某鋼結(jié)構(gòu)辦公樓項(xiàng)目預(yù)應(yīng)力拉索施工技術(shù)

邱時(shí)秒，趙家歡，郭驊銳，蘇偉泓，黃彩彬

（中國(guó)建筑第二工程局有限公司華南分公司，廣東 深圳 518000）

1 引言

將預(yù)應(yīng)力拉索結(jié)構(gòu)引入鋼結(jié)構(gòu)體系，目的是提高結(jié)構(gòu)承載力、降低結(jié)構(gòu)壓力、增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，組合后的結(jié)構(gòu)一般稱之為預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系。趣店科技金融創(chuàng)新園區(qū)項(xiàng)目主體工程1#樓采用“核心筒+巨型拱懸吊體系”，通過(guò)巨型拱結(jié)構(gòu)體系將鋼結(jié)構(gòu)主樓荷載傳遞至核心筒，再通過(guò)核心筒傳遞至基礎(chǔ)受力結(jié)構(gòu)，為避免巨型拱結(jié)構(gòu)帶來(lái)的水平推力對(duì)核心筒受力結(jié)構(gòu)造成影響，設(shè)計(jì)引入預(yù)應(yīng)力拉索體系，用于平衡巨型拱結(jié)構(gòu)對(duì)兩側(cè)核心筒的推力。

2 工程概況

趣店科技金融創(chuàng)新園區(qū)項(xiàng)目位于廈門市同安區(qū)，其中，1#樓建筑造型呈回字形，建筑面積113 500 m2，地上9層，建筑高度45.8 m，層高4.2 m，主樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)外邊邊長(zhǎng)139.2 m，內(nèi)邊邊長(zhǎng)84.0 m。采用鋼骨混凝土筒+巨型拱懸吊結(jié)構(gòu)體系，由8個(gè)核心筒、各樓層鋼梁、巨型拱、水平桁架和吊柱組成。8個(gè)核心筒之間設(shè)置巨型折線拱，拱上部及中部分別設(shè)置水平桁架和拉梁，拱下部設(shè)置拉索共同形成自平衡體系。結(jié)構(gòu)荷載通過(guò)吊柱、巨型折線拱、拉索等結(jié)構(gòu)將主樓荷載傳遞至核心筒結(jié)構(gòu)。

本工程巨型拱跨越7層、8層、9層，預(yù)應(yīng)力鋼拉索位于7層鋼梁位置，連接?xùn)|、西、南、北直線段7層鋼骨柱拱腳節(jié)點(diǎn)，每個(gè)直線段8根，共32根。其中，上排鋼拉索位于7層鋼梁上方，下排鋼拉索穿過(guò)7層鋼梁腹板。預(yù)應(yīng)力鋼拉索直徑為φ125 mm，材質(zhì)為高釩鍍層索，抗拉強(qiáng)度≥1 670 MPa，索體彈性模量為（1.6±0.1）×105MPa。

3 施工重點(diǎn)及難點(diǎn)分析

本項(xiàng)目施工中主要有以下重點(diǎn)和難點(diǎn)：（1）本工程拉索沿著拱下布置，主要作用為平衡拱架對(duì)兩側(cè)柱的推力，拱桁架施工過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力的施加需滿足設(shè)計(jì)意圖，即減小拱架對(duì)柱的推力，確保拱腳推力在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。（2）拱桁架采用隨結(jié)構(gòu)層施工分段安裝的方法，由于拱架在施工受荷過(guò)程中，拉索索力在各個(gè)狀態(tài)各不相同，需要對(duì)各個(gè)狀態(tài)的索力進(jìn)行精確計(jì)算，并在施工過(guò)程中對(duì)索力和結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保施工過(guò)程的安全。（3）拱跟隨主體結(jié)構(gòu)施工，預(yù)應(yīng)力的施加是一個(gè)關(guān)鍵工序，因此，需要對(duì)施工不同階段進(jìn)行施工仿真計(jì)算，并在施工中進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)，確保施工過(guò)程的安全和質(zhì)量。（4）本工程中將采取可靠的監(jiān)測(cè)手段，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼索的張拉力和結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確保結(jié)構(gòu)施工期的安全，保證結(jié)構(gòu)張拉完成后狀態(tài)與原設(shè)計(jì)相符。

4 施工仿真計(jì)算

4.1 施工仿真計(jì)算目的

施工仿真計(jì)算是預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工中的重要工作。因?yàn)槭┕み^(guò)程會(huì)使結(jié)構(gòu)經(jīng)歷不同的初始幾何態(tài)和預(yù)應(yīng)力態(tài)，實(shí)際施工過(guò)程必須與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)吻合，嚴(yán)格遵守加載方式、加載次序及加載量級(jí)。理論上，結(jié)構(gòu)初始幾何態(tài)和預(yù)應(yīng)力態(tài)的分析理論和方法不同。在施工中嚴(yán)格組織施工順序，包括確定加載方式非常必要[1]，且具有重要的意義：（1）驗(yàn)證張拉方案的可行性，確保張拉過(guò)程的安全。（2）給出每步張拉的鋼索張拉力，為實(shí)際張拉時(shí)確定張拉力提供理論依據(jù)。（3）給出每步張拉的結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力分布，為張拉過(guò)程中的變形及應(yīng)力監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)。（4）根據(jù)計(jì)算出來(lái)的張拉力選擇合適的張拉機(jī)具，并設(shè)計(jì)合理的張拉工裝。（5）確定合理的張拉順序。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

本次采用有限元分析軟件Midas，按照?qǐng)D紙對(duì)結(jié)構(gòu)建立計(jì)算模型，構(gòu)件規(guī)格、邊界條件和圖紙一致。結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)計(jì)算并考慮1.1倍的系數(shù)，采用初拉力的方式模擬預(yù)應(yīng)力的施加[2]。因計(jì)算過(guò)程繁復(fù)，本文僅提供分析結(jié)論做討論研究。

4.2.1 同一拱腳之間拉索張拉順序的影響（4根索之間的影響）

工況對(duì)比：選取西側(cè)內(nèi)側(cè)拱腳4根拉索。工況1：先張拉上層2根索，記錄張拉后索力值；工況2：張拉下層2根索，計(jì)算上層鋼索索力變化情況。發(fā)現(xiàn)上層索的索力由4 739 kN變?yōu)? 634 kN，4 722 kN變?yōu)? 608 kN，變化率分別為2.2%和2.4%。

結(jié)論一：同一拱腳之間拉索張拉順序的影響≤3%，超張拉3%可以滿足索力要求。

4.2.2 相鄰拱腳之間拉索張拉順序的影響

工況對(duì)比：選取西側(cè)8根拉索對(duì)比計(jì)算。工況1：張拉內(nèi)側(cè)拱腳4根索，記錄張拉后索力值；工況2：張拉外側(cè)拱腳4根索，計(jì)算內(nèi)側(cè)索力變化情況。張拉外側(cè)拱腳過(guò)程中，內(nèi)側(cè)拱腳索力平均降低了30 kN，降低比例為0.6%。

結(jié)論二：相鄰拱腳之間拉索張拉順序的影響非常小。

4.2.3 相對(duì)面之間拉索張拉順序的影響

工況對(duì)比：選取東側(cè)和西側(cè)拉索進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，工況1：張拉西側(cè)8根索，記錄張拉后索力值；工況2：張拉東側(cè)，8根索，計(jì)算西側(cè)索力變化情況。在東側(cè)張拉過(guò)程中觀察西側(cè)索力幾乎沒(méi)有變化。

結(jié)論三：相對(duì)面之間拉索張拉順序幾乎沒(méi)有影響。

4.2.4 相鄰面之間拉索張拉順序的影響

工況對(duì)比：選取東西兩側(cè)和南北兩側(cè)拉索進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。工況1：張拉東西兩側(cè)全部拉索，記錄張拉后索力值；工況2：張拉南北兩側(cè)全部拉索，計(jì)算東西兩側(cè)索力變化情況。在南北兩側(cè)張拉過(guò)程中觀察東西兩側(cè)索力幾乎沒(méi)有變化。

結(jié)論四：相垂直面之間拉索張拉順序幾乎沒(méi)有影響。

5 預(yù)應(yīng)力拉索施工方案

5.1 總體施工方案

預(yù)應(yīng)力拉索的安裝穿插在結(jié)構(gòu)的安裝過(guò)程中，拉索分兩次進(jìn)行張拉，具體如下：（1）在鋼結(jié)構(gòu)卸載前進(jìn)行第一次張拉，張拉到索力的40%。直邊分區(qū)拱及水平桁架施工形成整體后，進(jìn)行第一次拉索張拉。按照北側(cè)→東側(cè)→南側(cè)→西側(cè)的分區(qū)順序依次進(jìn)行。（2）在3~7層樓板混凝土澆筑（除拉索張拉需預(yù)留洞口區(qū)域）之后，張拉到索力的100%。

拉索編號(hào)示意圖如圖1所示。本工程共4面，每面2個(gè)拱腳，每個(gè)拱腳4根索，共32根索。按每側(cè)進(jìn)行拉索編號(hào)，東側(cè)8根拉索編號(hào)為東-1~東-8，其中，內(nèi)側(cè)拱腳4根拉索，上層為東-1和東-2，下層為東-3和東-4；外側(cè)拱腳4根拉索，上層為東-5和東-6，下層為東-7和東-8。南側(cè)拉索編號(hào)為南-1~南-8，西側(cè)拉索編號(hào)為西-1~西-8，北側(cè)拉索編號(hào)為北-1~北-8，編號(hào)原則與東面相同。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果分析可見(jiàn)，各側(cè)面之間及每個(gè)側(cè)面的兩組拉索的張拉順序影響非常小，故按實(shí)際北側(cè)→東側(cè)→南側(cè)→西側(cè)的分區(qū)施工順序依次進(jìn)行張拉，同一分區(qū)內(nèi)的從外側(cè)到內(nèi)側(cè)、從上到下的順序均衡對(duì)稱進(jìn)行張拉。以東側(cè)為例，具體順序如下：①東-2及東-5→②東-1及東-6→③東-4及東-7→④東-3及東-8。

施工順序如下：（1）地上核心筒第五節(jié)鋼骨柱安裝，7層鋼梁安裝，拉索安裝。（2）土建地上7層核心筒結(jié)構(gòu)施工，8層鋼梁安裝。（3）地上核心筒第6節(jié)鋼骨柱安裝，即核心筒鋼骨柱安裝完成，9層水平桁架、7~9層間巨型拱安裝，8~9層間吊桿分段嵌補(bǔ)暫不安裝。（4）土建地上核心筒頂層混凝土施工，9~R層非核心筒連接區(qū)域水平桁架及巨型拱安裝。（5）土建地上核心筒頂層混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，9~R層核心筒與桁架連接區(qū)域的水平桁架及巨型拱安裝。（6）鋼拉索張拉至索力的40%。（7）卸荷后開(kāi)始拆除臨時(shí)支撐，澆筑完成3~7層樓板混凝土后，鋼拉索張拉至索力的100%。

5.2 預(yù)應(yīng)力拉索安裝

本工程預(yù)應(yīng)力拉索最大跨度49.6 m，單根索重約70 kg/m，錨具重約2 t，單根拉索總重約6 t。在放索過(guò)程中為了保護(hù)拉索，拉索和胎架不能發(fā)生碰撞，因此，對(duì)高空放索安全要求很高。

本工程采用320 t（SCC3200A-1）履帶吊將拉索調(diào)節(jié)端吊起，將固定端吊至耳板位置，用倒鏈進(jìn)行固定端安裝，然后將下層拉索放置于6~7層間圓管支撐角鋼上，上層拉索鋪平放置于7層鋼梁樓面上，再用倒鏈進(jìn)行調(diào)節(jié)端的安裝。

具體施工步驟如下：（1）6~7層間的圓管臨時(shí)支撐安裝完成后，將下層拉索兩端分別固定在履帶吊的主鉤、副鉤，然后履帶吊將拉索吊運(yùn)至拱腳固定端安裝位置，調(diào)節(jié)端懸吊在空中。（2）安裝工人在核心筒外架上用倒鏈將固定端慢慢拉送至拱腳連接板處，插入插銷。（3）履帶吊將拉索調(diào)節(jié)端吊運(yùn)至對(duì)面（調(diào)節(jié)端拱腳），拉索中間部分放置于6~7層間圓管支撐角鋼上（共3個(gè)圓管支撐，其間距為12.6m），拉索調(diào)節(jié)端臨時(shí)固定在拱腳連接板處。（4）依次安裝下層拉索（共8根），拉索安裝完成，安裝7層鋼梁。（5）安裝上層拉索，步驟與第一步、第二步相同，拉索放置在鋼梁表面的U形槽中。（6）在下層拉索與鋼梁相交處，用手動(dòng)葫蘆將下層拉索提升至拉索孔中，補(bǔ)焊原鋼梁預(yù)留洞。

5.3 預(yù)應(yīng)力拉索張拉

5.3.1 預(yù)應(yīng)力鋼索張拉前標(biāo)定張拉設(shè)備

根據(jù)設(shè)計(jì)提供的拉索預(yù)應(yīng)力值進(jìn)行施工仿真計(jì)算，張拉力最大約為470 t，采用2個(gè)250 t千斤頂、油泵及張拉工裝等設(shè)備。根據(jù)設(shè)計(jì)和預(yù)應(yīng)力工藝要求的實(shí)際張拉力對(duì)千斤頂、油壓傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

5.3.2 預(yù)應(yīng)力張拉流程

通過(guò)原拱腳處預(yù)留的張拉耳板，將張拉工裝及千斤頂連接固定。張弦主索在桁架一端設(shè)置調(diào)節(jié)端，采用一端張拉的方式，單端張拉。主索分兩級(jí)張拉，分別為40%，100%。在鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后、卸載之前，進(jìn)行第一次張拉，張拉到索力的40%，拉索依次進(jìn)行安裝和張拉；卸荷后，開(kāi)始拆除臨時(shí)支撐，在澆筑完成3~7層樓板混凝土后，對(duì)拉索張拉至索力的100%。第一次拉索張拉完成后，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行卸載，需考慮卸載對(duì)索力的影響。

具體施工步驟如下：（1）在6層桁架板即拉索張拉端底部搭設(shè)操作架。（2）利用塔吊將安裝千斤頂、油泵及張拉工裝等設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)至拉索張拉端，操作人員站在操作架，利用手動(dòng)葫蘆進(jìn)行輔助安裝。（3）張拉設(shè)備安裝完成后，進(jìn)行第一次張拉，在張拉的過(guò)程中，隨著拉索長(zhǎng)度增長(zhǎng)，通過(guò)擰動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿，將拉索鎖緊，記錄拉力值及伸長(zhǎng)量等數(shù)據(jù)，拆除張拉設(shè)備及操作架。（4）3~7層樓板混凝土澆筑完成后，對(duì)鋼拉索進(jìn)行第二次張拉，同樣通過(guò)擰動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿，將拉索最終鎖緊，記錄拉力值及伸長(zhǎng)量等數(shù)據(jù)，拆除張拉設(shè)備及操作架。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)趣店科技金融創(chuàng)新園區(qū)項(xiàng)目主體工程1#樓上部主樓預(yù)應(yīng)力拉索設(shè)計(jì)、施工工藝及施工仿真計(jì)算進(jìn)行分析研究，總結(jié)出了一套預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)通過(guò)預(yù)應(yīng)力拉索施工仿真計(jì)算證明了預(yù)應(yīng)力拉索之間張拉順序的相互影響不超過(guò)3%，拉索超張拉3%能夠抵消這部分影響，為今后類似預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工提供了可靠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。