交叉張弦桁架預應力施工過程分析與索力實測

湯 磊 羅 斌 丁明珉

(東南大學土木工程學院,南京 210096)

預應力鋼結構將高強拉索引入結構中,通過張拉拉索在結構中建立預應力,由于預應力改變了結構的內力狀態和結構形狀[1],因此,預應力鋼結構的結構性能與普通鋼結構相比存在較大差異.另外,由于預應力鋼結構的施工相對于普通鋼結構多一道預應力張拉工序,且大跨度預應力鋼結構中拉索面廣量大,無法實現整體一次性張拉到位,往往采用拉索分批、分級張拉的施工工藝,使得各施工工況下的結構狀態與設計狀態差別較大.由于上述預應力鋼結構的結構性能和施工過程的特殊性,預應力鋼結構施工的各個環節,從制作、安裝到張拉,其結構受力性能均不同于普通鋼結構工程[2].現階段,通過有限元分析軟件和國內部分學者自主開發的預應力鋼結構設計與施工計算分析軟件的應用,已經實現在預應力鋼結構施工前對結構性能進行計算分析,并可通過模擬施工過程對各施工工況進行計算分析[3].

由于大多數預應力鋼結構在其設計之初均為超常規結構,為驗證理論分析方法的正確性和理論分析結果的可信度,以及驗證預應力拉索施工方法的可行性和正確性等,需對預應力鋼結構的拉索索力進行現場測試,常用的索力測試方法包括千斤頂壓力表測定法[4]、壓力傳感器法、振動頻率法[5]和磁通量測定法[6]等,其中基于拉索模態識別的振動頻率法應用最為廣泛且在不斷地改進中.張宇鑫等[7]研究指出基于數值迭代求解方法識別張弦梁的索力精度無法保證.為提高精度及簡化計算,文獻[7]根據分析迭代計算得到的頻率與索力相關關系的曲線和已有索力識別經驗公式的特點,擬合出了基于索力頻率測試結果的索力計算公式.文獻[8]則在考慮減振裝置的彈簧剛度對拉索邊界條件的影響,著重研究減振裝置彈簧剛度與等效索長的關系,提出考慮彈簧剛度影響的二次等效索長修正公式,并對該方法的誤差敏感性、識別精度等進行了討論.文獻[9]給出了通過局部頻率測試計算構件軸力的一種理論方法,并通過數值模擬和一系列實驗驗證了局部測試方法的正確性.文獻[10]則結合預應力張弦結構的特點,根據已有研究成果提出了一種較為實用的張弦結構拉索索力平面外頻率測試法,即通過測試張弦梁平面外拉索的頻率,結合數值迭代和節點剛度修正,最終確定出拉索索力.本文以鄱陽湖模型試驗研究基地后續工程模型試驗大廳鋼屋蓋交叉張弦桁架為研究對象,結合施工全過程模擬分析結果,對其預應力實施全過程的索力測試結果進行了分析研究.

1 工程概況

鄱陽湖模型試驗研究基地后續工程模型試驗大廳鋼屋蓋采用交叉張弦桁架結構,預應力交叉張弦桁架共11榀,每榀預應力交叉張弦桁架由“X形”上弦桁架通過拉索及撐桿組成一榀空間預應力鋼桁架,見圖1(a).張弦桁架跨度110 m,中心間距15 m,截面高度11 m.上部桁架為變截面倒三角形立體鋼管桁架,桁架高度從中部的3 m漸變為邊部的2 m,桁架寬度從中部的2 m漸變為邊部的1.4 m,見圖1(b).

張弦桁架一端固定鉸接于一側混凝土柱邊的框架梁頂,另一端設置單向滑動鉸支座支承于另一側混凝土柱邊的框架梁頂.張弦桁架平面外設置適當數量的支撐桁架.張弦桁架支座處節點采用鑄鋼節點,桁架桿件間連接采用相貫線焊縫.該張弦桁架的拉索索體采用強度等級為fptk=1 670 MPa的φ7 mm高強度低松弛鍍鋅鋼絲半平行鋼絲束,拉索規格為φ7 mm×127,拉索理論張拉力為1 100 kN,索體兩端可調.張拉端錨具采用冷鑄鐓頭錨,且端部設置高阻尼黏彈性橡膠減震圈.

2 預應力施工分析

2.1 張弦桁架張拉時機的選擇

選擇合適的時機進行預應力張拉不僅可以建立有效的預應力值而且可以減少張拉的工作量.對鄱陽湖模型試驗研究基地后續工程模型試驗大廳鋼屋蓋的交叉桁架預應力拉索張拉采用荷載子步分析方法,對在支撐胎架上的單榀張弦桁架和整體結構分別進行了預應力拉索分級張拉的全過程分析,具體分級見表1,分析結果見圖2.采用大型通用有限元分析軟件ANSYS進行結構在支撐胎架上預應力拉索分級張拉的全過程分析.桁架部分采用梁單元Beam188, 撐桿采用兩端鉸接的桿單元Link8,拉索采用只受拉、不受壓和不受彎的索單元Link10,支撐胎架采用僅受壓、不受拉和不受彎的單元Link10.支座一端鉸接,一端沿拉索張拉方向單向滑動鉸接.材料彈性模量:鋼材取206 GPa,拉索取195 GPa.荷載取結構自重標準值.為計算精確,分析中考慮應力剛化效應和幾何非線性,采用Newton-Raphson方法迭代求解.

由分析結果可得,當索力張拉力達到約800 kN時,單榀交叉張弦桁架基本脫離了支撐胎架,而整體結構在索力達到1 000 kN時仍未脫離胎架.分析結果表明,采用單榀張弦桁架張拉,在較小的張拉力下桁架即可脫離胎架,可避免整體結構逐榀張拉時由于先后張拉順序而導致的索力相互影響.此外,由圖2可得在單榀張弦桁架張拉時,當索力平衡結構自重,桁架剛脫離支撐胎架后,豎向位移受張拉力影響非常敏感,因此在實際施工中,不僅要控制張拉力還要嚴格監控豎向位移.

圖1 模型試驗大廳結構圖(單位:mm)

表1 預應力拉索分級張拉索力

圖2 拉索張拉力-結構豎向位移的變化曲線

2.2 單榀桁架與整體結構穩定性分析

相對整體結構逐榀張拉,單榀交叉張弦桁架獨立張拉時的側向穩定性較差,因此通過特征值屈曲分析進行穩定性驗算.考慮到結構的非線性,取在拉索等效預張力、結構自重共同作用下的結構平衡態的剛度作為特征值屈曲分析的剛度矩陣.計算結果見表2和圖3.

由分析結果可得:① 前4階模態特征值,單榀交叉張弦桁架明顯低于整體結構,但第5階及之后兩者的特征值比較接近.② 單榀交叉張弦桁架的最低階屈曲荷載數為11.322,說明其仍具有良好的穩定性,單獨張拉不會出現側向失穩.

表2 單榀交叉張弦桁架和整體結構的前10階屈曲荷載系數

圖3 單榀桁架和整體結構屈曲荷載系數曲線

3 索力測試與對比分析

拉索預張力施工過程是個動態的結構狀態變化過程,是結構從零狀態向成形初始態轉變的過程.由于鋼構件安裝誤差、拉索制作、安裝和張拉誤差、分析誤差以及環境影響等因素,實際結構狀態與分析模型有一定差異的.因此,有必要對拉索預應力施工過程予以監測,對比理論分析值和實際結構響應的差異,及時掌握各關鍵施工階段的結構狀態,保證拉索施工全過程處于可控狀態,為下階段施工和最后的施工驗收提供依據.

3.1 監測內容和方法

工程共11榀交叉張弦桁架,共計22根拉索.對拉索索力的監測共分2次進行:① 考慮到采取的是單榀交叉桁架張拉方法,因此預應力施工過程中選擇預應力張拉完成屋面檁條未安裝時進行索力測試,校驗千斤頂張拉力的精度.② 在縱向連系桁架安裝完成,整體屋蓋結構成型后,對所有拉索(22根)的索力進行測試,以便掌握整體結構成型時的索力狀況,桁架和拉索編號見圖1(a).該工程分別選擇頻率法來測試所有拉索的索力,壓力傳感器法測試第5榀和第6榀桁架的拉索索力,如圖4所示.

圖4 拉索索力測試方法

3.2 平面外的頻率法測試步驟

該工程索力測試采用平面外自振頻率法測試平面索桿系拉索索力.該方法通過將平面索桿系中的連續短索轉化為平面外的長索,通過實測平面外自振頻率和建立索力-平面外自振頻率的關系來確定拉索索力.具體步驟為:① 進行平面索桿系有限元模型的模態分析,確定平面外計算長度;② 實測平面索桿系的平面外自振頻率;③ 根據實測的多階平面外自振頻率,識別平面外抗彎剛度;④ 建立索力-平面外自振頻率的關系;⑤ 計算索力.其中,拉索索力T可根據測得頻率進行計算，其計算式為[11]

(1)

式中,m為索的線密度(可以通過產品規格查得);f1,f2分別為第1階和第2階自振頻率(可以通過頻率計測得)；l為拉索計算長度.由于拉索端部的約束比較復雜,因此,拉索計算長度l的確定成為實際工程測量的難點.

該工程的拉索規格為φ7 mm×127,鋼絲束外接圓直徑為91 mm(不含外包PE厚度),被撐桿劃分的索段長度約為11 m,索段長度與索體直徑之比為120.9.與斜拉結構相比,張弦桁架撐桿間各索段較短,索段兩端約束條件復雜,無法直接確定拉索計算長度,因此,通過在索頭布設壓力傳感器,對兩榀桁架的拉索索力進行校對來確定其計算長度.

3.3 壓力傳感器和頻率法索力測試結果

對拉索5-2和6-1采用壓力傳感器和頻率計進行索力校核測試.由壓力傳感器測試的索力見表3.

假定各測試索段的計算長度系數相等, 根據式(1)可得出本工程頻率法索力測試的平均計算長度系數為0.974.由于計算長度系數約等于1,說明撐桿下端對拉索的約束作用近似固定鉸接.具體計算步驟如下:

表3 壓力傳感器測試的索力 kN

表4 頻率法測得索段振動頻率 Hz

通過修正索段的計算長度,得出頻率法測試索力結果，如表5和表6所示.測試結果表明:在拉索張拉完成和安裝屋面檁條后,測試索力與理論值的偏差在±10%以內,因而符合設計要求.

表5 屋面檁條未安裝時的各索索力測試結果

表6 屋面檁條安裝完成的各索索力測試結果

4 結論

1) 本工程采用單榀交叉桁架張拉方法是切實可行的,張拉時索力控制分為11級是合理的.實測表明,張拉過程中索力與理論分析相符,張拉完成后結構狀態滿足設計初始態的要求.

2) 單榀交叉張弦桁架具有良好的平面外穩定性,獨立張拉不僅脫架時的拉索張拉力較小,而且可避免各榀間先后張拉導致的索力相互影響,因此對交叉張弦桁架采用單榀獨立張拉是合理的.

3) 由于張弦桁架的索段長度短,采用頻率法測試索力時,通過取前兩階自振頻率計算索力來考慮索體抗彎剛度的影響,另通過壓力傳感器測試索力修正計算長度來考慮索端約束剛度,可達到較好的測試精度.

4) 本工程采用頻率法索力測試的計算長度系數為0.974<1,說明撐桿下端對拉索的約束作用近似固定鉸接,因此對計算長度的修正是必要的.

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