預應力弦支結構的張拉應力分析及過程監測

尹 琦

1 工程概況

太原煤炭交易中心——展覽中心位于太原市長風西大街與濱河西路的交叉口，是2011年在山西省太原市中部六省博覽會的主會場，建筑面積約56000 m2，整個建筑為直徑250 m的圓形，周邊屋面結構形式為管桁架體系，在建筑中心區域為直徑約26 m的圓形空間，原設計為開敞式，但是業主要求中心區不但要有較好的采光并且要求建筑能夠封閉，所以設計考慮采用預應力弦支結構形式。作者參與了本工程的設計及施工過程。

預應力弦支結構是一種新型預張力結構，近些年，我國陸續有此種結構實現。在山西省民用鋼結構中還是首次采用。中央區域采光頂為主索與玻璃屋面次索組合而成的弦支屋頂結構，直徑36 m，矢高1.6 m，屋頂標高為26 m。在弦支屋面主索與次拉索;屋面材料采用玻璃。

結構布置見圖1。

圖1 索剖面圖

表1 張拉各階段撐桿和主索應力值比較分析

2 施工過程模擬計算分析

1)施工張拉過程及次序。

張拉索屋面分5級張拉。因為冬季施工的原因，張拉應力放大為設計應力的1.1倍。5級張拉為:初緊→0.5→0.7→0.9→1.1;張拉行程分別為10 cm→6 cm→2 cm→0。每級張拉完成后部分監測數據見表1，表2。因為張拉位置在26 m高的屋面，并且周邊結構屋面施工安裝正在進行，所以各個索的張拉不能夠同時進行。為了解決這個矛盾，現場采取了分批張拉的辦法。⑨軸處外斜索為第1組，10號處外斜索為第2組，共分為8組。單雙數軸線張拉交替進行。

2)計算分析模型及模擬辦法。

因為張拉過程是一個動力學和靜力學結合的問題，所以軟件模擬時考慮建立了結構的非線性動力有限元模型，將靜力學模型轉化為動力學模型，簡化了計算，通過更新桿件位置形態的辦法，最后又將動力形態轉化為靜力形態，并基于ANSYS計算平臺計算，5個工況的部分模擬值見表1，表2。

表2 張拉各階段次索應力值

3 結構施工監測儀器及測點布置

1)撐桿應力監測點選擇屋面結構頂間隔90°布置的4，8，12，16四個軸線，應力監測點布置在四個軸線的撐桿下端及桿件左右兩側。為了使儀器與待測結構的溫度膨脹系數接近，特采用了振弦應變計。

2)主結構索力監測的選擇點也和撐桿應力監測點相同(4，8，12，16四個軸線)。主結構索的應力測量采用了索力動測儀。

3)次拉索的索力監測，選這兩個對稱的單元。次拉索的應力監測采用弓式測力計。

4)結構位移的監測主要是測量各個軸線位置撐桿的豎向監測。結構位移監測采用高精度精密全站儀。

4 張拉過程監測值與數值模擬結果比較分析

1)表1中顯示的數據為撐桿和主結構的實測、模擬兩種數據的比較及誤差統計;表2顯示的數據為次索的實測、模擬兩種數據的比較及誤差統計。

2)分析數據可以看出，在張拉過程中，索力的實測值和模擬值誤差是較大的，而張拉成型之后，索力和計算模擬值誤差較小。究其原因，是因為索撐桿在成型前后內力比值較小;長度變化也較小(在幾個毫米之內);施工安裝也有一定誤差，所以影響了數據。但是同類型的索力還是十分均勻的，無論是張拉過程中還是張拉成型后，索力監測值與模擬值相比的誤差都是很接近的，張拉成型后，預應力達到最大值。

3)由表2看出，次結構玻璃幕墻的索力和軟件模擬差距還是較大的，需要通過索身上的套筒進行調整。

4)圖2中顯示各個撐桿位移在張拉各階段的變化量基本相同，內外撐桿在成型后的標高十分接近，成品的外觀效果很好。

圖2 撐桿位移監測值

5 結語

1)對本預應力弦支屋面的主索及撐桿的監測結果基本和計算模擬吻合，并且預應力是在張拉過程中逐步產生，在成型時達到最大值。

2)因為周邊環境的局限，采取了對稱形式的分軸線張拉，未能同步張拉。通過監測數據和模擬數據的比較，發現監測數據和模擬數據還是能夠比較好的吻合，并且能夠滿足國家相關規范的要求。說明圓形弦支屋面的張拉在計算和張拉次序安排合理的前提下能夠實現不同步張拉。較為遺憾的是次索網幕墻索的數據偏差較大，需二次調整。

[1]劉 浩.探析后張法預制箱梁預應力損失的計算和控制[J].山西建筑，2011，37(14):40-41.