預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)拉索張拉施工工藝研究及工程應(yīng)用
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陳 茜，朱 瑩，張 強，梁存之，馮大斌
（中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013）
[摘要]預(yù)應(yīng)力拉索張拉是預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，張拉工藝是否合理直接影響張拉方案的可行性及施工操作的便捷性。基于索頭形式及端部錨固特點對張拉工裝進行分類。結(jié)合大量工程實踐給出不同類型工裝的設(shè)計要點、張拉工藝要求及適用范圍。對張拉過程中常見問題進行分析與總結(jié)，并提出合理化建議。探討在總體張拉工藝設(shè)計、產(chǎn)品與工藝結(jié)合、工裝的通用性與設(shè)計原則等方面應(yīng)關(guān)注和解決的問題。
[關(guān)鍵詞]鋼結(jié)構(gòu)；預(yù)應(yīng)力；拉索；張拉；千斤頂；工裝
[中圖分類號]TU394 [文章編號]1002 -8498（2016）09 -0066-05
0 引言
將預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)，不僅可以增加結(jié)構(gòu)剛度，減輕結(jié)構(gòu)自重，減少耗鋼量，增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還能創(chuàng)造出新的結(jié)構(gòu)體系，尤其在大跨度鋼結(jié)構(gòu)中效果更為顯著，因此預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)近年來得到廣泛應(yīng)用。
預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工過程控制要求高，達到“力”與“形”的統(tǒng)一難度大。在結(jié)構(gòu)總體張拉方案確定后，施工操作是否便捷高效取決于張拉工藝設(shè)計是否合理。因此，預(yù)應(yīng)力的施加是預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工過程中最關(guān)鍵工序之一。實際工程中拉索多在高空安裝、張拉，高空作業(yè)難度大，且索頭形式各異，錨固節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜，張拉空間狹窄等給工裝設(shè)計增加了難度。結(jié)合工程實踐，本文對拉索張拉施工工藝進行研究，并提出合理化建議。
1 預(yù)應(yīng)力拉索張拉工藝
預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中拉索的施工主要分為安裝和張拉兩個步驟。
拉索的安裝一般是采用倒鏈并配以簡單的工具或工裝將其安裝到結(jié)構(gòu)上；但大規(guī)格、超長拉索還需要輔助起重機。由于各個工程的場地條件、索的質(zhì)量不同，需要根據(jù)工程的具體情況制定合理的安裝方案。
一般的拉索張拉需要使用千斤頂和輔助張拉工裝，而鋼絞線群錨拉索的張拉方法與普通預(yù)應(yīng)力混凝土中鋼絞線的張拉類似，多數(shù)情況不需要工裝。目前工程中運用最多的是成品索，而成品索的張拉基本上每個工程都需要專門設(shè)計張拉工裝，而且在滿足使用要求的情況下越簡單越好。對于比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，有可能需要整體同步張拉，這不僅需要自動同步張拉設(shè)備，工裝設(shè)計也更為復(fù)雜。
工裝設(shè)計需要綜合考慮索頭形式和尺寸、錨固節(jié)點形式和構(gòu)造尺寸、配套張拉機具以及操作空間等因素，其中索頭形式是最關(guān)鍵的決定因素。根據(jù)工裝設(shè)計原理不同，將索頭的基本形式分為兩大類：銷接連接和螺母旋緊錨固連接。銷接連接是最常用的連接方式，適用于單叉耳式及雙叉耳式索頭；螺母旋緊錨固連接適用于螺桿式索頭或鋼棒，如冷鑄錨等。根據(jù)索頭和錨固節(jié)點形式的不同，張拉工裝設(shè)計及張拉工藝可分為以下幾種情況。
1.1 鋼絞線群錨拉索
鋼絞線群錨拉索的錨頭錨固在鋼結(jié)構(gòu)端部或混凝土支撐結(jié)構(gòu)上，根據(jù)鋼絞線的數(shù)量和張拉力選擇相應(yīng)規(guī)格千斤頂和配套工具錨，然后再進行張拉。但是對于超大型的鋼絞線拉索，需要專門設(shè)計工裝及錨具。新保利大廈的拉索最大的由199根1 860MPa級HDPE涂層ɸs15.2鋼絞線組成，計算索力超過16 000kN，沒有現(xiàn)成的穿心式千斤頂可以使用，因此使用4臺500t千斤頂，采用如圖1所示的工裝進行張拉，其張拉過程與穿心式千斤頂張拉普通預(yù)應(yīng)力筋的施工過程完全相同。
1.2 螺桿式索頭拉索
螺桿式索頭、冷鑄錨和鋼棒的錨固形式如圖2所示。這類拉索張拉時需要用到的設(shè)備和工裝通常為穿心式千斤頂、撐腳、工裝拉桿、工裝螺母、連接螺母等。施工時，通過連接螺母將索頭的螺桿與工裝拉桿連接，采用穿心式千斤頂對工裝拉桿進行張拉。隨著千斤頂活塞頂出，拉索受力伸長，當(dāng)張拉力達到設(shè)計值時，活塞停止頂出，將錨固螺母擰緊，千斤頂活塞回程，工裝螺母承擔(dān)的力轉(zhuǎn)移到錨固螺母，張拉過程完畢。根據(jù)工程的不同特點，在工裝拉桿的連接和使用方式上采用不同的方案，例如對于鋼棒，如果結(jié)構(gòu)鋼棒本身外露長度足夠長，可以直接對結(jié)構(gòu)鋼棒進行張拉。當(dāng)拉索規(guī)格和索力較小時，可以采用一端帶有擠壓錨的鋼絞線作為工裝拉桿，用連接套連接鋼絞線和鋼棒或索頭螺桿。
中央電視臺新臺址地腳錨栓張拉施工和懸臂安裝時的預(yù)應(yīng)力錨栓張拉施工均采用了常規(guī)的螺桿式索頭張拉工裝。
中航技研發(fā)展示中心鋼結(jié)構(gòu)工程也使用了螺桿式索頭的拉索。張拉前先將索頭穿過結(jié)構(gòu)預(yù)留通道后套上螺母，然后安裝工裝和千斤頂進行張拉。為便于索的施工安裝，在螺桿端部增加一個螺紋孔，掛索時在螺紋孔中旋入一個吊耳供鋼絲繩連接用，為穿索施工提供方便，張拉時將工裝拉桿旋入螺紋孔直接與索頭螺桿連接，簡化了工裝。
冷鑄錨的錨頭尺寸一般較大，錨頭端部有內(nèi)螺紋，可以制作內(nèi)外均為螺紋的連接套，用于連接錨頭和工裝拉桿，如圖3所示。長江航道科研實驗新基地6號模型試驗大廳張弦桁架屋蓋預(yù)應(yīng)力拉索安裝張拉工程便采用了這種張拉工裝。
設(shè)計這類張拉工裝時，還需要考慮是否有足夠的空間放置撐腳。確定撐腳的高度和工裝拉桿的長度時既應(yīng)保證拉索張拉時的伸長量，也應(yīng)盡量節(jié)省材料。
1.3叉耳式拉索
叉耳式拉索是通過銷軸與錨固節(jié)點的耳板相連，其張拉基本原理是通過張拉調(diào)節(jié)拉索的受力長度，從而對結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力。
1.3.1普通叉耳式拉索
普通叉耳式拉索的張拉一般是在錨固耳板或結(jié)構(gòu)上設(shè)置反力點，同時在索體上設(shè)置反力梁，在拉索的兩側(cè)設(shè)置工裝索，用穿心式千斤頂對工裝拉索進行張拉，通過對2束工裝拉索進行張拉從而實現(xiàn)間接張拉預(yù)應(yīng)力拉索。
這類拉索最基本的張拉工裝由千斤頂、反力梁、工裝拉索、反力點組成，如圖4所示。對于一般的拉索，采用2束工裝索，用2臺千斤頂張拉；對于索力大的拉索，還可以采用4束工裝索和4臺千斤頂進行張拉。
雖然這類拉索的張拉方法原理相同，但是由于各廠家生產(chǎn)的索頭造型和尺寸均不相同，并且各工程設(shè)計的錨固節(jié)點復(fù)雜多樣，因此實際工程應(yīng)用中，這類拉索的張拉工裝還有很多變化。設(shè)計此類工裝時重點考慮以下問題。
1.3.1.1 工裝拉索的選用
工裝拉索一般采用鋼拉桿、鋼絞線或鋼筋，并配套相應(yīng)的錨具；當(dāng)選用鋼絞線作為工裝索時能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)自動張拉。對于張拉力較小的拉索，采用鋼絞線或鋼筋作為工裝拉索較方便；當(dāng)張拉力較大時，可采用較粗的鋼拉桿或者多根鋼絞線作為工裝拉索。
1.3.1.2 反力梁的設(shè)計
反力梁大多采用對拼或斜拼形式，安裝工裝時須將反力梁的兩部分夾在索頭的臺階處或者錐面上，并用螺栓固定為一體。當(dāng)反力梁夾在錐面上時，需要增加更多的螺栓以防止對拼的反力梁被脹開，因此應(yīng)盡量避免將反力梁夾在錐面上。在保證操作空間足夠的前提下，應(yīng)盡量縮小工裝索與拉索之間的距離，這樣反力梁所承受的彎矩較小，其截面也較小，既節(jié)省材料又減輕質(zhì)量，便于施工。當(dāng)2根拉索距離很近且張拉力相同時，可以對2根拉索同時進行張拉，此時反力梁需要同時夾住2根拉索。中航技研發(fā)展示中心鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力拉索張拉工程中便有4根拉索屬于這種情況，由于分別張拉沒有足夠的空間放置張拉工裝，因此采用同時張拉2根拉索的方法。
張拉力較小時，反力梁可用厚鋼板制作；拉力較大時，需要采用抗彎截面模量較大的箱形截面，從而達到既增強反力梁抗彎剛度又節(jié)省材料、減輕工裝質(zhì)量的目的。
1.3.1.3 反力點的設(shè)計
反力點可以選擇固定在與主體結(jié)構(gòu)相連的耳板上或主體結(jié)構(gòu)的其他位置，優(yōu)點是可以增加張拉時的間隙值，有利于旋緊調(diào)節(jié)螺桿；也可以選擇固定在索頭上，優(yōu)點是拆卸方便，能夠重復(fù)使用。
反力點的形式需要根據(jù)工程的具體情況進行設(shè)計，由于各工程錨固節(jié)點的形式各不相同，因此反力點是工裝中變化最多的部分，常用的有以下幾類形式。
1)采用可拆卸牛腿作為反力點，牛腿固定在索頭上，可重復(fù)拆卸使用，既操作方便又節(jié)省費用。大連市中心體育館和福州奧體中心體育館工程的張拉工裝就采用了可拆卸牛腿作為反力點。
2)在索頭與錨固耳板之間的空隙內(nèi)插入1根橫梁作為反力點，在張拉完畢后直接拆除即可。如圖5所示福州奧體中心體育館工程中另外一種張拉工裝，由于規(guī)格較小的拉索設(shè)計索力相對較小，索頭與錨固耳板之間的空間插入的橫梁剛好能夠滿足受力要求，因此能夠采用這種小巧輕便的反力點形式。
榀張弦梁的拉索由5根拉索組成。若按照常規(guī)施工方法需要對每榀張弦梁兩端的4根拉索同時進行張拉，這樣需要8臺千斤頂和4套張拉工裝同步進行張拉。由于張弦梁兩端的錨固節(jié)點處空間很小，設(shè)置反力點十分困難，因此采用了只張拉中間拉索的方法，這樣只需要使用2臺千斤頂和1套工裝。工裝固定端的反力梁放置在Y形耳板的分叉處，張拉完畢后可拆除移到下一榀張弦梁繼續(xù)使用，不僅節(jié)省施工成本，而且施工簡便（見圖6）。
3)當(dāng)拉索張拉工裝的反力點固定在拉索上，與結(jié)構(gòu)不發(fā)生關(guān)系時，工裝的尺寸只與拉索的尺寸和形狀有關(guān)。
1.3.2鋼拉桿
叉耳式錨頭的鋼拉桿一般在調(diào)節(jié)裝置處進行張拉。調(diào)節(jié)裝置由調(diào)節(jié)套筒、鎖緊螺母組成，套筒內(nèi)部有正反向的螺紋。張拉前套筒所連接的2根鋼拉桿之間有一定的距離，張拉時旋轉(zhuǎn)套筒使兩邊鋼拉桿均向中心旋進，通過縮短鋼拉桿的有效長度，使結(jié)構(gòu)中與鋼拉桿相連的構(gòu)件發(fā)生變形從而在鋼拉桿中建立起預(yù)應(yīng)力。張拉力較小的鋼拉桿直接用扭矩扳手?jǐn)Q緊調(diào)節(jié)套筒即可。
將張拉端反力梁和固定端反力梁夾在套筒兩端的鎖緊螺母外側(cè)，張拉時一邊張拉工裝索一邊旋緊套筒，當(dāng)張拉力達到要求時張拉完畢，張拉工裝可拆除繼續(xù)使用。滄州市城鄉(xiāng)規(guī)劃館鋼拉桿張拉工程便使用了這樣的工裝。
對于套筒調(diào)節(jié)式拉索和螺桿調(diào)節(jié)式拉索，其調(diào)節(jié)方式與叉耳式錨頭的鋼拉桿類似，張拉工裝與鋼拉桿的張拉工裝原理相同。
這種形式的工裝具有一定的通用性，對于規(guī)格相近的拉索，可以通過在反力梁上增加設(shè)有不同圓孔的對開墊板來適應(yīng)不同的拉索，拉索生產(chǎn)廠家也對這種形式的拉索設(shè)計了專用的張拉工裝。
1.3.3 特殊叉耳式拉索
長吉高速公路收費站雨篷結(jié)構(gòu)的拉索也是叉耳式拉索，但拉索的錨固節(jié)點固定在結(jié)構(gòu)的預(yù)埋錨桿上，拉索長度不能調(diào)節(jié)，張拉方法與普通的叉耳式拉索不同，它是通過對錨桿進行張拉從而調(diào)節(jié)錨固節(jié)點在錨桿上的位置，也相當(dāng)于調(diào)節(jié)索長。張拉錨桿需要使用撐腳、穿心式千斤頂和工具螺母，與螺桿式索頭拉索的張拉原理相同，但要保證多臺千斤頂?shù)耐叫裕ㄒ妶D7）。
1.4組合式拉索
雙螺桿調(diào)節(jié)型拉索的張拉端索頭結(jié)合了叉耳式索頭和螺桿式索頭的特點。
洛陽新區(qū)體育中心體育場的穩(wěn)定索采用雙螺桿叉耳式錨具。在安裝拉索時使用的工裝類似于叉耳式拉索的反力梁+焊接牛腿工裝，而張拉則采用螺桿式索頭的撐腳式張拉工裝對2根螺桿分別同步張拉。為減小安裝過程中的牽引力以方便施工，拉索安裝前應(yīng)將螺紋調(diào)節(jié)至較長狀態(tài)，使索體盡量長，同時保證螺紋最小錨固長度，確保安裝過程安全。
2 大型體育場索結(jié)構(gòu)整體同步張拉施工工藝
由于索膜結(jié)構(gòu)造型自由輕巧、安裝快捷、經(jīng)濟性好，近年來越來越多的大型體育場采用了索膜結(jié)構(gòu)形式。這類工程中拉索數(shù)量多，由于結(jié)構(gòu)成型和受力的要求較高，多采用整體同步張拉，其張拉工裝的設(shè)計需要結(jié)合整個結(jié)構(gòu)的施工方案進行。張拉工裝原理與普通叉耳式拉索相同，但是普通拉索一般是先掛好再張拉，張拉時如果設(shè)備和工裝出現(xiàn)問題，工人可以在錨固節(jié)點處的操作平臺上進行處理。而采用同步張拉方法施工時，多根拉索需要經(jīng)過一段較長距離的牽引后才掛上耳板，因此掛索和張拉是同一個過程。牽引過程中，拉索下部無支
撐，不需要人工干預(yù)；但是，一旦工裝或千斤頂出現(xiàn)問題，若在高空進行處理或維修非常困難，因此工裝的設(shè)計和制作要求更高。
此類工程的張拉工裝設(shè)計除了前文所述需要考慮的問題外，還需要重點考慮以下問題。
1)千斤頂?shù)奈恢?nbsp; 深圳寶安體育場是國內(nèi)首個大型輪輻式索桁架結(jié)構(gòu)工程，采用的張拉方案是先張拉上徑向索，再張拉下徑向索，掛索安裝和張拉均是一步完成。張拉過程中，自動連續(xù)張拉千斤頂固定在張拉端反力梁上，反力點的形式為在環(huán)梁上設(shè)置輔助耳板。工裝索采用2束19根ɸs15.2鋼絞線，位于拉索的水平兩側(cè)。施工時，安裝所有工裝和徑向索的張拉端錨頭，徑向索的固定端錨頭與環(huán)向索連接。采用自動連續(xù)張拉千斤頂對36根徑向索同步進行牽引和張拉，千斤頂和徑向索的索頭一同向錨固節(jié)點移動，環(huán)向索被同時提升和張拉。由于徑向索為定長索，在徑向索索頭與錨固耳板通過銷軸連接錨固時，張拉過程也就完成。
而樂清市體育場挑棚是月牙形非封閉空間索桁架結(jié)構(gòu)，上弦索和下弦索張拉時的工裝選擇將千斤頂放置在環(huán)梁上，通過銷軸固定在環(huán)梁內(nèi)側(cè)的輔助耳板上。
2)反力點的設(shè)置 由于寶安體育場的每個錨固節(jié)點同時錨固2根拉索，并呈上下分布，因此輔助耳板只能水平布置在錨固耳板的兩側(cè)，在環(huán)梁制作時就需要將輔助耳板插入環(huán)梁中。有的工程每個耳板上只錨固1根拉索，反力點的設(shè)置可以更加簡化，將錨固耳板擴大，在拉索受力軸線兩側(cè)對稱布置輔助拉索的錨固點，反力梁為立式放置，這樣的反力點只對耳板進行改動，對結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生影響（見圖8）。
反力點的設(shè)置方式與千斤頂?shù)姆胖梅绞娇梢愿鶕?jù)工程的具體情況選擇并自由組合。
此類工程的張拉工裝應(yīng)在保證受力安全的前提下，盡量設(shè)計輕巧，提高了施工便利性和經(jīng)濟性。
3 結(jié)語
通過對多個工程拉索張拉工藝尤其是張拉工裝設(shè)計的分析和總結(jié)，可得到如下結(jié)論。
1)拉索張拉的深化設(shè)計和張拉工裝設(shè)計工作應(yīng)盡早啟動，施工單位、工程設(shè)計人員和拉索生產(chǎn)廠家應(yīng)進行良好的溝通。一方面確保與拉索相連的錨固節(jié)點構(gòu)造、拉索錨具形式及其構(gòu)造等滿足張拉工藝要求。如果施工單位發(fā)現(xiàn)張拉錨固節(jié)點存在問題則應(yīng)提出合理的修改建議，便于采用合理、經(jīng)濟和操作方便的工裝設(shè)計方案。另一方面能夠及時了解拉索的構(gòu)造尺寸，還可通過對索頭提出可行的修改，便于更好地設(shè)計張拉工裝，提高施工的便利性和經(jīng)濟性。
2)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)形式的多樣性決定了索頭形式和錨固節(jié)點形式的多樣性。拉索張拉時，張拉機具與索頭和節(jié)點連接在一起，因此張拉工裝的設(shè)計除應(yīng)配合張拉方案的實施，還應(yīng)考慮索頭、錨固節(jié)點和張拉機具的匹配性，以及操作空間等影響因素。
3)為安全、經(jīng)濟、高效地完成張拉施工，進行張拉工藝設(shè)計時應(yīng)綜合考慮施工難度、工期、費用、安全性等因素。例如盡量采用少支架或無支架的施工方法以節(jié)省費用和工期，減少高空作業(yè)量，降低對起重機的要求，提高施工效率等。
4)隨著技術(shù)的發(fā)展，未來還有可能出現(xiàn)更多形式的拉索。建議拉索生產(chǎn)廠家在設(shè)計拉索索頭和調(diào)節(jié)裝置時應(yīng)考慮相應(yīng)的張拉工藝，為張拉工裝的設(shè)計提供更多的便利；也可以配套設(shè)計施工方便、有一定通用性的專用張拉工裝。
