0 引言

　　在现代大型公共建筑工程中，为实现使用功能转换，常通过设计转换钢桁架来实现大空间、大跨度的设计构想，如津湾广场9号楼、湖北省图书馆新馆、咸阳市大剧院等均采用转换钢桁架。而转换钢桁架在上部结构荷载作用下，不可避免地发生下挠变形，由此导致前、后施工界面裂缝。通过对合理起拱的钢桁架预加载消拱，可避免在边界薄弱面产生裂缝。为降低施工难度，提高安装精度和工程质量，主要采用整体液压同步张拉技术进行钢桁架预加载。本文对加、卸载过程进行应力和变形监控，得到应力及位移实际变化曲线，并分析曲线变化特点，采用有限元软件对加、卸载全过程进行建模计算，计算值和实测值对比表明误差较小，且该技术在南京江北图书馆项目应用中取得了良好效果。

　　1 工程概况

　　南京江北图书馆工程总建筑面积约80 000m²。地下部分为全现浇混凝土框架结构，地上部分为钢框架结构。地下2层为钢管混凝土叠合柱;地上8层，每层高度为5m。主体建筑高度40.0m，最高建筑高度52.6m。多功能厅顶部为转换钢桁架结构，共3榀，每榀重约50t，分别位于(13),(14),(15)交M轴线，标高10.200～14.400m位于3层，每榀转换钢桁架跨度22.8m，高4.2m。转换钢桁架承载上方5层楼面结构，框架结构如图1所示。

　　图1 南京江北图书馆钢框架结构  

　　2 转换钢桁架各施工阶段监测理论计算

　　施工阶段分为:4层楼面梁及楼板安装→5层楼面梁及楼板安装→6层楼面梁及楼板安装→7层楼面梁及楼板安装→8层楼面梁及楼板安装→主体竣工。

　　4层轴处存在3榀转换钢桁架，跨度为27m，桁架跨中高度为3.6m，端部为2.1m，弦杆截面为H800×400×50×50，腹杆截面为H400×400×40×40。在体外预应力加载施工期间，对转换钢桁架竖向变形及应力水平进行施工阶段全过程监测。考虑在轴转换钢桁架下弦布置1个变形监测点、1个应力监测点，如图2所示。

　　图2 应力及变形监测点平面布置  

　　各施工阶段转换钢桁架监测理论计算值如表1～3所示。

　　表1 变形监测理论计算值  

　　mm

　　表2 应力监测理论计算值(N·mm^-2)  

　　表3 预加载张拉力理论计算值  

　　k N

　　3 预加载工艺原理及方案选择

　　根据设计提供的转换钢桁架在各楼层施工荷载作用下的变形值，在桁架制作和拼装过程中预起拱。上部楼层结构施工前，对桁架施加体外预应力强行消拱。然后根据上部各楼层荷载的累加同步逐级卸载，确保桁架加载变形值与卸载恢复值保持一致，进而规避前后施工界面裂缝问题。另外，为确保预加载、同步卸载过程安全可控，要全过程跟踪监控。

　　目前较成熟的预加载方法主要有砂袋堆载法、钢锭加载法、水箱加载法等。这些方式需提前准备大量堆载物，施工措施量大，不经济，安全风险高，堆载预加载模拟效果不理想。而施加体外预应力加载方式，是利用穿心千斤顶改装的液压张拉器，通过计算机程序控制泵站，操控单榀或多榀转换钢桁架液压同步张拉钢绞线来实现预压加载的功能。主要原理为:通过油压控制预压加载值、行程传感器来精确控制位移，传力直接，简单易行，安全稳定，造价相对低廉，综合技术经济效益显著，同时解决传统堆载方法在模拟实际荷载时分布不均匀的难题，经综合分析比较，选择体外预应力加载法施工。

　　3.1 预加载施工程序

　　转换钢桁架加工制作→转换钢桁架现场拼装→预加载系统安装→监控系统安装→上部钢结构自重加载→体外预应力补偿加载→4层混凝土施工→第1级卸载→5层混凝土施工→第2级卸载→6层混凝土施工→第3级卸载→7层混凝土施工→第4级卸载→8层结构施工→完全卸载。

　　3.2 体外预加载系统设计

　　体外预加载系统包括预埋件、门型反力架、液压张拉器、预应力高强钢绞线、液压油管、液压泵站、天锚、转换桁架等，如图3所示。

　　反力架底端与锚板现场焊接连接，反力架可选用H型钢，考虑到预加载反力一般较大，端部开坡口与锚板全熔透焊接，反力架横梁与立柱T型等强对接，必要时均增设加劲肋补强，如图4所示。

　　在工厂制作时焊接桁架下弦的天锚工装，天锚工装构造根据预加载反力大小确定，如图5所示。

　　图3 体外预应力加载系统  

　　图4 门型反力架  

　　图5 天锚  

　　4 预加载

　　4.1 结构自重加载

　　本工程转换钢桁架上部为钢框架混凝土楼面结构，优先施工上部钢框架，通过钢框架梁柱自重为转换钢桁架加载，记录钢框架结构自重，监测结构自重引起的转换钢桁架变形值。

　　转换钢桁架上部为钢框架先施工的目的为:尽量减少预加载张拉力值，采用尽可能小的张拉设备。

　　4.2 同步逐级预加载

　　在转换桁架上部各楼层(含转换桁架上弦所在楼层)混凝土结构浇筑前，完成预加载工作。预加载前，对反力架与锚板的焊接、反力架构造等各连接部件可靠性进行检查，通过验收会签，方可下达预加载指令。

　　预加载分5级进行，每级为预加载值的20%，需全过程跟踪监测应力、应变及位移情况。先进行20%试加载，然后对结构预加载系统及结构焊缝连接进行检查，暂停3～6h后再进行第2级加载。其后每级加载完成，均需对预加载系统及原结构检查确认，且随时监控应力监测仪表，监测转换钢桁架位移情况，并做好记录，因此每级加载时间间隔约为1h，直至完成5级加载工作。

　　预加载整个过程要求逐级循序渐进，且各榀桁架同步进行，以避免不同步对结构造成破坏，随时监测应力及变形值，若发现问题需立即停止加载，待问题解决后再继续加载。

　　在整个预加载过程中，转换钢桁架受力后焊缝无开裂、高强螺栓连接部位无松动等异常情况发生;体外预应力张拉加载系统各部件无明显变形、液压泵站压力表读数变化正常、液压油管无漏油现象、钢绞线无断股等现象发生，则为预加载成功。如发现任何问题，应立即停止预加载，分析、查找原因处理后再重新预加载。

　　4.3 同步逐级卸载

　　转换钢桁架卸载需逐级进行，上部每施工1层混凝土均需预先进行1次卸载工作。上部为4～8层混凝土浇筑、主体竣工、幕墙及装修施工阶段，共6级卸载工作。随时监测每级卸载完成和每层混凝土浇筑后的位移变化情况，如有偏差，随时调控卸载量，以确保转换桁架变形协调同步。

　　5 监测结果分析

　　对预加载、卸载的应力及变形采用全过程计算机监控，3榀桁架5级同步预加载、6级同步卸载理论分析与实测值非常接近，虽然过程中由于个别设备原因及时进行修正，总体预应力加载工作进展相对顺利。现将(13),(14),(15)轴转换钢桁架跨中应力及变形进行分析，如图6所示。

　　由图6a,6b可知，预加载阶段随着加载级别的提高，各转换钢桁架的应力水平和位移曲线均近似呈线性增大，5级加载完成后，(13)轴转换钢桁架应力水平最大，且对应位移最大为5.9mm,(15)轴转换钢桁架所受应力最小，在4～5级加载过程中，各转换钢桁架应力水平增长最快。

　　图6 跨中应力及变形分析结果  

　　由图6c,6d可知，逐级卸载过程，应力变化曲线和位移变化曲线均为波浪形，变化幅度趋于平缓。其中，在3～5级卸载过程中，(13)轴转换钢桁架位移有较小波动，但总体卸载过程同步，理论计算与实际监测结果基本吻合。

　　6 有限元分析

　　根据各地施工阶段转换钢桁架监测理论计算值(见表1～3)，对其同步预加载和卸载过程进行有限元建模分析。

　　6.1 预加载完成时

　　通过分析转换钢桁架应力及位移监测结果可知，随着张拉力逐级加大，应力及位移量基本呈线性关系变化。通过有限元分析，转换钢桁架最大竖向位移为5.27mm，变形处于弹性范围内;预加载完成时桁架应力比为0.238，满足规范要求。

　　6.2 卸载过程

　　通过分析转换钢桁架逐级卸载过程中应力及位移监测结果可知，应力及位移变化基本平稳。通过有限元分析，转换钢桁架最大竖向位移为5.27mm，变形处于弹性范围内;卸载完成时转换钢桁架应力比最大为0.37，满足规范要求。

　　综合分析，转换钢桁架监测点最大挠度为5.9mm，预加载理论分析变形值为5.27mm，卸载完成时理论分析位移值为5.72mm，理论计算结果与实际监测值基本吻合。

　　7 结语

　　1)在同步逐级预加载过程中，随着张拉力加大，各轴应力值和位移值均近似呈线性增大，其中，(13)轴转换钢桁架位移增加最大，在5级预加载完成时位移值为5.9mm，预加载完成时桁架应力比为0.238。

　　2)在同步逐级卸载过程中，各轴转换钢桁架应力及位移变化曲线均呈折线形，卸载完成时转换钢桁架应力比最大为0.37。

　　3)通过对转换钢桁架加、卸载过程进行有限元软件建模计算，得到预加载完成时转换钢桁架局部变形为5.27mm，卸载完成时理论分析位移值为5.72mm，卸载完成时转换钢桁架应力比最大为0.37，理论计算结果与实际监测值基本吻合。

　　4)体外预加载法相比于传统堆载法在预加载工艺、节约成本、预加载安全性等方面具有很大优越性，预加载控制精度更高、操作简单易行，在南京江北图书馆工程中已成功实践，并获得了良好效果，具有明显的经济和社会效益，对提高施工进度具有明显效应。