同阶段进行施工仿真计算，并在施工中进行全过程监测，确保施工过程的安全和质量。（4）本工程中将采取可靠的监测手段，对预应力钢索的张拉力和结构变形进行监测，以确保结构施工期的安全，保证结构张拉完成后状态与原设计相符。

4 施工仿真计算

4.1 施工仿真计算目的

施工仿真计算是预应力钢结构施工中的重要工作。因为施工过程会使结构经历不同的初始几何态和预应力态，实际施工过程必须与结构设计吻合，严格遵守加载方式、加载次序及加载量级。理论上，结构初始几何态和预应力态的分析理论和方法不同。在施工中严格组织施工顺序，包括确定加载方式非常必要[1]，且具有重要的意义：（1）验证张拉方案的可行性，确保张拉过程的安全。（2）给出每步张拉的钢索张拉力，为实际张拉时确定张拉力提供理论依据。（3）给出每步张拉的结构变形及应力分布，为张拉过程中的变形及应力监测提供理论依据。（4）根据计算出来的张拉力选择合适的张拉机具，并设计合理的张拉工装。（5）确定合理的张拉顺序。

4.2 计算结果分析

本次采用有限元分析软件Midas，按照图纸对结构建立计算模型，构件规格、边界条件和图纸一致。结构自重由程序自动计算并考虑1.1倍的系数，采用初拉力的方式模拟预应力的施加[2]。因计算过程繁复，本文仅提供分析结论做讨论研究。

4.2.1 同一拱脚之间拉索张拉顺序的影响（4根索之间的影响）

工况对比：选取西侧内侧拱脚4根拉索。工况1：先张拉上层2根索，记录张拉后索力值；工况2：张拉下层2根索，计算上层钢索索力变化情况。发现上层索的索力由4 739 kN变为4 634 kN，4 722 kN变为4 608 kN，变化率分别为2.2%和2.4%。

结论一：同一拱脚之间拉索张拉顺序的影响≤3%，超张拉3%可以满足索力要求。

4.2.2 相邻拱脚之间拉索张拉顺序的影响

工况对比：选取西侧8根拉索对比计算。工况1：张拉内侧拱脚4根索，记录张拉后索力值；工况2：张拉外侧拱脚4根索，计算内侧索力变化情况。张拉外侧拱脚过程中，内侧拱脚索力平均降低了30 kN，降低比例为0.6%。

结论二：相邻拱脚之间拉索张拉顺序的影响非常小。

4.2.3 相对面之间拉索张拉顺序的影响

工况对比：选取东侧和西侧拉索进行对比计算，工况1：张拉西侧8根索，记录张拉后索力值；工况2：张拉东侧，8根索，计算西侧索力变化情况。在东侧张拉过程中观察西侧索力几乎没有变化。

结论三：相对面之间拉索张拉顺序几乎没有影响。

4.2.4 相邻面之间拉索张拉顺序的影响

工况对比：选取东西两侧和南北两侧拉索进行对比计算。工况1：张拉东西两侧全部拉索，记录张拉后索力值；工况2：张拉南北两侧全部拉索，计算东西两侧索力变化情况。在南北两侧张拉过程中观察东西两侧索力几乎没有变化。

结论四：相垂直面之间拉索张拉顺序几乎没有影响。

5 预应力拉索施工方案

5.1 总体施工方案

预应力拉索的安装穿插在结构的安装过程中，拉索分两次进行张拉，具体如下：（1）在钢结构卸载前进行第一次张拉，张拉到索力的40%。直边分区拱及水平桁架施工形成整体后，进行第一次拉索张拉。按照北侧→东侧→南侧→西侧的分区顺序依次进行。（2）在3~7层楼板混凝土浇筑（除拉索张拉需预留洞口区域）之后，张拉到索力的100%。

拉索编号示意图如图1所示。本工程共4面，每面2个拱脚，每个拱脚4根索，共32根索。按每侧进行拉索编号，东侧8根拉索编号为东-1~东-8，其中，内侧拱脚4根拉索，上层为东-1和东-2，下层为东-3和东-4；外侧拱脚4根拉索，上层为东-5和东-6，下层为东-7和东-8。南侧拉索编号为南-1~南-8，西侧拉索编号为西-1~西-8，北侧拉索编号为北-1~北-8，编号原则与东面相同。

根据上述计算结果分析可见，各侧面之间及每个侧面的两组拉索的张拉顺序影响非常小，故按实际北侧→东侧→南侧→西侧的分区施工顺序依次进行张拉，同一分区内的从外侧到内侧、从上到下的顺序均衡对称进行张拉。以东侧为例，具体顺序如下：①东-2及东-5→②东-1及东-6→③东-4及东-7→④东-3及东-8。

施工顺序如下：（1）地上核心筒第五节钢骨柱安装，7层钢梁安装，拉索安装。（2）土建地上7层核心筒结构施工，8层钢梁安装。（3）地上核心筒第6节钢骨柱安装，即核心筒钢骨柱安装完成，9层水平桁架、7~9层间巨型拱安装，8~9层间吊杆分段嵌补暂不安装。（4）土建地上核心筒顶层混凝土施工，9~R层非核心筒连接区域水平桁架及巨型拱安装。（5）土建地上核心筒顶层混凝土强度达到设计要求后，9~R层核心筒与桁架连接区域的水平桁架及巨型拱安装。（6）钢拉索张拉至索力的40%。（7）卸荷后开始拆除临时支撑，浇筑完成3~7层楼板混凝土后，钢拉索张拉至索力的100%。

5.2 预应力拉索安装

本工程预应力拉索最大跨度49.6 m，单根索重约70 kg/m，锚具重约2 t，单根拉索总重约6 t。在放索过程中为了保护拉索，拉索和胎架不能发生碰撞，因此，对高空放索安全要求很高。

本工程采用320 t（SCC3200A-1）履带吊将拉索调节端吊起，将固定端吊至耳板位置，用倒链进行固定端安装，然后将下层拉索放置于6~7层间圆管支撑角钢上，上层拉索铺平放置于7层钢梁楼面上，再用倒链进行调节端的安装。

具体施工步骤如下：（1）6~7层间的圆管临时支撑安装完成后，将下层拉索两端分别固定在履带吊的主钩、副钩，然后履带吊将拉索吊运至拱脚固定端安装位置，调节端悬吊在空中。（2）安装工人在核心筒外架上用倒链将固定端慢慢拉送至拱脚连接板处，插入插销。（3）履带吊将拉索调节端吊运至对面（调节端拱脚），拉索中间部分放置于6~7层间圆管支撑角钢上（共3个圆管支撑，其间距为12.6m），拉索调节端临时固定在拱脚连接板处。（4）依次安装下层拉索（共8根），拉索安装完成，安装7层钢梁。（5）安装上层拉索，步骤与第一步、第二步相同，拉索放置在钢梁表面的U形槽中。（6）在下层拉索与钢梁相交处，用手动葫芦将下层拉索提升至拉索孔中，补焊原钢梁预留洞。

5.3 预应力拉索张拉

5.3.1 预应力钢索张拉前标定张拉设备

根据设计提供的拉索预应力值进行施工仿真计算，张拉力最大约为470 t，采用2个250 t千斤顶、油泵及张拉工装等设备。根据设计和预应力工艺要求的实际张拉力对千斤顶、油压传感器进行标定。

5.3.2 预应力张拉流程

通过原拱脚处预留的张拉耳板，将张拉工装及千斤顶连接固定。张弦主索在桁架一端设置调节端，采用一端张拉的方式，单端张拉。主索分两级张拉，分别为40%，100%。在钢结构安装完成后、卸载之前，进行第一次张拉，张拉到索力的40%，拉索依次进行安装和张拉；卸荷后，开始拆除临时支撑，在浇筑完成3~7层楼板混凝土后，对拉索张拉至索力的100%。第一次拉索张拉完成后，对结构进行卸载，需考虑卸载对索力的影响。

具体施工步骤如下：（1）在6层桁架板即拉索张拉端底部搭设操作架。（2）利用塔吊将安装千斤顶、油泵及张拉工装等设备转运至拉索张拉端，操作人员站在操作架，利用手动葫芦进行辅助安装。（3）张拉设备安装完成后，进行第一次张拉，在张拉的过程中，随着拉索长度增长，通过拧动调节螺杆，将拉索锁紧，记录拉力值及伸长量等数据，拆除张拉设备及操作架。（4）3~7层楼板混凝土浇筑完成后，对钢拉索进行第二次张拉，同样通过拧动调节螺杆，将拉索最终锁紧，记录拉力值及伸长量等数据，拆除张拉设备及操作架。

6 结语

本文通过对趣店科技金融创新园区项目主体工程1#楼上部主楼预应力拉索设计、施工工艺及施工仿真计算进行分析研究，总结出了一套预应力钢结构施工的技术经验，同时通过预应力拉索施工仿真计算证明了预应力拉索之间张拉顺序的相互影响不超过3%，拉索超张拉3%能够抵消这部分影响，为今后类似预应力钢结构施工提供了可靠的实践经验。