120m跨弦张钢桁架预应力张拉施工

120m跨弦张钢桁架预应力张拉施工
陆汉时杨顺
江苏南通二建集团有限公司226200
[摘要]：通过对超大跨度张弦梁桁架预应力工程的施工，采用预应力施工技术设计，预应力索的预制、展开、拉索连接和拉索牵引就位等工序，采用大型软件施工模拟计算、进行过程分析和张拉过程中测量、调整位移量等，成功进行大跨度张弦梁桁架的张拉，说明了施工预控技术的重要性。

[关键词]：桁架张弦梁拉索预应力张拉
1 工程概况
河海大学江宁校区西区189亩实验基地位于南京市江宁经济技术开发区，北侧紧邻佛城路,西侧为宁丹路，东侧为隐龙路。

工程钢结构共分为三部分：水流实验大厅、结构实验大厅及水塔结构。

水流实验大厅是由混凝土柱支承的大跨度钢屋盖结构，分为A、B、C三个区。

A区屋盖为张弦梁桁架结构，屋盖整体平面形状为矩形，其长度为300m，宽度为120m，桁架截面为倒三角形式，主桁架跨度达到120m，最高处标高为19.3m，主桁架共计21榀，上弦杆管径377mm，下弦杆管径450mm。

桁架上部为天窗架及C型檩条结构。

单榀主桁架最重为67吨。

主结构使用钢材材质均为Q345B。

图2-1 A区钢结构屋盖平面布置图
2 结构特点
水流实验大厅的钢结构屋盖，A区和C区预应力钢结构为张弦桁架结构。

结构主要由多榀桁架组成，桁架之间由支撑桁架、三角型支撑桁架串联，形成整体的张弦桁架结构。

如图2-1所示。

桁架一端为固定支座，另一端为滑移支座。

A区屋盖21榀桁架，榀间距15m，合计300m（长轴），
中间有一条伸缩缝，桁架跨度120m（短轴）。

张弦桁架由上弦桁架、下弦索及其之间的撑杆构成。

通过布置和张拉拉索，产生向上的等效预应力荷载，优化结构内力状态，提高结构刚度，平衡支座全部或部分推力，控制结构外形尺寸（矢高或跨度等）。

如图2-2所示。

图2-2 A区单榀张弦桁架三维示意图
3 结构总体施工顺序
根据本工程的特点和钢结构施工总体方案精神，对于预应力张弦桁架，单榀张拉，张拉前相邻两跨张弦桁架主结构、次桁架、天窗架安装、焊接完毕。

单区同一个伸缩缝段内的梁全部张拉完成后，进行屋面檩条及屋面板的安装。

1）搭设胎架，采用高空分段吊装的方法，按照施工图尺寸拼装张弦桁架上部刚构；
2）同样方法拼装第二根张弦桁架，张弦桁架与支座连接就位，支座下垫四氟乙烯板；
3）拼装两榀桁架之间的纵向联系桁架、天窗架、十字撑等，所有杆件节点焊接完成；
4）重复第2-3步，完成第3榀桁架和桁架之间联系构件的安装、焊接；
5）拉索地面展开、高空安装，张拉第一榀桁架的预应力拉索；
6）重复第2-3/5步，完成第4榀桁架和桁架之间联系构件的安装、焊接，张拉第2榀桁架。

按以上1～6步骤，依次流水施工；
A区Y-N轴线为一个单元，M-C轴线为另一个单元，不同单元桁架榀数、跨度有差异，但安装、张拉流程一样。

同一单元全部张拉完成后，可进行已张拉桁架之间的屋面檩条的安装，然后进行屋面板的安装，最后固定支座底板。

以A区，Y-N区间为例，拉索张拉流程如图4-1～图4-3所示：
图4-1 第一根拉索张拉
图4-2 第二根拉索张拉
第一步：Y/X/W轴主桁架和之间次桁架、次桁架、天窗架等联系构件拼装、焊接完成，安装Y 轴线拉索，张拉Y轴线拉索，如图4-1所示。

第二步：V轴主桁架和之间次桁架、次桁架、天窗架等联系构件拼装、焊接完成，安装X轴线拉索，张拉X轴线拉索。

如图4-2所示。

第三步：U轴主桁架和之间次桁架、次桁架、天窗架等联系构件拼装、焊接完成，安装W轴线拉索，张拉W轴线拉索。

如图4-3所示。

依次类推最后安装P轴、N轴线拉索。

这样A区的Y-N单元张拉完成。

4 张弦桁架拉索施工总体方案
4.1 拉索施工顺序
拉索的张拉顺序，是在拉索张拉前，本桁架与相邻桁架的联系构件要全部安装、焊接完成。

拉索张拉，根据设计目标索力，计算分析施工工况下的施工索力。

张弦桁架由上弦桁架、下弦预应力拉索及之间的竖杆构成。

通过布置和张拉拉索，使竖杆形成弹性支撑，优化结构内力状态，提高结构刚度，同时拉索可平衡支座部分水平推力，因此控制结构外形尺寸（矢高或跨度等）。

4.2 张拉分级程序
每批次张弦桁架两端张拉同步，采用分级张拉：预紧→25％→50％→75％→90％→100％。

4.3 拉索张拉力计算控制
拉索张拉控制包括力和形两部分。

力包括索力、关键钢构内力以及支座反力等；形包括：跨度、矢高和关键构件的空间姿态。

本工程现场张拉主要控制拉索张拉力和桁架跨中竖向位移。

4.4 拉索材料要求
⑴.索体材料：本工程拉索材料为半平行钢丝束索。

采用1670级ф7镀锌钢丝双护层扭绞型拉索，内层PE为黑色耐老化高密度聚乙烯（HDPE），外层为彩色PE（根据设计现场采用白色）。

本工程拉索的索体为1670级高强半平行钢丝束拉索，外包双层PE；两端可调；张拉端锚具为冷铸锚；连接件为叉耳式，见错误!未找到引用源。

所示。

表4-1 拉索材料和规格表
拉索类型
索体索头
级别/MPa 规格索体防护锚具(张拉端) 张拉方式调节装置
A区拉索半平行钢丝束1670 PES C7×223 双层PE 冷铸锚两端张拉螺母C区拉索半平行钢丝束1670 PES C7×187 双层PE 冷铸锚两端张拉螺母
⑵.锚具材料：本工程拉索锚具采用冷铸锚。

锚具示意如图4-1所示。

图4-1 φ7拉索冷铸锚示意图
（注：A-锚杯长度；B-锚圈高度；C-锚圈外径；D-锚杯外径；E-铸钢球节点预留孔道）
⑶.成品索检测：
1）成品索长度量测：对于索长超过100m，其误差不大于1/5000索长，即控制在20mm以内。

对于索长不超过100m，其误差控制在20mm以内。

索长量测方法为经超张拉后成品拉索，卸载至20%的超张拉力时测量拉索长度，然后再换算成20℃，零应力时的拉索长度。

2）拉索弹性模量检测：在成品索超张拉时，取1根作弹性模量试验检测，试验方法为利用超张拉检测时取得的索力与索长变化的数据，算出拉索的抗拉弹性模量。

按GB/T17101-1997《桥梁缆索用热镀锌钢丝》要求，成品拉索的抗拉弹性模量不小于1.95×105MPa。

本项检测在实型索上进行，不属于型式检验，主要用于科学地指导拉索施工。

5 张弦桁架拉索现场施工
成品索现场施工工序为：拉索展开→对接索拉杆→提升装置安装→拉索提升→对中索球→索头临时锚固→测量索端节点安装误差→调整被动索长，并锚固就位→张拉主动索，并锚固就位。

5.1 拉索的安装
5.1.1 拉索安装前的先序工作
⑴.拉索目测检查：索体表面防护和索头防腐层是否有破损。

⑵.检查拉索实际制作长度是否满足要求。

⑶.与拉索连接的节点检查：节点是否安装到位，且与周边构件连接可靠。

⑷.与拉索连接的构件应稳定可靠，必要时应设置支撑或缆风绳等。

⑸.对于在拉索安装后难以完成的工作，应在拉索安装前完成，如索头连接板的防锈涂层。

⑹.需对索头调节装置等部位涂适量黄油润滑，以便于拧动调节装置。

⑺.为方便工人施工操作，事先搭设好安全可靠的操作平台、挂篮等。

⑻.人员正式上岗前进行技术培训与交底，并进行安全和质量教育。

⑼.在正式使用前对施工设备进行检验、校核并调试，确保使用过程中万无一失。

5.1.2 成品索的安装就位
⑴.安装顺序：各榀张弦桁架的刚构、撑杆和拉索流水安装；对于单榀张弦桁架，先安装撑杆，再安装拉索和索夹；为便于安装拉索和索夹，索头调节装置应尽量放长，且两端调节长度应基本相等；按照制索时在索体表面的索夹标记进行索夹安装。

⑵.拉索安装顺序：工厂里拉索在初始预张力条件下，按照有应力长度进行生产，并在拉索索皮表面标记索夹位置→拉索运输至现场→开盘放索→安装撑杆→挂索，将拉索两端索头与端节点临时连接→预紧拉索，让索球自动归位→，准备张拉。

⑶.钢丝束拉索开盘：在放索过程中，因索盘绕产生的弹性和牵引产生的偏心力，索开盘时产生加速，导致弹开散盘，易危及工人安全，因此开盘时注意防止崩盘。

如图5-1所示，采用索盘放索架进行放索。

外包PE索的柔度相对较好，在开盘拉索展开过程中外包的防护层不除去，仅剥去索夹处的防护，在牵引索安装索球张拉索的各道工序中，均注意避免碰伤、刮伤索体。

图5-1 索盘放索装置示意图
⑷.拉索施工操作平台
采用型钢焊接可移动的拉索安装和张拉所需的操作平台（也可采用脚手架搭设操作平台）。

操作平台不仅要便于拉索施工，也要保证施工安全性。

⑸.撑杆安装
搭设拉索临时安装支撑架，用吊机或手动葫芦将地面编好号的撑杆逐根吊起，将撑杆上节点与刚构相连。

撑杆也可以跟着桁架一起吊装。

⑹.拉索及索夹安装
拉索在地面展开，将拉索调节装置尽量放长，按厂家做好记号的位置安装索夹，如图5-1所示。

图5-1 索夹按标记安装
采用吊机把拉索索头送到桁架下弦节点入口处，采用专门的牵引装置将拉索两端牵引进入桁架预留孔道后，收紧牵引装置的千斤顶，逐渐缩短调节装置，使索体上抬靠近撑杆下端。

在索体牵引、张拉过程中，索球自动进入撑杆下节点。

拉索提升牵引入桁架预留孔道施工如图5-2～5-4所示。

图5-2 索提升牵引装置施工示意
图5-3 索提升通过牵引装置导入张拉孔道
图5-4 索提升通过牵引装置导入张拉孔
⑺.拉索及撑杆安装注意事项
撑杆下料时严格控制精度，安装前按实际位置对每根撑杆编号；
应仔细核对刚构节点的位置和方向，特别要注意与拉索索头相连节点的编号；
在工厂里对拉索进行严格编号和精确标记。

按照初始预张力和各索段长度，在索皮上标记索夹的位置以及索头螺杆的位置。

安装前尚需量测实际关键节点的安装偏差，根据这些标记和节点安装偏差，在现场进行拉索及索夹的安装，并调节索长。

这样既便于实际安装，更重要的是为了撑杆下节点索夹的精确定位和拉索初始态索长的确定。

拉索安装前，需对螺母等涂适量黄油润滑，以便于拧动。

5.2 拉索的张拉
5.2.1 张拉前的准备及安全要求
根据钢结构安装和拉索施工方案，进行施工过程的精细化分析，掌握施工过程的结构状态和结构特性，为拉索施工提供参数（如拉索施工张拉力），为施工监测提供理论参考值，确保施工安全。

拉索张拉前本桁架构件应全部安装完成，合拢为一整体。

检查构件之间以及支座连接就位，考虑张拉时结构状态是否与计算模型一致，以免引起安全事故。

直接与拉索相连的节点，其空间坐标精度需严格控制。

节点上与索相连的耳板方向也应严格控制，以免影响拉索施工和结构受力。

将阻碍结构张拉变形的非结构构件与结构脱离，如钢桁架和支撑架有焊接连接点时，需断开。

拉索安装前，需对拉索张拉调节装置涂适量黄油润滑，以便于拧动。

拉索张拉前，为方便工人张拉操作，事先搭设好安全可靠的操作平台、挂篮等。

拉索张拉时应确保足够人手，且人员正式上岗前进行技术培训与交底。

设备正式使用前需进行检验、校核并调试，确保使用过程中万无一失。

拉索张拉设备须配套标定。

千斤顶和油压表须每半年配套标定一次，且配套使用。

标定须在有资质的试验单位进行。

根据标定记录和施工张拉力，计算出相应的油压表值。

现场按照油压表读数精确控制张拉力。

索张拉前,应严格检查临时通道以及安全维护设施是否到位，保证张拉操作人员的安全；索张拉前应清理场地，禁止无关人员进入，保证索张拉过程中人员安全。

在一切准备工作做完之后，且经过系统的、全面的检查无误后，现场安装总指挥检查并发令后，才能正式进行预应力索张拉作业。

5.2.2 张拉总体原则
⑴.张拉原则：单榀张弦桁架两端同步张拉。

单批次张拉分级，同批次拉索张拉时应逐级施加拉力，分五级张拉程序：预紧→25%→50%→75%→90%→100%。

⑵.张拉顺序：A区Y-N单元，从Y轴→N轴依次进行；A区M-C单元，从M轴→C轴依次进行。

⑶.拉索张拉控制采用双控原则：控制索力和跨中竖向变形。

⑷.张拉过程分析：模拟张拉过程，进行施工全过程力学分析，预控在先。

⑸.张拉时机：待上弦桁架、桁架之间的纵向连系桁架、天窗架等联系构件安装、焊接完成，撑杆和拉索安装完毕，且支座就位。

安装3榀后，进行第一榀桁架的正式张拉，此后流水安装和张拉。

待全部张拉完毕后，安装檩条等屋面系统。

5.3、张弦桁架拉索施工过程分析
A区采用120m跨张弦梁结构，对拉索张拉过程进行了有限元分析模拟。

通过ANSYS V12.0软件分析，考虑结构具有双重非线性（几何非线性和材料非线性），计算中考虑几何大变形和应力刚化效应。

如图5-5所示。

软件计算单元类型：梁构件采用梁单元Beam44；桁架构件采用梁单元Beam44释放两端或部分
自由度；拉索采用仅受拉的Link10杆单元；胎架采用仅受压的Link10杆单元。

结构材料特性：钢材弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，温度膨胀系数为1.2×10-5；拉索弹性模量为1.95×105MPa，泊松比为0.3，温度膨胀系数为1.2×10-5。

结构荷载条件：根据施工过程考虑结构自重，钢构件的质量密度为7.85×103kg/m3，并乘以1.05的节点重量系数；索采用双护层半平行钢丝束索，质量密度为7.85×103kg/m3，并乘以1.1的索皮重量系数。

图5-5 120m跨张弦梁分析模型图
5.3.1 找力分析
根据设计院提供的拉索等效预张力，确定在结构自重作用下拉索的索力，即整体结构自重初始态的索力值。

如表5-1所示。

表5-1 120m跨张弦桁架结构自重初始态索力表
索分组编号设计等效预张力（kN）结构自重初始态索力（kN）跨中竖向位移（mm）
C 2912 1569 161
D 3414 2065 156
E 3816 2406 156
F 3816 2394 157
G 4016 2578 157
H 3816 2415 155
J 3715 2329 153
K 3715 2334 152
L 3816 2439 149
M 4177 2828 143
N 4057 2721 144
P 3816 2445 148
Q 3615 2255 150
R 3816 2426 151
S 3816 2433 152
T 3816 2431 153
U 4016 2587 155
120m跨张弦桁架结构自重初始态竖向位移：跨中最大竖向位移为161mm，位于第C榀，其余跨中竖向位移为143mm～157mm范围内；支座最大水平位移为85.6mm，位于第G榀；钢构最大等效应力为129MPa，位于第G榀；索力为1569～2828kN。

5.3.2 张拉顺序说明
120m跨结构拉索分组说明如图5-6所示：
图5-6 A区张弦梁拉索张拉顺序图
拉索张拉按步骤进行，依照图示A-1区从Y轴至N轴、A-2区从C轴至M轴分别逐步张拉的原则，如表5-2所示顺序进行：
首先安装Y、X、W和C、D、E三榀主桁架及其中间的次桁架和天窗架，并将三榀主桁架的拉索安装完毕，之后开始张拉第一榀安装的主桁架的拉索，即Y、C轴拉索。

之后每安装一榀主桁架，相应开始逐次张拉下一榀的主桁架的拉索。

5.3.4 120m跨张弦梁结构张拉施工过程分析
在张拉过程中，最大竖向位移为178mm，发生在第Ⅳ步张拉时；最大支座水平位移为86mm，发生在第Ⅹ步张拉时；钢构最大等效应力为146MPa，发生在第Ⅳ步张拉时；拉索最大施工张拉力为3176kN，发生在张拉U轴拉索时。

拉索张拉过程中索力如表5-3所示。

另外，每张拉一榀时，该榀桁架上挠，已经主动脱离支撑胎架，因此张拉完单榀后，该榀桁架的支撑胎架即可转移流水使用。

表5-3 A区120m跨张弦桁架拉索张拉过程索力（单位：kN）
由以上分析可见，对于两个张弦梁结构分别得出如下结论：120m跨张弦梁，施工过程中拉索的张拉力最大达到3176KN，即张拉U跨拉索时所达到。

施工过程中最大竖向位移为178mm，发生在第Ⅳ步张拉时。

施工过程中钢构应力最大为146Mpa，发生在第Ⅳ步张拉时。

而在结构整体成型后，整体较施工过程中索力偏小，超张拉幅度较大。

每张拉一榀，该榀桁架上挠，主动脱离支撑胎架。

该榀桁架下的支撑胎架即可转移使用。

5.4 120m跨张弦梁拉索张拉过程控制
5.4.1 两端张拉同步控制
首先在张拉前调整索体螺杆露出螺母的长度，使露出的长度相同（考虑完支座初始安装偏差），即初始张拉位置相同。

五级张拉程序为：预紧→25%→50%→75%→90%→100%。

其次在张拉过程中将每级的张拉力在张拉过程中尽量使千斤顶给油速度同步，同时旋紧螺杆螺母，以10mm为一控制点，单根索2个螺杆、螺母旋紧速度基本同步。

在张拉完成每小级后，所有千斤顶停止给油，测量螺杆的外露值。

如果外露值不同，则在下一级张拉的时候，外露值小的首先张拉出这个差值，然后再同步给油张拉。

如此通过每一个小级停顿调整的方法来达到整体同步的效果。

5.4.2 张拉后支座位移
张拉前应比较张拉时结构支座布置及约束情况是否与设计模型相符，应尽量避免由于索张拉造成结构支座发生较大的偏移。

如果张拉后支座的确存在较大的偏移，应组织相关单位讨论解决。

5.4.3 拉索施工监测
拉索预张力施工过程是个动态的结构状态变化过程，是结构从零状态向成形初始态转变的过程。

由于钢构安装误差、拉索制作、安装和张拉误差、分析误差以及环境影响等原因，实际结构状态与分析模型是有差异的。

因此，必须对拉索预应力施工过程予以监测，对比理论分析值和实际结构响应的差异，及时掌握各关键施工阶段的结构状态，保证拉索施工全过程处于可控状态，保证施工过程结构安全，为下阶段施工和最后的施工验收提供依据。

⑴.预应力钢结构拉索预应力施工常规监测内容包括：索力和关键节点位移。

①.索力监测点：各主动张拉点的索力。

对于正在张拉的主动张拉索的索力控制采用配套标定的千斤顶现场张拉的千斤顶均在有资质的实验室与油压表进行配套标定。

②.关键节点位移监测点：变形监控位置为：支座水平位移以及张弦桁架跨中的竖向位移。

施工现场采用全站仪进行高精度快速观测。

为保证施工观测的精度和速度，对放样或观测的主要控制点应设强制对中固定观测墩座；对于其它控制点也应尽量设强制对中固定标志杆，以便于精确照准。

⑵.预应力施工监测应贯穿整个施工过程。

①.每次张拉前，应首先检查测试仪器是否正常工作，并读取初读数。

②.在每一批次张拉过程中，不得移动测试仪器，如百分表、全站仪、反光片、振弦式应变仪等。

一旦移动，则必须停止张拉，重新调整测试仪器，再次读取初读数后方可张拉，并将情况记录。

③.张拉完一批次后，应及时读取数据，进行分析，并与理论值比较，确定结构状况正常后，方可继续张拉下一批次。

如有问题，应及时会同有关人员进行解决。

④.测试人员须固定，即要有专职人员进行测试工作。

6 张弦梁钢桁架预应力施工总结
6.1 120m跨钢桁架预应力施工特点
1）屋盖的施工是按现场原位高空拼装施工方案考虑的。

2）张弦桁架的上弦为倒三角桁架。

3）张弦桁架共分两个大区，同一个区内的张弦桁架跨度相同，初始预张力不尽相同。

4）张弦桁架的端部一端固定支座，另一端为滑移支座。

6.2 120m跨钢桁架预应力施工技术设计
本工程所涉及的预应力工程为预应力钢结构，预应力钢结构工程具有施工难度大、施工前期准备工作量大的特点，因此为使本工程达到设计质量要求，确定本工程技术要点如下：
⑴.根据本工程的特点制定完善的施工技术设计。

施工技术设计是为预应力钢结构的施工进行技术准备。

施工技术设计中着重注意的技术要点体现在制索、挂索和预应力钢索张拉过程中。

虽然制索在工厂内完成，但制索的精度应在施工技术设计中得到计算和控制。

一些在制索过程中无法达到的精度或产生的误差宜在施工过程中通过相关的技术手段进行弥补。

⑵.施工技术设计中应确定施工顺序，尤其是制索和预应力过程的顺序。

这里所谓的预应力过程是指施加预应力的过程。

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。

在预应力钢结构中，尤其宜采用改变柔性杆件的长度的方法。

对结构施加预应力，使预应力能够分布到整个结构，达到预应力的目的，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，而对于预应力钢结构来说尤其要区分其初始几何状态和预应力状态。

因为在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。

如果这两个状态不一致时，预应力过程是不能一气呵成的。

简言之，张拉结构的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、每次预应力过程的张拉量值，同时控制结构的形状变化，因为结构的形状是与预应力分部相匹配的。

⑶.张力结构的施工技术设计应规定预应力过程的速率。

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，所以预应力过程的监控十分重要。

⑷.张拉结构的施工技术还需要注意结构的其他荷载施加过程，在后续的结构施工过程中，如屋面荷载、悬挂荷载的施加步骤和方法，要尽量保证比较均匀、对称、匀速地施工，避免出现过大的集中荷载。

6.3 120m跨钢桁架预应力施工总体考虑
总体施工考虑，120m跨钢桁架安装时按地面组拼，高空分四段拼接的方式进行安装，为了考虑钢桁架的下弦预应力拉索的施工，采用双胎架支撑形式支承倒三角形钢桁架。

这样，拉索施工时，可以通过两个胎架中间进行穿索和拉索张拉。

拉索穿索过程如图6-1、图6-2所示。

图6-1 预应力拉索展开及锚杆连接
图6-2 预应力拉索穿索
120m跨钢桁架考虑预应力张拉过程中钢桁架产生纵向变形，因此，施工时，钢桁架支座一端采用固定，另一端采用滑动支座，在预应力拉索张拉完成，屋面施工完成后将滑动支座固定，这样，可保证预应力钢桁架整体施工的完整性，又能达到结构安全可靠。

预应力张拉采取两端同步张拉方式，通过两端张拉位移量控制总体张拉的同步性。

预应力张拉施工如图6-3、图6-4所示。

图6-3 张弦桁架冷铸锚千斤顶张拉
图6-4 张弦桁架冷铸锚单千斤顶张拉完成照片
参考文献
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