浅谈预应力钢结构的施工特点与控制

在目前新的“建筑技术政策”向钢结构倾斜并提出“积极合理较快速地发展钢结构”的态势下，钢结构学科将快速全面发展，钢结构工程将更加广泛。文章分析了预应力钢结构的特点及其一般设计施工过程，提出了预应力钢结构的施工控制设计措施。 当前我国钢结构在高耸结构、超高层结构中的应用近年来已非常广泛，由于其良好的抗震性能，渐渐成为超高层结构的主流。此外，轻型钢结构建筑体系用于中小型工厂、商店、大型超市，由于其构造简单，材料单一，有利于制作的工业化和规格化，而且由于自重轻、工期短、经济性好而取得飞速发展。预应力钢结构是在各类钢结构中增加高强度赘余预应力杆件、张拉预应力杆件使其他构件获得与荷载引起的内力方向相反的预应力，而预应力杆获得与荷载引起内力方向相同的预应力，这样既充分发挥了高强度预应力杆的作用，又充分利用了钢构件的强度。预应力钢结构其实质是以少量高强度钢材代替一部分普通钢材并提高其他构件的承载能力而取得显著经济效益。显然，高强度预应力构件强度越高并且提高其他构件承载能力的方式越合理，其综合效果也就越为显著，一般情况下，预应力平面结构可以节约钢材10%～20%，预应力空间体系则可节约钢材40%～50%，这是应该大力推广的结构体系。 一、预应力钢结构的原理与状态 (一)预应力钢结构的基本原理 预应力钢结构的基本原理就是针对普通钢结构的特点，人为地在结构或构件较大受力部位，引入与荷载作用下符号相反的预麻力，使结构承使用荷载后，构件的内力抵消一部分或大部分，变形也相应随之减少，实现结构形式更合理、更经济的目标。按照预应力钢结构施工工艺来分，刚性结构和半刚性结构可归为一类，柔性结构归为另一类。刚性结构和半刚性结构有相对独立的杆件结构刚度，当索中预应力失效时，结构刚度减小。但杆件结构刚度仍存在。因此刚性结构和半刚性结构施工工艺计算模型可以分解为索对杆件部分结构的作用，悬挂体系、斜拉体系、预应力网架结构、预应力网壳结构和张弦梁屋架都具备可划分出相对独立的杆件部分结构的特性。柔性结构不同于刚性结构和半刚性结构，它仅在预应力作用下才形成有刚度的结构，不能划分出相对独立的杆件部分结构，它的设计和施工计算都需确定结构形状，因此柔性结构施工完全不同于刚性结构和半刚性结构施工。 (二)预应力钢结构的状态 预应力钢结构状态要素考虑是指索力和结构几何形状，为了便于分析和叙述，可以定义预应力钢结构如下的三种不同状态： 1.零状态：零状态时的结构是加工放样后的构件集合体。零状态时不存在预应力，不存在外部荷载和自重的作用，结构零状态的杆件部分形状和几何尺寸是由设计图纸给定的。 2.初始状态：初始状态是指结构安装就位张拉后仅在预应力和自重作用下自平衡状态。不考虑外部荷载的作用。预应力钢结构初始状态仅有预虑力和结构自重作用，实际上就是预应力施工张拉状态，此状态的索力和几何形状分别是施工张拉时的索张拉力控制值和位移监控值。 3.工作状态：工作状态指结构投入使用在外部作用下所达到的平衡状态。通常，外部作用下的工作状态位移，由设计方提供说明和要求。 二、预应力钢结构的施工流程与控制设计 (一)预应力钢结构的施工流程 现以长沙会展中心展览大厅来说明预应力钢结构施工特点，展览大厅是一个斜拉索和张弦桁架相结合的复杂空间预应力钢结构。施工过程如下：(1)在地面抬模上拼装屋架的张弦桁架跨段；张拉下弦索，张弦梁跨中起拱到预定量；(2)起吊、安装张弦桁架跨段，二端电焊连结；(3)张拉斜索，使屋架位移控制点起拱到预定量；(4)拆除支撑，然后安装屋面板和设备。 从上述的施工过程中可以归纳出预应力钢结构施工以下几个特点：(1)预应力施工会有阶段性，可以是嵌套形式；(2)需要确定一个形状控制为索张拉目标，目标实现时的索力目标控制索力，目标实现时控制点位移为目标控制位移，即初始状态；(3)控制索力往往是几个，甚至是十几个以上。由于实际张拉设备有限，不可能所有索同时张拉，因此必须制定使用少数设备实现目标控制索力和目标控制位移的张拉方案。 (二)预应力钢结构的施工控制设计 预应力钢结构的施工状态控制设计是指预先通过分析确定设计目标并制定张拉方案，张拉过程中对预应力钢结构施工状态进行实时识别，最终有目的地调整纠偏，从而使预应力钢结构施工收到有效地控制。为了实现这个目标，可采用几种施工计算方法，下面介绍三种方法：顺序循环法、倒装法和无应力法。 1.顺序循环法。顺序循环法分析步骤与实际预应力索施工步骤完全相同，通常在分析前根据工程具体情况先行确定若干各选方案，一般通过各个分组索2～3次循环叠代可逐步逼近设计索力，使结构最终成形。通过分析还可以准确获得各个施工阶段构件内力分布和结构几何形态。根据循环张拉的拉力增量可将顺序循环法细分为足量循环张拉法、等量递增循环张拉法和变量递增循环张拉法。足量循环张拉法是指每个循环中各组索的施工控制索力均为设计索力，由于后张索引入的预应力将在结构中重分布，必然导致先前张拉的索力发生变化，因此需要经过若干次循环张拉调整直至各组索内力均最终均达到设计要求的索力；等量递增循环张拉法是指通过k次循环张拉，将各组预应力索的设计索力等分为k份，每次循环张拉的索力增量为P/k，直至最后各组索力均逼近设计索力后停止张拉循环；而变量递增循环张拉法是根据工程实际情况每次预应力施工张拉控制的索力增量不同，最后统一逼近设计索力的循环张拉施工方法。 2.倒装法。我们以斜拉张弦桁架组合结构为例来说明“倒装法”原理。假如我们已经计算得到施工阶段荷载控制值。即索力Fi和控制位移Ui(-1，…，n)。如果有n台张拉设各，就可能同步比例张拉n根索，实现施工目标。但实际工程施工时，考虑到施工成本，不会采用同步张拉方案。现考察使用一台设备张拉时索力和位移的变化青况。假定一台设备张拉次序和索号相同，要求张拉完成后的索内力和控制点位移为已计算得到的施工阶段荷载控制目标Fi(i=1，…，6)和Ui(i=1，…，6)。现假定按索号逐根张拉，张拉力就取Fi。1号索张拉后，当2号索张拉时，1号索索力就不再是Fi。继续张拉3号索，1号索和2号索的索力又发生变化。后继索张拉会改变已张拉索的索力，如此张拉无法达到施工阶段荷载控制力和控制位移的目标。 3.无应力法。依据索工作状态可以计算得索无应力长度。把按无应力长度制作的索全部安装后，它的索力和位移在使用阶段荷载下就是使用阶段荷载的控制力和控制位移，在施工阶段荷载下就是施工阶段荷载的控制力和控制位移。因结构是弹性的，求解结果唯一，和索张拉次序无关。不难看出，按索无应力长度逐索安装，刚安装索的内力和相应控制点位移，就是“倒装法”按同样次序逐索张拉时该索控制内力和相应控制点位移。因此，无应力法和倒装法从本质上讲是同一过程的不同方式控制。无应力法逐一安装索，是以索的无应力长度作为张拉控制量，此时索力就是倒装法计算得到的控制张拉力。 通过以上分析，三种张拉顺序对应各阶段索力完全不同，因此各组索的张拉施工控制索力完全对应于事先制定的张拉顺序，张拉顺序不同施工控制索力也不同。其中倒装法分析的结构计算结果是精确值，也是顺序循环张拉法多次循环逼近的结果。计算过程简单明了，采用该分析结果进行张拉，能准确控制施工阶段各种预应力索的索力。张拉的最终结果与设计要求的结构成型索力完全一致。