某鋼結構辦公樓項目預應力拉索施工技術

邱時秒，趙家歡，郭驊銳，蘇偉泓，黃彩彬

（中國建筑第二工程局有限公司華南分公司，廣東 深圳 518000）

1 引言

將預應力拉索結構引入鋼結構體系，目的是提高結構承載力、降低結構壓力、增加結構穩定性，組合后的結構一般稱之為預應力鋼結構體系。趣店科技金融創新園區項目主體工程1#樓采用“核心筒+巨型拱懸吊體系”，通過巨型拱結構體系將鋼結構主樓荷載傳遞至核心筒，再通過核心筒傳遞至基礎受力結構，為避免巨型拱結構帶來的水平推力對核心筒受力結構造成影響，設計引入預應力拉索體系，用于平衡巨型拱結構對兩側核心筒的推力。

2 工程概況

趣店科技金融創新園區項目位于廈門市同安區，其中，1#樓建筑造型呈回字形，建筑面積113 500 m2，地上9層，建筑高度45.8 m，層高4.2 m，主樓標準層結構外邊邊長139.2 m，內邊邊長84.0 m。采用鋼骨混凝土筒+巨型拱懸吊結構體系，由8個核心筒、各樓層鋼梁、巨型拱、水平桁架和吊柱組成。8個核心筒之間設置巨型折線拱，拱上部及中部分別設置水平桁架和拉梁，拱下部設置拉索共同形成自平衡體系。結構荷載通過吊柱、巨型折線拱、拉索等結構將主樓荷載傳遞至核心筒結構。

本工程巨型拱跨越7層、8層、9層，預應力鋼拉索位于7層鋼梁位置，連接東、西、南、北直線段7層鋼骨柱拱腳節點，每個直線段8根，共32根。其中，上排鋼拉索位于7層鋼梁上方，下排鋼拉索穿過7層鋼梁腹板。預應力鋼拉索直徑為φ125 mm，材質為高釩鍍層索，抗拉強度≥1 670 MPa，索體彈性模量為（1.6±0.1）×105MPa。

3 施工重點及難點分析

本項目施工中主要有以下重點和難點：（1）本工程拉索沿著拱下布置，主要作用為平衡拱架對兩側柱的推力，拱桁架施工過程中，預應力的施加需滿足設計意圖，即減小拱架對柱的推力，確保拱腳推力在設計允許范圍內。（2）拱桁架采用隨結構層施工分段安裝的方法，由于拱架在施工受荷過程中，拉索索力在各個狀態各不相同，需要對各個狀態的索力進行精確計算，并在施工過程中對索力和結構變形進行監測，確保施工過程的安全。（3）拱跟隨主體結構施工，預應力的施加是一個關鍵工序，因此，需要對施工不同階段進行施工仿真計算，并在施工中進行全過程監測，確保施工過程的安全和質量。（4）本工程中將采取可靠的監測手段，對預應力鋼索的張拉力和結構變形進行監測，以確保結構施工期的安全，保證結構張拉完成后狀態與原設計相符。

4 施工仿真計算

4.1 施工仿真計算目的

施工仿真計算是預應力鋼結構施工中的重要工作。因為施工過程會使結構經歷不同的初始幾何態和預應力態，實際施工過程必須與結構設計吻合，嚴格遵守加載方式、加載次序及加載量級。理論上，結構初始幾何態和預應力態的分析理論和方法不同。在施工中嚴格組織施工順序，包括確定加載方式非常必要[1]，且具有重要的意義：（1）驗證張拉方案的可行性，確保張拉過程的安全。（2）給出每步張拉的鋼索張拉力，為實際張拉時確定張拉力提供理論依據。（3）給出每步張拉的結構變形及應力分布，為張拉過程中的變形及應力監測提供理論依據。（4）根據計算出來的張拉力選擇合適的張拉機具，并設計合理的張拉工裝。（5）確定合理的張拉順序。

4.2 計算結果分析

本次采用有限元分析軟件Midas，按照圖紙對結構建立計算模型，構件規格、邊界條件和圖紙一致。結構自重由程序自動計算并考慮1.1倍的系數，采用初拉力的方式模擬預應力的施加[2]。因計算過程繁復，本文僅提供分析結論做討論研究。

4.2.1 同一拱腳之間拉索張拉順序的影響（4根索之間的影響）

工況對比：選取西側內側拱腳4根拉索。工況1：先張拉上層2根索，記錄張拉后索力值；工況2：張拉下層2根索，計算上層鋼索索力變化情況。發現上層索的索力由4 739 kN變為4 634 kN，4 722 kN變為4 608 kN，變化率分別為2.2%和2.4%。

結論一：同一拱腳之間拉索張拉順序的影響≤3%，超張拉3%可以滿足索力要求。

4.2.2 相鄰拱腳之間拉索張拉順序的影響

工況對比：選取西側8根拉索對比計算。工況1：張拉內側拱腳4根索，記錄張拉后索力值；工況2：張拉外側拱腳4根索，計算內側索力變化情況。張拉外側拱腳過程中，內側拱腳索力平均降低了30 kN，降低比例為0.6%。

結論二：相鄰拱腳之間拉索張拉順序的影響非常小。

4.2.3 相對面之間拉索張拉順序的影響

工況對比：選取東側和西側拉索進行對比計算，工況1：張拉西側8根索，記錄張拉后索力值；工況2：張拉東側，8根索，計算西側索力變化情況。在東側張拉過程中觀察西側索力幾乎沒有變化。

結論三：相對面之間拉索張拉順序幾乎沒有影響。

4.2.4 相鄰面之間拉索張拉順序的影響

工況對比：選取東西兩側和南北兩側拉索進行對比計算。工況1：張拉東西兩側全部拉索，記錄張拉后索力值；工況2：張拉南北兩側全部拉索，計算東西兩側索力變化情況。在南北兩側張拉過程中觀察東西兩側索力幾乎沒有變化。

結論四：相垂直面之間拉索張拉順序幾乎沒有影響。

5 預應力拉索施工方案

5.1 總體施工方案

預應力拉索的安裝穿插在結構的安裝過程中，拉索分兩次進行張拉，具體如下：（1）在鋼結構卸載前進行第一次張拉，張拉到索力的40%。直邊分區拱及水平桁架施工形成整體后，進行第一次拉索張拉。按照北側→東側→南側→西側的分區順序依次進行。（2）在3~7層樓板混凝土澆筑（除拉索張拉需預留洞口區域）之后，張拉到索力的100%。

拉索編號示意圖如圖1所示。本工程共4面，每面2個拱腳，每個拱腳4根索，共32根索。按每側進行拉索編號，東側8根拉索編號為東-1~東-8，其中，內側拱腳4根拉索，上層為東-1和東-2，下層為東-3和東-4；外側拱腳4根拉索，上層為東-5和東-6，下層為東-7和東-8。南側拉索編號為南-1~南-8，西側拉索編號為西-1~西-8，北側拉索編號為北-1~北-8，編號原則與東面相同。

根據上述計算結果分析可見，各側面之間及每個側面的兩組拉索的張拉順序影響非常小，故按實際北側→東側→南側→西側的分區施工順序依次進行張拉，同一分區內的從外側到內側、從上到下的順序均衡對稱進行張拉。以東側為例，具體順序如下：①東-2及東-5→②東-1及東-6→③東-4及東-7→④東-3及東-8。

施工順序如下：（1）地上核心筒第五節鋼骨柱安裝，7層鋼梁安裝，拉索安裝。（2）土建地上7層核心筒結構施工，8層鋼梁安裝。（3）地上核心筒第6節鋼骨柱安裝，即核心筒鋼骨柱安裝完成，9層水平桁架、7~9層間巨型拱安裝，8~9層間吊桿分段嵌補暫不安裝。（4）土建地上核心筒頂層混凝土施工，9~R層非核心筒連接區域水平桁架及巨型拱安裝。（5）土建地上核心筒頂層混凝土強度達到設計要求后，9~R層核心筒與桁架連接區域的水平桁架及巨型拱安裝。（6）鋼拉索張拉至索力的40%。（7）卸荷后開始拆除臨時支撐，澆筑完成3~7層樓板混凝土后，鋼拉索張拉至索力的100%。

5.2 預應力拉索安裝

本工程預應力拉索最大跨度49.6 m，單根索重約70 kg/m，錨具重約2 t，單根拉索總重約6 t。在放索過程中為了保護拉索，拉索和胎架不能發生碰撞，因此，對高空放索安全要求很高。

本工程采用320 t（SCC3200A-1）履帶吊將拉索調節端吊起，將固定端吊至耳板位置，用倒鏈進行固定端安裝，然后將下層拉索放置于6~7層間圓管支撐角鋼上，上層拉索鋪平放置于7層鋼梁樓面上，再用倒鏈進行調節端的安裝。

具體施工步驟如下：（1）6~7層間的圓管臨時支撐安裝完成后，將下層拉索兩端分別固定在履帶吊的主鉤、副鉤，然后履帶吊將拉索吊運至拱腳固定端安裝位置，調節端懸吊在空中。（2）安裝工人在核心筒外架上用倒鏈將固定端慢慢拉送至拱腳連接板處，插入插銷。（3）履帶吊將拉索調節端吊運至對面（調節端拱腳），拉索中間部分放置于6~7層間圓管支撐角鋼上（共3個圓管支撐，其間距為12.6m），拉索調節端臨時固定在拱腳連接板處。（4）依次安裝下層拉索（共8根），拉索安裝完成，安裝7層鋼梁。（5）安裝上層拉索，步驟與第一步、第二步相同，拉索放置在鋼梁表面的U形槽中。（6）在下層拉索與鋼梁相交處，用手動葫蘆將下層拉索提升至拉索孔中，補焊原鋼梁預留洞。

5.3 預應力拉索張拉

5.3.1 預應力鋼索張拉前標定張拉設備

根據設計提供的拉索預應力值進行施工仿真計算，張拉力最大約為470 t，采用2個250 t千斤頂、油泵及張拉工裝等設備。根據設計和預應力工藝要求的實際張拉力對千斤頂、油壓傳感器進行標定。

5.3.2 預應力張拉流程

通過原拱腳處預留的張拉耳板，將張拉工裝及千斤頂連接固定。張弦主索在桁架一端設置調節端，采用一端張拉的方式，單端張拉。主索分兩級張拉，分別為40%，100%。在鋼結構安裝完成后、卸載之前，進行第一次張拉，張拉到索力的40%，拉索依次進行安裝和張拉；卸荷后，開始拆除臨時支撐，在澆筑完成3~7層樓板混凝土后，對拉索張拉至索力的100%。第一次拉索張拉完成后，對結構進行卸載，需考慮卸載對索力的影響。

具體施工步驟如下：（1）在6層桁架板即拉索張拉端底部搭設操作架。（2）利用塔吊將安裝千斤頂、油泵及張拉工裝等設備轉運至拉索張拉端，操作人員站在操作架，利用手動葫蘆進行輔助安裝。（3）張拉設備安裝完成后，進行第一次張拉，在張拉的過程中，隨著拉索長度增長，通過擰動調節螺桿，將拉索鎖緊，記錄拉力值及伸長量等數據，拆除張拉設備及操作架。（4）3~7層樓板混凝土澆筑完成后，對鋼拉索進行第二次張拉，同樣通過擰動調節螺桿，將拉索最終鎖緊，記錄拉力值及伸長量等數據，拆除張拉設備及操作架。

6 結語

本文通過對趣店科技金融創新園區項目主體工程1#樓上部主樓預應力拉索設計、施工工藝及施工仿真計算進行分析研究，總結出了一套預應力鋼結構施工的技術經驗，同時通過預應力拉索施工仿真計算證明了預應力拉索之間張拉順序的相互影響不超過3%，拉索超張拉3%能夠抵消這部分影響，為今后類似預應力鋼結構施工提供了可靠的實踐經驗。