大跨度預應力網架監測施工技術

羅 浩，劉 創，周 飛，蔡天宇，熊勛昌

(中建八局浙江建設工程有限公司，浙江 杭州 311200)

1 工程概況

國航基地工程101號維修機庫項目位于某機場內，占地面積20 562m2，總建筑面積28 447m2，建筑總高度37.65m，結構類型為鋼筋混凝土框架結構+鋼網架屋面。機庫大廳建筑面積13 321m2，跨度146m，進深90m，下弦凈高25m，其中大門桁架下弦鋼管中設置69根鍍鋅無粘結鋼絞線，預應力張拉力為5 500kN。

機庫大廳由3層焊接球網架結構組成，總用鋼量約2 000t，主要節點類型為上弦桿、中弦桿、下弦桿、上腹桿和下腹桿，整體為四角錐體空間結構。

2 大跨度預應力網架監測施工技術

1)預應力網架施工時，首先利用BIM技術和有限元軟件等對網架本身、提升設備、提升設備附屬支座、預應力節點在各工況下的受力情況進行計算分析，正式實施時通過預埋應變片監測各節點實際受力情況，并將監測結果與計算結果進行對比分析，過程中同步控制，完美解決了大跨度預應力網架監測的施工難題，保證網架施工安全。

2)在大跨度預應力網架實施前，利用BIM技術和有限元軟件分析網架在拼裝、初次提升、整體提升、受力點轉移、卸載等不同工況下各構件、各節點及提升設備的吊點受力情況，優化提升設備及點位布置，選擇經濟適用、施工便捷的提升方案。

3)確定提升工藝及設備后，分析提升設備所附屬的混凝土網架柱在最大荷載下的受力，分別驗算機庫網架柱中受力最大、配筋最小、長度最大柱的受力情況，確保滿足要求。最后在預應力網架實施前，對預應力節點進行深化設計，優化鋼絞線布置形式、錨具節點受力情況及鋼絞線張拉后預應力傳遞路徑，增加套管在支座鋼管內約束力。正式實施時，通過預埋應變片對上述各節點的實際受力情況進行實時監測，并將實際數據與計算情況進行對比分析，確保網架實施的安全性。

3 主要施工方法

3.1 施工工藝流程

預應力網架監測施工工藝流程為：網架受力分析→提升設備選擇→網架支撐柱受力分析→網架拼裝→網架提升→預應力施工→網架監測。

3.2 操作要點

3.2.1網架受力分析

1)采用通用有限元軟件SAP2000V14.1.0對預應力網架進行受力分析。模型分析中，網架節點均為剛接，桿件均采用梁單元模擬，梁按壓彎構件計算，計算長度系數均取1.0。由于提升作業時間約2d，天氣因素在可控范圍內，且屋蓋為鏤空結構，承受的風荷載較小，因此，提升工況分析中不考慮風荷載及溫度荷載作用，主要考慮網架及檁條、馬道等附屬結構自重。網架合計提升重量約2 000t，荷載分項系數取1.4。

2)各提升點同步上升過程中存在一定程度的高度偏差，因此，需考慮提升過程中各吊點不同步對結構造成的影響。不同步主要對吊點周圍桿件應力影響較大，根據工程經驗，考慮1.2倍超載系數。驗算桿件強度時，總的分項系數為1.4×1.2=1.68，驗算網架變形時分項系數為1.0。

3)提升工況分析中，網架桿件應力比控制在0.9以內。根據JGJ 7—91《網架結構設計與施工規程》，受拉桿件長細比<300(支座附近<250)，受壓桿件長細比<180。不滿足上述條件的桿件需進行置換。網架提升時撓度計算如圖1所示。經分析，網架提升過程中最大下撓約175mm<146 000/250=584mm，滿足規范要求，但部分桿件受力不滿足要求，需對該部分桿件進行替換。替換后重新計算分析，由桿件應力比統計(見圖2)可知，預應力網架在各工況下所有桿件及節點受力均滿足要求，施工過程安全。

圖1 網架撓度計算(單位：mm)

圖2 桿件應力比統計

3.2.2提升設備選擇

1)提升方法 網架采用原位拼裝、整體提升的方式進行安裝，即在地面完成機庫大廳和大門2個區域網架整體拼裝及焊接工作后，通過由17臺TLJ-600型、TLJ-2000型液壓提升器(利用15個支座點作為吊點，另外設置2個臨時吊點，如圖3所示)組成的提升系統將其整體提升至支座點位置。

圖3 提升點位布置

2)提升點位受力分析 提升的下吊點D1,D2結構類似，均為臨時球，選取最大荷載點進行計算。選用ANSYS14.0軟件，采用solid185單元，鋼結構材料楊氏模量E=2.1×1011Pa，泊松比ν=0.3，下吊點臨時桿(3根鋼管)截面三向約束。吊具計算結果如圖4所示。由圖4可知，吊具最大應力為210MPa<295MPa，下錨點最大豎向變形1.0mm，滿足提升要求。

圖4 吊具計算結果

3.2.3網架支撐柱受力分析

在提升工況下，混凝土網架支撐柱為偏心受壓構件。為保證結構安全，需對其進行承載力復核。提升點支撐柱特性如表1所示。

表1 提升點支撐柱特性

分別驗算機庫網架受力最大、配筋最小、長度最大的混凝土網架柱，結果均滿足要求。因此，提升反力對所有柱的影響均滿足要求，即結構狀態為安全。

3.2.4網架拼裝

考慮網架焊接變形的特點，將整個網架劃分為9個平行區段，分別為機庫大廳A～H區和大門桁架J區，單個分區寬度為18m，如圖5所示。

圖5 飛機庫網架平面分區

3.2.5網架提升

1)當機庫大廳網架第1次提升至3.5m高度與大門預應力網架區域中心平齊后，靜置24h用于網架焊接應力的釋放。在此期間，檢查所有焊縫外觀質量，修補出現裂紋等質量問題的焊縫。

2)當網架第2次整體提升至設計高度后，再次對網架下撓情況進行復核，將實際測量結果與理論計算撓度值進行對比分析，作為高空補桿焊接和后期鋼管桁架中預應力張拉的參考。

3)先通過計算機仿真分析計算得到鋼網架整體同步提升工況各吊點反力，再進行不同步最不利工況分析，得出安全范圍內的最大吊點反力。在液壓同步提升系統中，依據計算數據相應設定每臺液壓提升器的最大提升力。

4)在網架主要受力桿件中安裝應變片，并及時監測各桿件受力情況，當監測發現某吊點實際提升力有超出設定值的趨勢時，液壓提升系統自動采取溢流卸載，使該吊點提升反力控制在設定值之內，以防出現各吊點提升反力分布嚴重不均，對永久結構及臨時設施造成破壞。

3.2.6預應力施工

鋼絞線張拉擬采用單根兩側同時張拉、循環反復張拉至設計要求的施工方案。

1)張拉錨固工藝流程 整理、清潔鋼絞線→安裝錨具、千斤頂→鋼絞線裝入千斤頂及工具錨內楔緊→分級張拉至規定值→錨固→灌漿→切割多余鋼絞線→封錨。

圖6 桁架下弦鋼管

3)張拉采用張拉力和伸長值雙控，以張拉力控制為主。實施方法為：各級張拉力采用油壓表讀數控制，千斤頂和油壓表配套使用。根據千斤頂校準報告計算出預應力筋各級張拉力相對應的油壓表讀數。張拉時量測10%σcon→100%σcon張拉過程的預應力筋伸長值，當實際伸長值不在理論計算伸長值的94%～106%時，應暫停張拉，找出原因并采取處理措施后，方可繼續張拉。

張拉過程中通過安裝的應變片，分析監測預應力網架受力，如出現桁架或網架變形過大等異常現象，應及時匯報給相關負責人，并做好記錄。

3.2.7網架監測

3.2.7.1計算機監測監控

1)液壓同步提升技術采用傳感檢測和計算機集中控制，通過數據反饋和控制指令傳遞，可實現同步動作、負載均衡、姿態矯正、應力控制、操作閉鎖、過程顯示和故障報警等功能。

2)操作人員可在中央控制室，通過液壓同步計算機控制系統人機界面進行液壓頂推過程及相關數據的觀察和控制指令的發布。

3)通過計算機人機界面操作，可實現自動控制、順控(單行程動作)、手動控制及單臺提升器點動操作，從而達到鋼網架整體提升安裝工藝中所需的位移同步、安裝位移調整、單點微調等特殊要求。

4)提升就位后，測量人員應通過測量儀器配合測量各監測點位移的準確數值。

5)嚴格按專項施工方案進行整體提升，提升過程中，專業技術人員全面檢測液壓設備工作狀態，發現問題需立即上報，制定處理方案，使整個提升過程處于安全可控狀態。

3.2.7.2測量工具監測監控

1)第1階段為結構剛離地、正式提升前，需對各吊點初始位置進行測量。根據測量結果，利用提升器調整各吊點高度，使其在同一高度上，保證結構姿態滿足設計要求，同時通過預埋的應變片觀察網架受力情況。

2)第2階段為正式提升階段。隨著提升高度的增加，每提升約2m進行1次網架受力監測，每次監測完成后，根據監測結果與理論計算對比分析的結果，實施掌控網架、提升設備、支撐柱受力狀態，直至各吊點提升至同一高度上。

3)第3階段為提升就位階段。當結構提升至距設計高度約20cm時，需對各吊點位置進行對口監測，本階段提升器頻率需調低，配合測量人員進行對口測量，保證結構桿件精確對口和受力安全。

4)第4階段為網架卸載階段。網架在高空補桿和永久支座施工完成后，網架受力部位將由提升架轉移至正式支座點。在卸載過程中需實時監控網架受力和撓度值有無重大變化，并根據每個提升架監測結果控制網架卸載速率，保證網架安全。

4 關鍵控制技術

1)建立TEKLA三維模型，并結合有限元軟件分析計算網架施工過程中可能產生的變形量，分析各桿件在不同階段的受力情況，對于不滿足要求的進行替換或補強。

2)根據預應力網架高差分布特點和施工工序，合理做好施工區段劃分，以控制小拼單元質量為原則，通過發明鋼結構球節點定位輔助裝置及定位方法，解決球節點定位難題，保證每個施工單元尺寸偏差滿足要求，進而保證預應力網架整體質量符合要求。

3)預應力張拉時，嚴格按設計要求，采用循環往復張拉的方式進行分級對稱張拉。

4)通過對不同階段網架受力情況進行監測分析，與理論計算值比較，可及時做出預判，采取相應的控制措施。

5 結語

采用大跨度預應力網架監測技術能很好地監測預應力網架在安裝、提升、預應力張拉、卸載階段的受力情況，確保網架本身、提升設備、支撐點的受力均滿足要求，保證施工安全。