浅谈索结构施工技术应用

【关键词】索拱与单索；预应力结构施工；应力张拉 

　　前言： 

　　索结构是近代土木工程发展的产物。随着人们对钢筋和预应力技术认识的不断深入，如何节约材料及如何设计更加美观的结构成为两大新课题。于是索结构逐渐进入人们的视野，高承载力及空间利用的高效率使其成为一种常见的结构形式。在悬索桥、边坡支护、火车站候车大厅及大空间展览馆中索结构均具有很强的生命力。为提高单根索的极限承载力，通常使用的方法是应用高强钢筋并对其施加预应力，因而在索结构中，每根索的施工质量都非常重要，索的施工成为索结构发展中必须解决的一大问题。本文将从常见的索结构入手，分析其施工工艺和关键技术，力图对索结构施工有一个全面深入的了解和认识。 

　　1.预应力索拱施工： 

　　作为一种建筑与美学和谐统一的结构形式，拱一直受到建筑师的青睐。但是拱是具有侧推力的结构，拱脚处往往会产生较大的水平推力。为降低甚至消除此拱脚推力，目前工程界有效的方法是使用钢索将两拱脚相连。结构形式为钢索与钢拱架组合，即预应力索拱结构。图1为预应力索拱的几种常见形式。 

　　钢索是预应力索拱结构的关键组成部分，按结构计算和耐久性要求其材料选取、长度确定有以下几个特点： 

　　1）由预应力钢索最大承载拉力及安全系数确定钢索类型为φ5×31，材料标准强度为1670MPa。考虑防火及防腐性能选择镀锌钢丝和外包双层PE保护层。 

　　2）预应力钢索一端为锚固端，一端为张拉端。锚固端为叉耳式，张拉端为带螺扣的钢拉杆。张拉时借助螺扣设计张拉设备，张拉完成后使用双螺帽进行永久锚固。 

　　3）在设计叉耳尺寸时要进行抗剪和局部承压验算，特别注意与型钢拱架耳板尺寸匹配，防止出现叉耳安装不上或者安装之后叉耳无法转动的情况。 

　　钢索张拉包括两方面内容，一方面为张拉装置设计和加工，另一方面为钢索张拉应力监测。对于预应力钢结构，需要针对具体工程设计专用的张拉设备。常用的钢索张拉设备由以下部件组成： 

　　1）转换件。在张拉时，通过转换件将千斤顶拉力传递到钢拉杆，从而实现对钢索施加预应力。 

　　2）反力架。反力架为由钢板焊接成的一种类似板凳的稳定结构，可以把张拉钢索的反力传递到钢拱梁上，实现张拉体系的自平衡。 

　　3）应力传感器。 

　　4）千斤顶。通过张拉钢绞线对钢索施加预应力。 

　　在施工时，需做好预应力施工监测工作。为避免预应力索拱结构在张拉时变形过大，因此在预应力钢索张拉过程中需对结构变形和钢索应力进行现场实时监测。可以选取一榀索拱结构在钢结构加工厂完成张拉试验，实时监测结构变形及应力，如果没有出现结构变形和应力超限的情况，则满足施工要求。因此，在进行其余各榀索拱结构施工时，重点进行钢索拉力监测，不再进行变形监测。 

　　2.预应力单索结构施工： 

　　标准单元预应力单索结构体系由交叉的水平索和垂直索组成，水平索、垂直索用不锈钢钢索，水平拉索端部为平行弦钢桁架，顶部联系采用钢桁架，钢桁架材料用Q345。该体系结构形式简单明了、布置灵活，同时具有其它玻璃幕墙支承体系所难以达到的通透性；和玻璃肋板式的玻璃幕墙相比，具有质感强的特点；与现有的柔性支承结构相比，在构造上可以省去玻璃幕墙的爪件，直接由杆件上缚一玻璃扣件，玻璃与玻璃之间直接用玻璃扣件相连，扣件与杆件之间通过一定的联系件相连，免去了杆件。 

　　单索施工的工艺流程主要为：基础测量放线 预埋件安装定位 确定基准点、控制单元 设置观测点 搭设安装平台一钢结构安装 结构上驳接系统安装与调整 拉索第1次20%应力张拉、结构和拉索节点第1次调整 索网内驳接系统安装与调整 拉索第2次80%应力张拉、结构和拉索节点第2次精确调整 拉索第3次100%应力张拉 驳接系统精调 定位 交验 拆除安装平台。 

　　1. 施工放线： 

　　（1） 根据已安装好的钢析架进行水平距离和垂直距离的中心线的测量，并做上临时标记。 

　　（2） 统计测量数据，按拉索下料时的编号，整理成测量数据表，与拉索下料时的尺寸进行对比，找出结果是否有偏差。 

　　（3） 超出允许偏差的部位，必须进行现场复测，确认无误，避免在安装时延误时间。 

　　（4） 所有放线的尺寸通过调整和复查无误后，在钢析架拉索安装处弹出拉索的纵横向安装中心线。 

　　2. 单索初装： 

　　（1） 需要安装的拉索提前一天做好计划，将拉索的型号、规格、数量和编号分别登记，注意运输和拆包装过程中不要碰击拉索或将拉索表面刮伤。 

　　（2） 竖向拉索安装时，先将拉索调节端穿人上端铰支座孔中穿上轴销或拧上螺栓，然后将拉索固定端穿人下端铰支座孔中穿上轴销，此时不要让拉索受张力。按以上的操作程序，依次将各个单元的竖向拉索初装完成；然后进行横向索的安装。 

　　（3） 横向拉索安装时，依据现场拉索调节端支座的位置，安排从左到右或从右到左的顺序安装，安装过程与竖向索初装一样，先调节端，后固定端，依次安装完各个单元的拉索。 

　　（4） 拉索初装完成后，做一次成品保护工作，用塑料布将拉索整体包裹起来。同时对索网进行专业编号。 

　　3. 单索张拉： 

　　3.1 第一级20%应力张拉： 

　　根据放线预留的分格基准中心线，将拉索先调至中心线上，然后用扭矩扳手施加一定的力进行一级张拉（约为20%荷载），检查拉索有没有位移，是否还在中心线上，如果有，必须调整到位。同时，为了消除重量等荷载造成的影响，进一步确认基准中心线的位置，检查钢析架结构受力后变形情况，并作好记录，以利于下一步张拉数值的取定。一般情况下，由于钢结构此时只受到很小的应力，变形可忽略。 

　　3.2 第二级80%应力张拉： 

　　第2级张拉过程中，张拉机具组合必须保持同步，施加拉力要平缓，并要定时停下检查拉索和钢桁架受张力后的变形情况。张拉机具组合的位置要根据现场安装，应选择保证径向分力矢量最大的部位，以减小轴侧分力对张拉力矢量和的影响。理论计算认为，由于拉索长度远远大于轴向位移，径向分力矢量与轴向分力矢量之比近似于无穷大，故轴向分力对张拉的影响非常小。实际施工过程中控制起来是相当困难的。现场张拉过程中，很小的偏移就会给检测计数造成误差，掌握不好还容易损伤索头丝扣。操作中要保持平缓施加张力。张拉到80%应力时，检测拉索、桁架、拉索及构件受力状况下的变形及位移，与试验数据对比，对产生的变形及位移在允许偏差范围内进行调整。 

　　3.3 第三级100%应力张拉： 

　　根据第2级张拉采集的数据编制技术方案，进行第3级100%应力张拉，方法及要求同第1级，张拉过程中要重点观察在第2级张拉时钢析架产生的不规则变形。抛开理论分析不计，实际施工中，一般在受力均衡后，这些不规则变形会自动回复，只留下很小偏差。考虑到拉索应力松弛特性，在张拉到100%应力之后，根据经验还必须再多张拉3%-5%。锁紧索头螺母，逐步平缓释放张拉机具的张力，卸下张拉机具组合。再次检测拉索100%受力状态时，桁架、拉索及构件的变形及位移状况，对产生的变形及位移在允许偏差范围内调整，全面检测、校验每根拉索的受力是否与设计相符。 

　　3.索结构施工总结： 

　　随着现代建筑的发展，结构正在向经济、美观、耐用、省材的方向发展，而索结构无疑具有了上述优点。而预应力索的张拉也将越来越受到工程技术人员的重视，只有保证了张拉的质量才能使结构满足设计要求，从这一点讲，预应力索的张拉技术将会在今后很长一段时间内成为索结构研究中的重要课题之一。