温州机场张弦结构非张拉建立预应力施工技术

摘要： 张弦结构由上弦刚体、下弦柔性拉杆及其之间的刚性撑杆构成。异形张弦梁钢拉杆非张拉建立预应力施工技术，即在张弦梁安装阶段对上弦刚体进行预变形处理，并调节钢拉杆的长度，再通过卸载临时支撑，上弦刚体回弹，在撑杆的作用下钢拉杆被动受拉，从而为张弦梁建立预应力，临时支撑的卸载过程即为张弦梁的加载过程。实施该方法之前先进行全过程施工模拟计算，施工过程中进行应力-应变监测，施工完成后对钢拉杆进行内力检测。结果表明，该施工技术的力学原理成立，操作简便，内力转换高效，精度满足要求，对类似工程具有参考意义。

关键词： 张弦结构；钢拉杆；非张拉；预应力；施工技术

Abstract： The beam string structure consists of a rigid body at the top chord，a flexible tie rod at the bottom chord and a rigid strut between them. This paper introduces the construction technology of non-tensioned prestressing construction with steel tie rod of special-shaped beam string. In the installation stage of beam string，the rigid body of the upper chord is pre-deformed，and the length of the steel tie rod is adjusted. Then the temporary support is unloaded，and the steel tie rod is passively pulled under the action of strut，in order to establish prestress for beam string. The unloading process of temporary support is the loading process of beam string. Before the implementation of this method，the whole process of construction is simulated. Stress and strain monitoring is carried out during the implementation. After the completion of the construction，the internal force of the steel tie rod is detected. The results show that the mechanical principle of the construction technology is established，the construction is easy to operate，the internal force conversion is efficient，and the accuracy meets the requirements. This paper provides a reference for similar projects.

Keywords： beam string structure；steel tie rod；non-tensioned；prestress；construction technique

传统的对张弦结构建立预应力的施工方法是在受拉构件（钢拉杆、拉索）端部采用穿芯式千斤顶主动张拉，使张拉力或位移达到设计值。传统施工方法工序烦琐、工装设备复杂、成本高。当张弦结构异形、钢拉杆布置复杂或同一节间并联布置多根钢拉杆时，需多点同步加载、对称作业、多次调整，纯粹靠主动张拉难以满足要求 ^[1] 。

针对钢结构施工行业的这一难题，结合本工程张弦结构特点，提出非张拉建立预应力施工技术。该技术具有操作简便、内力转换高效、精度可控、经济性好等优点，且经过理论分析、项目实践和检测验证，实际结构反应与模拟计算结果吻合良好，具有较好的推广应用前景。

1　张弦结构概况

温州机场T2航站楼钢屋盖投影面积逾30,000㎡，采用钢网架结构，并在中部设置大型天窗，将屋盖分成左右对称两区。天窗整体长为115m，跨度为18~36m不等，采用复合三角星形张弦梁形式，由13榀X形张弦梁构成，张弦梁与两边网架结构铰接连接，属于异形张弦结构，如图1所示。

图1　钢屋盖及张弦天窗结构平面图

Fig.1　Structural plan of steel roof and beam string skylight

张弦立杆高度为3m，每榀张弦梁包含4根钢拉杆，共计52根钢拉杆（图2）。钢拉杆选用UU型等强钢拉杆（图3），每根钢拉杆均在跨中设置一个调节套筒；钢拉杆直径为60mm，强度等级为Q460和Q550级。张弦撑杆与刚性梁之间设置球铰节点，张弦撑杆为纯受压杆件，并调节钢拉杆受力的均匀性。

图2　张弦结构立面图（单位：mm）

Fig.2　Elevation of string structure（Unit：mm）

图3　单榀张弦结构

Fig.3　Single string structure

2　施工重难点分析

根据设计要求，钢拉杆的成型内力为250~350kN不等，钢拉杆内力允许误差为±25kN。

根据总体施工方案，屋盖网架和张弦天窗在楼面拼装，拼装成整体后将其提升至设计标高。屋盖卸载完毕后，安装金属屋面和天窗玻璃。

重难点1：13榀X形张弦梁并排布置，每两个X形张弦梁端部共用一个节点，即13榀X形张弦梁既相互独立又连为整体。钢拉杆施工过程中内力是互相关联的，若采用传统预应力施工方法逐榀张拉，则张拉当前钢拉杆的过程必然使前一榀钢拉杆的预应力发生损失。

重难点2：每个X形张弦梁由单轴对称布置的4根钢拉杆组成受拉下弦。若采用传统施工方法主动张拉建立预应力，则除一次性投入设备较多之外，钢拉杆内力的均匀性和撑杆的竖向垂直度均难以保证。

重难点3：本工程中，钢拉杆的抗拉承载力标准值达1,300kN，设计要求钢拉杆的成型内力为250~350kN，钢拉杆内力允许误差为±25kN。钢拉杆强度使用率仅为25%左右，钢拉杆受拉后伸长量为3~6mm，允许误差相对值小，这3个因素给预应力施工精度提出了较大挑战。

重难点4：根据温州机场屋盖总体施工方案，张弦天窗随屋盖整体提升，若高空原位张拉钢拉杆，则属于高空作业，操作平台等措施投入量大，且安全、质量、工期均难以保证。

重难点5：钢拉杆内力随屋盖施工状态的变化而变化，钢拉杆受力形态多样，内力变化幅度大。

3　张拉方案比选

常规预应力施工方法：（1）在拉杆、拉索端部采用穿芯式千斤顶主动张拉，使张拉力或位移满足设计要求；（2）若为钢拉杆且成型预应力要求较小时，也可采用扭矩法、转角法施工 ^[2] 。

常规方法的缺陷：（1）主动张拉法工序烦琐、工装设备复杂、成本高；（2）扭矩法和转角法仅适用于钢拉杆的预紧，市场现有扭矩扳手的量程为50kN；（3）两种方法都需要对称作业和多次调整，很难保证成型过程中钢拉杆内力的同步 ^[2] 。

鉴于以上情况，结合本工程张弦结构的特点和总体施工方案，提供一种张弦结构非张拉建立预应力施工方法，在施工前进行全过程施工模拟分析，施工过程中对钢拉杆内力进行监测。

4　非张拉建立预应力方法

4.1　钢拉杆预应力建立思路

将张弦梁计算模型的边界条件简化成一端铰接、一端弹性约束，弹簧刚度取值根据整体模型按实模拟计算，如图4、图5所示。图中，A、A ₁ 、A ₂ 分别为钢拉杆、刚性梁和张弦立杆的截面面积，E、E ₁ 、E ₂ 分别为钢拉杆、刚性梁和张弦立杆的弹性模量，W ₁ 为刚性梁的抗弯截面模量，K ₁ 、K ₂ 分别为水平、竖向弹簧刚度。

图4　X形交叉撑杆轴测图

Fig.4　Axonometric diagram of X-shaped cross brace

图5　张弦结构简图及各构件性能参数

Fig.5　Schematic diagram of string structure and performance parameters of each component

在X形交叉张弦结构撑杆处，采用千斤顶反顶刚性梁（图6），设反顶力为P，反顶位移为H，弹性约束端变形为Δ ₁ 和Δ ₂ （图7）。反顶力、反顶位移根据钢拉杆最终成型内力要求，采用有限元软件进行模拟，通过迭代计算求出。

反顶作业的控制标准为：反顶位移控制为主，反顶力控制为辅。须确保刚性梁在千斤顶反顶作用下处于弹性工作状态，避免产生塑性变形。

图6　反顶过程

Fig.6　Reverse jacking process

图7　张弦结构反顶态

Fig.7　Reverse jacking state of string structure

调整张弦撑杆垂直度，使其居中并垂直，消除因张弦撑杆位置偏差而引起的杆体内力不均匀，保证成型态位形满足要求和建筑视觉效果。调直钢拉杆，消除自重作用下初始变形对成型内力的影响，使钢拉杆两端点的几何间距缩短，设此时钢拉杆的长度为L（图8）。预紧钢拉杆，消除螺纹间隙以及销轴与孔壁之间的间隙，从而消除因初始间隙的存在而造成的预应力损失。

图8　钢拉杆调直、预紧态

Fig.8　Straightening and pretightening state of steel tie rod

卸载千斤顶，刚性梁回弹，弹性支座回弹，张弦撑杆受压，从而强迫钢拉杆受拉，千斤顶卸载的过程即为张弦梁的加载过程 ^[3] 。设此时钢拉杆内力为N，长度为L ₁ （图9）。体系重新建立平衡关系，从而为钢拉杆建立预应力。

图9　成型态位形

Fig.9　Forming position and shape

经分析，反顶力P与钢拉杆最终建立的预应力N呈非线性对应关系，需测量钢拉杆内力，若出现钢拉杆内力不足或超张拉，则只需重复“反顶—调直—预紧”的步骤或反向操作，就可使钢拉杆成型内力满足要求。

4.2　钢拉杆施工详细步骤

第1步：在9m标高楼面搭设支撑架，拼装张弦天窗。同步拼装天窗周边结构，张弦天窗与周边结构通过销轴节点连成整体。

第2步：安装并临时固定张弦撑杆，测量销孔间距，组装、安装钢拉杆。

第3步：采用千斤顶逐个反顶X形张弦梁中部交叉节点，反顶到计算位移值后，在支撑架顶部与钢梁之间加塞钢垫块。全部张弦梁加塞垫块完毕后，采用千斤顶逐个试探反顶，读取反力值校核。

第4步：采用手拉葫芦调直钢拉杆，从而消除初始下挠对钢拉杆成型内力的影响。采用扭矩扳手预紧钢拉杆，预紧力为10kN（N ₁ ）。

第5步：全部钢拉杆调直、预紧完毕后，再次利用千斤顶反顶刚性梁，抽出钢垫块，这一工序是对支撑架的卸载，同时也是对钢拉杆内力的加载。

第6步：测量钢拉杆初拉力（N ₂ ），若初拉力不满足要求，则重复“反顶—预紧—卸载”的步骤，直至初拉力满足要求。

第7步：初拉力满足要求后，张弦天窗随屋盖一起提升至设计标高，钢屋盖整体卸载，结构受力状态由临时支撑状态转换为设计自承重状态，测量钢拉杆成型态一的内力（N ₃ ）。

第8步：屋面及天窗玻璃安装完毕，测量钢拉杆成型态二的内力（N ₄ ）。

具体操作流程如图10所示。

图10　安装流程

Fig.10　Installation procedure

4.3　张拉控制目标和目的

根据预应力建立思路及操作步骤，张拉控制目标以内力控制为主，并采用频率法检测内力；以施工过程中千斤顶反顶位移控制为辅，该反顶值以施工模拟结果为参考值。另外，调直钢拉杆，控制自重作用下下挠对成型内力的不利影响；预紧钢拉杆，消除孔壁间隙对成型内力的不利影响。通过上述内力、位移和预紧3个方面的控制，确保张弦结构在提升后、成型态的内力和位形。

5　张拉计算分析

根据原设计对张弦结构预应力的要求，张弦结构成型时，各张弦梁钢拉杆允许的内力偏差为±25kN。

计算分析模型为屋盖整体模型，如图11所示。

图11　整体计算模型

Fig.11　Overall calculation model

计算目的1：通过整体模型模拟计算得出两侧主体结构对天窗张弦结构的弹性约束刚度，设水平刚度值为K ₁ ，竖向刚度值为K ₂ ^[4-5] 。

计算目的2：根据施工模拟目标值，逐次调整荷载值（模拟千斤顶反顶力），使钢拉杆初拉力在设计允许区间内。查看各支座处反力，未出现负值（图12），说明千斤顶反顶时，天窗结构与周边支撑未发生脱离。

通过上述两个计算目的，可以将计算模型简化，模型结构为天窗张弦结构，边界条件简化成竖向单向约束，水平方向采用上述弹簧刚度K ₁ 值等效模拟，千斤顶反力通过施加z向集中荷载模拟，如图13所示。

图12　千斤顶反顶时支座反力（单位：kN）

Fig.12　Reaction force of support during reverse jacking （Unit：kN）

图13　千斤顶竖向反顶力（单位：kN）

Fig.13　Vertical jacking force of Jack （Unit：kN）

通过施工模拟，试算出各张弦梁反顶力和反顶位移的标准值（图14）、最大值和最小值，标准值为现场施工时的目标值，最大值和最小值为避免超张拉或张拉力不足的控制值。并验算天窗杆件，确保其变形在弹性范围内。

图14　千斤顶反顶高度（单位：mm）

Fig.14　Jack reverse height （Unit：mm）

根据钢拉杆安装方案及要求，需预紧钢拉杆。预紧力为10kN，在计算模型中通过降温模拟实现（图15），计算公式为：ΔT=N/（αEA） ^[6] ，其中N=10kN、α=1.2×10 ^-5 ℃ ^-1 、E=2.06×10 ⁵ N·mm ^-2 、A=2,827.4mm ² ，求得ΔT=1.43℃。

图15　降温模拟

Fig.15　Cooling simulation

钢拉杆预紧完成后，卸载千斤顶和临时支撑，钢拉杆被动加载受力，将该内力值作为楼面拼装阶段钢拉杆内力的检测依据（图16）。

图16　钢拉杆内力（单位：kN）

Fig.16　Internal force of steel tie rod（Unit：kN）

6　施工质量保证措施

6.1　内力均匀性保证措施

（1）钢结构深化设计阶段优化施工图，钢拉杆为节间通长设置，且部分长度超出了运输长度限制，为便于制作、运输、安装，在深化设计阶段对钢拉杆进行分段处理。将所有钢拉杆统一分成两段，分段点投影在一条顺滑的曲线上，分段间采用可调节套筒连接，该套筒兼做张拉施工调节套筒。并在调节套筒中间预先设置卡槽，便于预紧作业（图17）。

图17　调节套筒及卡槽（单位：mm）

Fig.17　Adjusting sleeve and clamping groove（Unit：mm）

根据施工模拟分析，钢拉杆张拉调节长度为ΔL；同时，需考虑支座误差，即销孔间的制作、安装误差，支座误差根据钢结构施工规范取值，设为ΔL ₁ 。套筒调节能力理论区间为±（ΔL+ΔL ₁ ）。

钢结构深化设计阶段优化施工图，为保持同一张弦梁4根钢拉杆成型内力的均匀性，同时避免刚性撑杆受弯，对撑杆与刚性梁之间的连接进行铰接释放，设置为球铰节点（图18），从而保障了两两对称的钢拉杆内力的均匀性 ^[7] 。

图18　张弦撑杆顶部、底部节点

Fig.18　Top and bottom nodes of string strut

（2）反顶时，采用两台千斤顶对称布置在张弦撑杆两侧，对称同步反顶（图19）。

图19　现场施工

Fig.19　Construction site

（3）预紧：采用两个班组，在两侧对称作业，同步调直、预紧。并采用全站仪跟踪测量校正。

6.2　成型内力同步性控制技术

由于本工程中13个X形张弦梁并排布置，且相邻张弦梁之间共用一个端部节点，若顺序作业，则后一个张弦梁的张拉就会对前一个张弦梁造成放张。实际施工时，使用13个班组同步作业不具有可操作性。为避免钢拉杆预应力施工过程中因作业顺序对钢拉杆内力造成损失，采用分阶段同步作业法。

对13个X形张弦梁进行逐个反顶，反顶到计算位移后加塞钢垫块（图20）；全部张弦梁加塞垫块完毕后，采用千斤顶逐个试探反顶，读取反力值校核。调直、预紧所有钢拉杆，最后抽出垫块。在此工艺流程中，13个X形张弦梁反顶、调直预紧、卸载工序分阶段同步完成。

这一控制技术避免了因工序先后造成的预应力损失，保证了建立预应力的同步性，也与计算机张拉模拟分析条件设置相一致。

图20　刚性梁与支撑胎架之间钢垫块

Fig.20　Steel cushion block between rigid beam and support jig frame

6.3　成型内力、效果保证措施

（1）调直

根据第2节重难点3，钢拉杆对内力变化敏感。异形天窗中单根钢拉杆的长度为9~17m不等，钢拉杆在自重作用下的挠度为10~20mm，轴向拉力为10 ~20kN。自重作用下的挠度和内力相对于钢拉杆成型内力比重较大，其影响不可忽略，需首先对钢拉杆进行调直，消除初始下挠对钢拉杆成型内力的不利影响，保证成型视觉效果（图21）。

图21　张弦天窗成型效果

Fig.21　Forming effect of beam string skylight

采用手拉葫芦对钢拉杆进行调直，每根钢拉杆设置两个调节葫芦，调节点位于1/3分段点。

调直标准：钢拉杆两端节点和两个调节点，共计4个节点，要求4个节点达到共线方可。设拼装时钢拉杆两个端节点z向坐标分别为Z ₁ 、Z ₄ ，两个调节节点的z向坐标分别为Z ₂ 、Z ₃ ，则Z ₃ =Z ₁ +2（Z ₂ -Z ₁ ），Z ₄ =Z ₁ +3（Z ₂ -Z ₁ ），如图22所示。

图22　钢拉杆调直

Fig.22　Straightening of steel tie rod

（2）预紧

根据第2节重难点3，钢拉杆对伸长量变化敏感。需消除螺纹间隙以及销轴与孔壁之间间隙，从而消除钢拉杆建立预应力时，因初始间隙的存在而造成的预应力损失 ^[8] 。

采用经标定的扭矩扳手预紧，并将开口钳作为传力装置，开口钳一端与套筒相连，另一端通过正六边形转换接头与扭矩扳手相连（图23）。

图23　转换装置（单位：mm）

Fig.23　Conversion device（Unit：mm）

7　施工过程内力监测

7.1　内力测量方法选择

分析该张弦结构天窗的特点可以发现，张弦梁下部的钢拉杆两端边界条件近似于理想铰接，这种连接方式的钢拉杆的内力测量宜采用频率法 ^[9] 。频率法是通过拾振器获得钢拉杆在人工激振作用下的振动时程，并对振动时程信号进行时频分析（滤波、放大和频谱分析等），从而获得钢拉杆的振动频率。由于钢拉杆振动频率和内力间存在特定的关系，故可以根据识别出来的钢拉杆频率间接得到钢拉杆内力。该方法精度高且传感器信号不受温度的干扰，特别适用于钢拉杆两端近似理想铰接（销轴节点）的结构，常用于斜拉桥钢拉杆的内力监测。

7.2　传感器的布置与频率监测

加速度测试采用三向和单向两种加速度传感器，共8个，用金属套箍将其固定于钢拉杆1/4长度位置。该加速度传感器装拆便利，可对钢拉杆轮流进行内力监测。

加速度激励为人工随机激励，工具为橡胶锤，激励周期为4~5s，如图24所示。

图24　频率法现场测量人工激振

Fig.24　Field measurement of artificial excitation by frequency method

加速度监测采用Narada无线系统，采样频率为100Hz。用FFT快速傅里叶变换对所得到的加速度时程数据进行频谱分析，并采用Welch方法计算信号的功率谱密度，从而得出杆件自振基频。

现通过平面内的基频来推算内力。频率法计算钢拉杆内力时采用以下理论简化公式 ^[9] ：

式中：m为单位长度拉杆的质量；L为拉杆平面内计算长度；f _n 为激振拉杆第n阶自振频率。

7.3　监测结果分析

利用频率法对钢拉杆内力进行计算，得出各监测点内力 ^[10] 。钢拉杆卸载状态下，内力监测结果如表1所示。

钢拉杆卸载后的内力实测值与理论值进行对比，最大负误差为-9.5%，最大正误差为10.7%。

钢拉杆成型状态下，内力监测结果如表2所示。

张弦天窗提升完毕之后（成型状态），钢拉杆内力实测值与理论值进行对比，最大负误差为-2.4%，最大正误差为10.23%。

对比钢拉杆成型状态和卸载状态下内力实测值与理论值的误差，如图25所示。

图25　两种状态下内力实测值与理论值误差对比

Fig.25　Comparison of errors between measured value and theoretical value of internal force in two states

根据图25可以得出如下结论：

（1）两种状态下钢拉杆内力的变化趋势接近，与理论分析结果相符。

（2）卸载状态下，实测值在理论值附近，略微正偏差；成型状态下，实测值与理论值差值的绝对值在20kN以内（小于允许值25kN），满足原设计要求。

（3）卸载状态下，误差离散性更强；成型状态下，误差更趋平缓，符合结构内力变化趋势，即结构整体内力区域平衡。

8　结  论

采用张弦结构非张拉建立预应力施工技术，成功解决了温州机场异形张弦梁钢拉杆预应力施工中的诸多难点，加快了施工速度，为后序工作的实施赢得了时间。减小了人力物力和设备设施的投入；施工器具主要为小型千斤顶，反力架利用既有拼装支撑架进行加强改造而成。克服了传统预应力施工对专业单位、特殊工种的依赖。

实施结果达到预期，满足工程质量和技术要求。该施工技术具有合理性、创新性，保证了温州机场钢结构的顺利施工，为机场如期通航奠定了基础。该技术的研究及应用可促进张弦结构预应力施工技术的进步。

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