斜拉网格结构是应用越来越广泛的一种大跨空间结构体系, 其主要由支承拉索的主承载构件 (塔桅) 、斜向预应力拉索、屋盖结构3部分组成, 属于刚性构件与柔性构件结合成的混合结构体系^[1]。利用高强预应力拉索代替支承立柱作为屋盖结构的弹性支点可以充分利用钢材强度, 更经济地实现更大的结构跨度。斜拉索通常施加有初始预应力, 预应力改变了屋盖结构的内力状态和结构形状^[2], 因此斜拉空间网格结构的结构性能与普通钢结构相比存在较大差异。

斜拉空间网格结构的施工过程包含预应力拉索张拉工序, 并且因空间结构特点, 拉索往往较难实现一次性同步张拉, 因此合理地分批分级张拉预应力拉索的施工工艺对于保证斜拉空间结构满足设计状态要求至关重要^[3]。目前常用有限元方法对预应力钢结构张拉作业前施工全过程进行模拟计算, 验证张拉施工方案的可行性及其对主体结构的影响。为验证理论分析方法的正确性和可靠性, 需对预应力斜拉索索力进行现场监测。以某大跨斜拉空间结构为对象, 将张拉施工全过程数值模拟与现场索力监测技术相结合, 确保结构在施工阶段的安全性, 并使结构初始状态满足设计要求。

某大跨斜拉空间网格结构作为景观建筑位于成绵高速公路入口, 主要由钢管桁架、纺锤形桅杆、斜拉索及屋面围护膜材组成。结构长轴方向最外侧斜拉索之间跨度为88.65m, 短轴方向最外侧斜拉索之间跨度为40m, 屋盖钢结构由3道钢管桁架构成, 中间倒三角主桁架两端与纺锤形桅杆柱焊接, 2道边桁架则通过横向连系桁架与主桁架连接, 主体钢结构由南北2根纺锤形桅杆立柱刚接于地面, 并配合部分锚固于地面的斜拉索保持结构稳定。屋盖钢管桁架顶部标高为13.980m, 桅杆顶部铸钢节点标高为19.250m, 中间主桁架跨度达到55m, 钢结构屋盖宽度为36.5m。共设12根斜拉索连接屋盖钢结构与纺锤形桅杆顶部, 下部共设8根斜拉索将屋面钢结构与地面锚固, 该工程共计采用20根高钒索。该结构预应力拉索主要采用16根60索, 4根80索, 钢丝束公称抗拉强度为1 670MPa, 弹性模量为1.6×10⁵MPa, 理论最小破断拉力分别为3 120, 5 510k N, 如图1所示。

因施工单位人员设备及现场施工条件所限, 每次只能张拉1根拉索, 需对施工方案进行分析优化。设计单位提出的每根拉索初始预张力及最终确定的拉索施工顺序如表1所示。本工程中涉及的共计20根预应力拉索均为主动索, 通过千斤顶及相应反力装置施加拉索预应力, 总体安装顺序按照先张拉北侧、东侧索, 后张拉南侧、西侧索的原则进行预应力张拉施工。预应力拉索张拉施工的同时, 利用全站仪对钢结构屋盖及桅杆顶部变形进行实时监测。张拉完毕后, 先拆除中部临时支撑, 后分2次同步拆除南北侧临时支撑。由于张拉施工缺少对称性, 每次只进行1根拉索施工, 且拉索与钢结构屋盖连接端为弹性支座, 因此需要通过施工过程模拟验证施工张拉方案的可行性。

预应力张拉施工总体分3个阶段进行:施工前期准备阶段、拉索挂索安装阶段以及预应力张拉阶段。施工前期准备阶段包括技术文档交底、构件材料运输进场、索盘验收和展开的前期准备工作。挂索安装阶段主要包括拉索吊装定位、锚头安装以及拉索外观检查。预应力张拉阶段包括张拉机具安装调试、张拉施工以及索力监测。本工程钢结构总体施工流程如图2所示。

斜拉空间网格结构在张拉过程中可能存在拉索松弛及机构位移等问题, 可采用几何非线性的有限元单元法进行求解。本工程预应力张拉施工过程模拟采用非线性有限元软件进行分析:屋盖钢管桁架结构、纺锤形立柱均采用梁单元模拟;拉索采用杆单元模拟, 材料属性设置为只受拉单元, 通过初始应力功能施加预张力;下部临时胎架采用梁单元模拟, 材料属性设置为只受压单元且释放两端转动自由度;分析中考虑结构应力刚化效应和几何非线性, 如图3所示。

图3所示整体分析模型中的构件规格、边界条件等均与图纸一致, 不考虑活荷载及风荷载影响, 结构自重由程序自动计算。不同位置拉索施加的初始预张力不同, 20根拉索共有200, 120, 80, 50, 45k N 5组预应力分布。因张拉施工的非对称性, 为使平面外稳定索索力对称, 1号及3号拉索按照25%的设计值进行初始张拉。

分析施工过程中结构构件的应力云图, 张拉下部拉索过程中, 主体钢结构应力较大位置出现在纺锤形斜立柱与中间桁架相连处节点位置。张拉上部斜拉索结束后, 屋盖以上位置的纺锤形立柱等效应力增加明显。拆除下部临时胎架前, 整个纺锤形斜立柱的Mises等效应力值均≤50MPa, 拆除临时胎架后, 自重作用下纺锤形斜立柱柱脚部分应力最大值约为95MPa, 如图4所示。

图4列出了各索索力在后续施工步中的变化情况, 1~4号平面外稳定索预张力在后续施工步中变化不大, 原因是这4根拉索主要保证结构平面外稳定性, 后续拉索施工对其干扰较小, 但拆除临时胎架后, 结构因自重作用发生竖向变形, 导致索力略微减小。5, 6号背索在胎架拆除前索力先减小后增加, 7, 8号背索索力基本呈线性增加趋势, 原因为张拉7, 8号背索时会造成5, 6号背索一定收缩, 当施工屋面上斜拉索时又会造成5~8号背索拉伸。张拉顶部15~20号斜拉索时会造成前面已经张拉完毕的11~14号拉索发生一定程度松弛, 因此11~14号索力有一定程度减小。当所有拉索预张力施工完毕拆除临时胎架后, 除1~4号面外稳定索索力有一定程度减小外, 其余16根拉索因承受钢结构自重作用, 索力均有明显较大幅度增加, 如表2所示。

表2列出了拆除临时胎架前后, 全部20根拉索最后一步计算索力与初始预张力的比值。1~4号面外稳定索在胎架拆除前后的索力与初始预张力非常接近, 屋盖端部5~10号背索与结构端部悬挑处连接, 因此边界较柔, 其索力易受后续施工步影响, 临时胎架拆除前后其索力相对初始预张力变化较大。11~14号斜拉索受后续索张拉施工影响产生部分卸载, 但拆除临时胎架后, 受结构自重影响其索力又增加到初始预张力附近。15~20号斜拉索因施工顺序靠后, 其在胎架拆除前的索力与初始预张力较为接近, 在拆除胎架内力发生重分布后, 其索力变化较大。

预应力钢结构张力施工是一个结构从零状态向初始状态转变的动态过程, 由于实际施工过程中存在安装和张拉误差以及受环境影响等原因, 实际结构受力状态与理论分析模型存在一定差别。因此结合现场监测技术对张拉施工过程进行索力测试及结构变形监测, 能够将理论计算结果和实际结构响应进行对比分析, 及时获取张拉施工过程中的结构状态, 保证施工中结构的安全性和施工质量。

结合施工过程的模拟计算结果对拉索张拉过程中结构的变形进行监测, 可以保证张拉施工期间结构安全以及张拉施工整体效果, 对变形的监测主要采用全站仪, 监测的关键点为屋盖钢结构端部、跨中及纺锤形立柱顶部共计7个测点 (见图5) 。张拉施工过程中将测量的变形值与理论计算值进行对比, 当差别较大时分析原因并调整张拉施工方案。

拉索预张力可以通过压力传感器以及频率法进行监测。张拉过程中, 通过专用传感器读数仪可以实时读取安装于液压千斤顶油泵上的压力传感器数据, 而频率法在理论上有比较成熟的公式, 测试过程中所需设备简单可靠, 可满足施工过程多次反复测试的要求, 利用索力与频率直接的关系式^[4], 换算得到拉索索力。本工程即采用频率法测试20根拉索在初始张拉阶段及拆除临时胎架、结构成型后的索力值, 拉索索力F可根据测得的前两阶频率进行计算, 具体公式如下^[5]:

式中:m为拉索线密度;f₁和f₂分别为第1阶和第2阶自振频率;l为拉索计算长度, 该式忽略了拉索本身抗弯刚度的影响。

JGJ257—2012《索结构技术规程》中规定悬索结构的张拉力允许偏差不宜大于设计值的10%, 拱度及挠度允许偏差不宜大于设计值的5%, 但对于斜拉结构没有提出具体指标^[6]。考虑到斜拉结构中拉索主要作为主体钢结构弹性支点减小结构主体跨度, 对于结构形状及整体刚度影响较小, 因此悬索结构和索支承网壳的预张力精度要求可适当放宽。设计单位据此确定以下要求: (1) 索力实测值与理论计算值之间的相对偏差不宜超过20%; (2) 钢结构实际变形量与理论计算值之间的偏差控制在±20mm; (3) 南北侧空间位置对称的拉索预张力应相近, 差值宜≤10%。

拆除主体钢结构下部的临时胎架后, 通过频率法获得的拉索预张力实测值与施工过程模拟计算值的对比如表3所示, 位移监测点变形实测值与理论值对比如表4所示。除5, 6号索外, 其余18根拉索索力的实测值与计算值偏差均≤20%, 5, 6号索为南北侧平面内背索, 实测索力小于计算值较多的原因可能是该处拉索位于屋盖端部, 临时胎架的简化处理导致计算索力偏大。空间位置相互对称的拉索索力差值较小, 基本满足设计提出的要求。现场监测结构关键位置的变形值基本均大于理论计算值, 其原因是使用全站仪时存在读数误差及选点误差, 但计算值或实测值均较小且实际变形量与理论计算值之间的偏差控制在±20mm。对本工程中实测索力值偏差较大的5, 6号索, 后期与设计单位讨论后确定是否需要补张拉或改变相应张拉方案。

结合某大跨斜拉空间网格结构张拉施工实际工程, 基于施工过程仿真模拟及现场监测技术, 得到以下主要结论。

1) 本工程中共计20根预应力拉索均为主动索, 总体安装顺序按照先张拉北侧、东侧索, 后张拉南侧、西侧索的原则进行预应力张拉施工。由于每次只进行1根拉索施工, 因此部分拉索初始张拉时需要欠张拉或超张拉。

2) 采用非线性有限元方法模拟整个张拉施工过程, 主体钢结构应力较大位置出现在纺锤形斜立柱与中间桁架相连处的节点位置。张拉完毕拆除下部临时胎架前, 整个纺锤形斜立柱的等效应力值均≤50MPa。拆除临时胎架后, 纺锤形斜立柱柱脚部分等效应力最大值约为95MPa。

3) 1~4号平面外稳定索预张力在后续施工步中变化不大, 5, 6号背索在胎架拆除前索力先减小后增加, 7, 8号背索索力基本呈线性增加趋势, 原因为张拉7, 8号背索时会造成5, 6号背索一定收缩, 当施工屋面上斜拉索时又会造成5~8号背索拉伸。

4) 当所有拉索预张力施工完毕、拆除临时胎架后, 除1~4号稳定索索力有一定程度减小之外, 其余16根拉索因承受钢结构自重作用, 索力均有较大幅度增加。

5) 除5, 6号索外, 其余18根拉索索力的实测值与计算值偏差均≤20%, 空间位置相互对称的拉索索力差值较小, 基本满足设计提出的要求。现场监测结构关键位置的变形值基本大于理论计算值, 但计算值或实测值均较小且实际变形量与理论计算值之间的偏差控制在±20mm。