咸陽市市民文化中心鋼連廊預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)

柳明亮 楊 洋

(1.陜西省建筑科學(xué)研究院有限公司，陜西 西安 710082; 2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710075)

0 引言

鋼連廊不僅僅具有連接建筑物的交通聯(lián)系功能而且還具有組織空間、整合環(huán)境和造型等功能；鋼連廊一般跨度較大，結(jié)構(gòu)中間支撐少，或無支撐，常采用預(yù)應(yīng)力拉索來實(shí)現(xiàn)上述功能。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)成型過程復(fù)雜，需要完善的施工技術(shù)來確保施工的安全，其中施工過程的數(shù)值模擬和施工監(jiān)測(cè)是最為重要的環(huán)節(jié)。

在施工模擬和施工監(jiān)測(cè)方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，在該方面取得豐富的研究成果。錢稼茹等人[1]對(duì)北京大學(xué)體育館鋼屋蓋預(yù)應(yīng)力施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬及監(jiān)測(cè)，表明該屋蓋結(jié)構(gòu)模型分析和方法的正確性。劉紅波等[2]對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬和監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了滾動(dòng)式撐桿下節(jié)點(diǎn)運(yùn)用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的可行性。Mar Reynier和Hisham Abou-Kandil[3]研究提出兩種結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)量的方法；Rubin[4]還從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺失方面提出該部分?jǐn)?shù)據(jù)的處理方法。Nikos Tsikriktsi[5]總結(jié)了3類處理數(shù)據(jù)缺失方法：刪除法、插補(bǔ)法、預(yù)測(cè)法。在鋼結(jié)構(gòu)連廊[6-10]方面也取得豐富研究成果，為在建或已建工程起到重要的指導(dǎo)作用。

預(yù)應(yīng)力張拉精確度控制和張拉過程的安全是鋼連廊結(jié)構(gòu)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一，因此對(duì)鋼連廊結(jié)構(gòu)施工過程的施工模擬和施工監(jiān)測(cè)成為最為有效的方法。本文以咸陽市市民文化中心青少年宮項(xiàng)目為研究背景，運(yùn)用數(shù)值模擬和施工監(jiān)測(cè)手段為施工提供重要的理論依據(jù)，對(duì)判斷施工期間鋼梁、預(yù)應(yīng)力拉索和混凝土梁整體安全起到重要作用。

1 工程概況

咸陽市民文化中心(效果圖如圖1所示)項(xiàng)目，位于咸陽市北塬新城文化中心地塊，共分為兩期建設(shè)。青少年宮建筑面積約1.098萬m2，地下1層，地上5層，建筑高度24 m；其中鋼連廊(如圖2所示)部分位于青少年宮一層樓面處連接?xùn)|西兩個(gè)建筑物，跨度達(dá)到21.5 m，一邊并連接三跑鋼樓梯，所用鋼材均為Q345B，采用兩種規(guī)格的H型鋼(H600×300×16×12,H550×200×12×16)，7號(hào)樓梯采用箱型截面型鋼(□500×250×10×16,□300×300×12×12)，踏步板采用14 mm厚鋼板焊接而成；預(yù)應(yīng)力鋼索采用長(zhǎng)6.17 m的φ32鋅—5%鋁—混合稀土合金鍍層鋼絞線，一端固接在鋼筋混凝土梁上，另一端鉸接在鋼梁上。

2 施工技術(shù)

根據(jù)工程實(shí)施過程，制定以下方案：預(yù)應(yīng)力施工張拉方案、施工監(jiān)測(cè)方案和施工模擬方案。

本工程鋼連廊通過預(yù)應(yīng)力拉索懸掛于上層鋼筋混凝土梁上，根據(jù)張拉的技術(shù)特點(diǎn)，將施工分為以下步驟：第一步混凝土結(jié)構(gòu)的施工及預(yù)埋件的安裝；第二步待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度以后，進(jìn)行鋼連廊結(jié)構(gòu)鋼梁的安裝；第三步預(yù)應(yīng)力拉索的安裝以及預(yù)應(yīng)力張拉施工。其中第三步為鋼連廊施工的核心步驟。

2.1 預(yù)應(yīng)力施工張拉方案

預(yù)應(yīng)力施工張拉設(shè)計(jì)應(yīng)確定施工順序，尤其是制索和預(yù)應(yīng)力張拉過程的順序。對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力的過程應(yīng)根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)類型分別采用改變剛性桿件或柔性索的長(zhǎng)度等方法。施加預(yù)應(yīng)力，使預(yù)應(yīng)力能夠分布到整個(gè)結(jié)構(gòu)，達(dá)到預(yù)加應(yīng)力的目的，這個(gè)預(yù)應(yīng)力過程必須與設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力施加過程相一致。實(shí)際的預(yù)應(yīng)力施加過程作為非線性疊加步加以分析，對(duì)于預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)來說應(yīng)區(qū)分其初始幾何狀態(tài)和預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，有些預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)初始幾何的張拉過程與施加預(yù)應(yīng)力過程并不一致，這時(shí)預(yù)應(yīng)力過程必須根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)情況加以區(qū)分，即首先完成曲線或曲面的張拉過程，再考慮為結(jié)構(gòu)提供剛度的過程。簡(jiǎn)言之，預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容就是確定預(yù)應(yīng)力過程的次序、步驟、采用的機(jī)械設(shè)備、每次預(yù)應(yīng)力施加的張拉值，同時(shí)控制結(jié)構(gòu)的整體受力和變形。

本工程共有6條預(yù)應(yīng)力張拉索，拉索施加初始預(yù)張力為60 kN，預(yù)應(yīng)力施工過程應(yīng)按一定的速率逐步張拉，因?yàn)樵诿恳浑A段預(yù)應(yīng)力過程中，結(jié)構(gòu)都經(jīng)歷一個(gè)自適應(yīng)的過程，結(jié)構(gòu)會(huì)經(jīng)過自平衡而使內(nèi)力重分布，形狀也隨之改變，拉索的索力會(huì)相互影響。經(jīng)計(jì)算分析分3級(jí)張拉施工(見圖3)，每級(jí)張拉時(shí)均從西向東以2根對(duì)稱的拉索同時(shí)張拉20 kN，考慮張拉的施工工藝及預(yù)應(yīng)力損失每次超張拉5%。預(yù)應(yīng)力張拉具體施工步驟為：

1)安裝1號(hào)和6號(hào)拉索，并同時(shí)緩慢的張拉兩根索使其張拉力達(dá)到21 kN，進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄；

2)待結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)，再安裝2號(hào)和5號(hào)拉索并對(duì)其張拉使拉索拉力達(dá)到21 kN，進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄；

3)待結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，再安裝3號(hào)和4號(hào)拉索并對(duì)其張拉使拉索拉力達(dá)到21 kN，進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄；

4)再從3號(hào)和4號(hào)拉索依次開始重復(fù)上述步驟，最終使拉索拉力達(dá)到63 kN。

2.2 監(jiān)測(cè)方案

為保證鋼結(jié)構(gòu)以及上部連接鋼筋混凝土梁在施工期間的安全，并使鋼絲繩張拉的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)與設(shè)計(jì)要求相符，必須對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度、張拉過程中鋼絲繩的拉力及鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

本次結(jié)構(gòu)施工過程中的變形監(jiān)測(cè)采用自動(dòng)靜力水準(zhǔn)儀加人工水準(zhǔn)儀采集，應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用振弦式應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)，鋼絲繩的拉力通過油壓傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。油壓傳感器安裝于液壓千斤頂油泵上，通過專用傳感器讀數(shù)儀可隨時(shí)監(jiān)測(cè)到預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的拉力。此次監(jiān)測(cè)，布置32個(gè)振弦式應(yīng)變計(jì)和7個(gè)靜力水準(zhǔn)儀(其中1個(gè)靜力水準(zhǔn)儀設(shè)置在基準(zhǔn)點(diǎn)上)，2組油壓傳感器來進(jìn)行鋼索監(jiān)測(cè)。應(yīng)力與變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖4。

2.3 施工數(shù)值模擬方案

復(fù)雜工程應(yīng)根據(jù)有限元軟件進(jìn)行定量分析計(jì)算，通過數(shù)值模擬以掌握結(jié)構(gòu)受力和變形的特征并獲得理論數(shù)據(jù)，驗(yàn)證施工方案的可行性。

數(shù)值模擬采用SAP2000進(jìn)行建模計(jì)算(見圖5)，其中鋼梁和張拉索用框架單元和索單元模擬，預(yù)應(yīng)力的實(shí)現(xiàn)通過在索單元施加溫度荷載(降溫法)來實(shí)現(xiàn)；根據(jù)預(yù)應(yīng)力張拉施工方案，分為3級(jí)張，施加溫度荷載時(shí)以同一橫軸上的兩根索為一組同時(shí)施加，依次從左邊向右邊連續(xù)施加，這個(gè)過程在SAP2000中定義為階段施工分析，整個(gè)數(shù)值模擬的過程分為9步：1)建立有限元模型，從最左邊第一組索開始，施加21 kN的預(yù)應(yīng)力；2)在第一步的基礎(chǔ)上，給中間一組拉索施加21 kN預(yù)應(yīng)力；3)接著再給最右邊的一組拉索施加21 kN的預(yù)應(yīng)力；4)再從最右邊開始重復(fù)以上步驟，每次施加21 kN增量的預(yù)應(yīng)力，完成步驟5)～步驟9)。

3 數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

數(shù)值模擬結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力張拉施工過程中：1)鋼梁上下翼緣的應(yīng)力基本保持在80 MPa以下，剛梁處于彈性工作狀態(tài)；鋼梁在與樓梯接觸部分應(yīng)力最大；遠(yuǎn)離樓梯一側(cè)的鋼梁應(yīng)力一般大于接近樓梯側(cè)的鋼梁應(yīng)力；2)拉索的應(yīng)力基本保持在60 MPa以下，處于彈性工作狀態(tài)，拉索全程受拉；3)結(jié)構(gòu)主要連接點(diǎn)的位移值基本保持在30 mm以下，遠(yuǎn)離樓梯一側(cè)的鋼梁變形一般大于接近樓梯側(cè)的鋼梁變形，結(jié)構(gòu)變形處于可控狀態(tài)。

圖6為咸陽市市民文化中心鋼連廊中鋼梁應(yīng)力的數(shù)值模擬與施工監(jiān)測(cè)結(jié)果。測(cè)點(diǎn)17號(hào)上弦和測(cè)點(diǎn)12號(hào)上弦數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的應(yīng)力值比較接近，應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，在整個(gè)張拉過程中，測(cè)點(diǎn)17號(hào)上弦數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的應(yīng)力偏差最大為-54.15 kN和-42.35 kN，偏差為20%；測(cè)點(diǎn)12號(hào)下弦數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的應(yīng)力偏差最大為15.41 kN和19.29 kN，偏差為20%；且均處于彈性階段。對(duì)于豎向位移，數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)除在初期和末期偏差較大外，其他過程數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)比較接近，說明結(jié)構(gòu)變形在施工初期和末期受施工影響比較大，中間階段受影響較小，數(shù)據(jù)吻合較好。施工過程中，結(jié)構(gòu)最大變形為25.4 mm<86 mm(L/250)，結(jié)構(gòu)處于彈性階段。

4 結(jié)語

通過對(duì)咸陽市市民文化中心青少年宮預(yù)應(yīng)力鋼連廊的施工過程模擬和施工監(jiān)測(cè)分析，得到以下結(jié)論：

1)預(yù)應(yīng)力施工過程中對(duì)主要受力桿件的應(yīng)力、主要節(jié)點(diǎn)的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)非常關(guān)鍵。

2)本項(xiàng)目數(shù)值模擬和施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在整個(gè)施工過程中，鋼梁上下翼緣的應(yīng)力值都保持在80 MPa以下，變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移基本保持在30 mm以下，結(jié)構(gòu)始終處于彈性狀態(tài)，張拉過程結(jié)構(gòu)是安全的，施工方案是可行的。

3)數(shù)值模擬和施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，部分?jǐn)?shù)據(jù)存在偏差，考慮到施工人員的操作水平和偶然施工因素，這些偏差尚處于可控狀態(tài)。

參考文獻(xiàn):

[1] 錢稼茹,張微敬,趙作周,等.北京大學(xué)體育館鋼屋蓋施工模擬與監(jiān)測(cè)[J].土木工程學(xué)報(bào),2009，42(9):13-20.

[2] 劉紅波,陳志華,牛 犇.弦支穹頂結(jié)構(gòu)施工過程數(shù)值模擬及施工監(jiān)測(cè)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2012，33(12):79-84.

[3] Reynier M, Abou-Kandil H.Sensors location for updating problems[J]. Mechanical Systems and Signal Processing,1999，13(2):297-314.

[4] Little R J,Rubin D B.Statistical analysis with missing data[M].New York:John Wiley & Sons,1987.

[5] Tsikriktsis N. A review of techniques for treating missing data in OM survey research[J].Journal of Operations Management，2005，24(1):53-62.

[6] 鄭毅敏,孫華華,趙 昕,等.大跨度高空鋼結(jié)構(gòu)連廊的有限元模型修正[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào),2009，22(1):105-109.

[7] 陸 通.武漢國際博覽中心橢球體鋼連廊施工階段仿真分析[J].施工技術(shù),2015，44(17):5-8.

[8] 孫連波.鋼結(jié)構(gòu)連廊安裝施工方法及力學(xué)分析[J].施工技術(shù),2015,44(11):26-28.

[9] 陳偉軍,劉永添,蘇艷桃.帶連廊高層建筑連接方式設(shè)計(jì)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2009,14(6):73-76.

[10] 鄭毅敏,孫華華,趙 昕,等.杭州市民中心高空連廊動(dòng)力特性分析與測(cè)試[J].土木工程學(xué)報(bào),2009，42(2):73-79.