学会要闻
大跨度预应力钢结构的张拉新技术
时间：2008-09-24 来源：中国机械工程学会焊接分会
大跨度预应力钢结构的张拉新技术
朱光照
（上海华钢工程建设监理有限责任公司，上海 200092）
摘要：对大跨度空间钢结构施加预应力是一种钢结构应用的新技术。大跨度预应力空间钢结构与传统的大跨度空间钢结构相比，具有节省用钢和建设速度快两大优点。在国内某民航基地维修机库的建造中，采用了国外某公司的预应力钢结构专利新技术。与传统的大跨度空间钢结构相比，该项技术使该工程的用钢量减少了40%，并使工期缩短了50%。本文介绍了这一工程中应用的大跨度空间预应力钢结构的张拉新技术。
关键词：预应力 钢结构 空间结构 变形协调
1 结构概况
预应力钢结构是指在安装过程中对钢结构施加与荷载方向相反的力，在使用过程中此力可部分地抵消荷载。预应力钢结构是钢结构中的一个分支，在建筑领域早已开始应用。但用于大跨度空间结构却有其特色。
海南航空股份有限公司建造海口基地维修机库时，采用了澳大利亚斯塔国际有限公司的预应力钢结构专利新技术。机库的屋架是一个空间钢桁架，宽99.6m，深50m，覆盖面积4980㎡。空间构架由7榀跨度99.6m的桁架式屋架（分10段）、14根高15m的柱、以及支撑（上弦支撑、下弦支撑、斜支撑和柱间支撑）等构成，参见图1。
构架各主要构件的规格列于表1。从表中可以看出，所有构件都是对称断面，绝大部份还为封闭断面，如薄壁圆管、薄壁方管。这样就有效地利用了断面模数，是十分合理的。
为满足施加预应力的需要，制作构架的构件选用了强度高、塑性好的材质。英国的E43A比中国的Q235A有优势，本工程选用了前者。两者的比较列于表2。
图2～图8所示为各主要节点的构造。从中可以看出本设计有4个特点：
1） 连接板通常嵌在构件当中；
2） 封闭断面的两端封闭；
3） 带连接板的杆件与另一杆件T形连接；
4） 所有焊缝用气体保护焊完成并保证熔深。
图1 机库结构剖面图
表1 主要构件的规格
分类 用 料 附 注
中文名称 英文名称 代号 断面及尺寸
屋架 上弦 薄壁方管 SquareHollowSection SHS □250×250×16
下弦 薄壁圆管 CircularHollowSection CHS 2φ139×6.3 两根圆管并列
腹杆 薄壁方管 SquareHollowSection SHS □150×150×9 用于中部
□250×250×10 用于端部
柱 主杆 普通柱 UniversalColumn UC H305×305×11.8
H305×165×5.4
次杆 薄壁圆管 SquareHollowSection SHS □125×125×5
支撑 上弦支撑 薄壁圆管 CircularHollowSection CHS φ168×5φ139×5φ193×6.3
下弦支撑 薄壁圆管 CircularHollowSection CHS φ244×12.5φ219×12.5φ139×5
斜支撑 薄壁圆管 CircularHollowSection CHS φ323×16φ219×8
柱间支撑 薄壁圆管 CircularHollowSection CHS φ244×12.5
图2 上弦节点
表2 钢材比较
分 类 英产E43A 国产Q235A
力学性能 σb 430～580MPa 375～460MPa
σs 265MPa 235MPa
δ 29% 26%
化学成份 C 0.26% 0.14～0.22%
Si 0.50% 0.30%
Mn 1.60% 0.30～0.65%
P 0.050% 0.045%
S 0.050% 0.050%
图3 下弦节点
图
图4 柱节点
图5 屋架同柱的连接
图6 上弦支撑的连接
图7 下弦支撑的连接
图8 柱间支撑的连接
图9 张拉示意
2 预应力的施加
机库的钢桁架屋架分10段制作，在车间内预拼装后拆开，运到工地后，重新组装成10段；先把第一段 + 第二段，以及第九段 + 第十段分别同两柱组装成一体吊装，再逐一吊装其它分段，形成整体结构。
此时屋架的下弦和上弦大致是“平”的。通过施加预应力（图9），桁架式屋架 + 柱被“拉”拢了，即跨度缩小了。
在此同时，整个构架发生了变形：分段但通过法兰连成一体的上弦的长度不变，但由直线变成了向上拱起的曲线；下弦则在向上拱起的同时明显地缩短了，缩短是通过沿线18个插入装置（图10）中的一段下弦杆所带的插入端向另一段下弦杆的插入而实现的。
图10 下弦的插入装置
张拉过程（图11）如下：
1） 终拧屋架与柱连接的高强度螺栓。
2） 稍稍松开各斜向杆件两端的螺栓。
3） 从滑动柱的一端向下弦起点的一个圆孔中，逐个穿入钢铰线。钢铰线每股由7根φ5的钢丝绞成，名义直径为φ15.24，其抗拉强度极限为1860MPa；穿入的钢绞线每孔18根。为便于穿入，分为两索，每索9根，端部拼拢并焊接在一起，套焊上一个带吊钩的“帽子”。事先从固定柱一端的一个圆孔内倒穿一根较细的圆钢。待圆钢绑住吊钩后，开动卷杨机，牵拉圆钢，并随即将两索先后穿过。钢绞线穿通下弦杆后，将尾部锁紧，张拉端插入张拉设备的中心部位。
4） 逐个开动张拉设备，用150kN的力绷紧钢绞线，并随即关闭。所谓张拉设备，实质上是一台水平方向运动的油缸，其水平拉力最大值为400kN，水平行程185㎜/次，每个行程的动作时间为15min。
5） 拆除每个屋架下部用于安装支承架的杆件，使屋架同安装支承架脱离。
6） 仔细检查各处是否还存在影响张拉的障碍物。
7） 在滑道上涂刷牛油。
8） 7榀屋架基本同步开动张拉设备，用最大值为285kN的水平力“拉”下弦。随着张拉的进行，滑动柱沿滑轨渐渐靠拢并最终到达规定的位置（图12）。随着张拉的进行，固定柱由倾斜而竖起来，变成垂直位置（图12）；上弦由大致的直线渐渐上拱变成曲线；下弦从滑动柱一端向固定柱一端，分18个插入口，逐一插入（图10），从而长度缩短，并向上拱起。张拉过程中的运动不完全是匀速的，有时插入端会突然快速插入，从而出现感觉上的“跳跃式运动”。
9） 7榀同步停止张拉，张拉过程历时约7小时。
10）拆除张拉设备，用电动砂轮割去多余的钢铰线，用套帽封闭端头。
11）向灌浆口（图10）加压灌注稀释后的硅酸盐水泥，灌满后旋上盖子。
12）封焊φ25孔（图10）。
13）终拧张拉前旋松的螺栓。
14）修补各处碰损的油漆。
图11 张拉过程
图12 张拉过程中的滑动柱
3 大跨度拱架的安装
为了增加美感，在机库的前后各安装了一个大跨度拱架（图13），跨距137.294m，是钢管全焊接空间结构，承受自重、侧向风荷载和雷电时可能出现的冲击荷载。无缝钢管为20号钢，上、下弦杆选用φ402×12，所有斜杆选用φ219×8。
拱架制作时通过1：1放样和预拼装确保上下弦杆的弧度平滑过度。采用数控等离子相贯线切割机下料并制备坡口。管件弯弧时在其水平中心线上、下范围内均匀加热，以保证整个拱架不出现扭曲和倾斜；加热后的管件以冷却后自然收缩为主，辅以较轻的水平力助弯，以防内弧下侧出现皱折。对试件通过宏观相检验，以及对实物通过UT检验保证对接焊缝和相贯线焊缝的焊透。现场焊接采取挡风措施。
4 两种钢结构的变形协调
机库主体是大跨度预应力钢结构，而前后两个大跨度拱架是普通的钢结构。由于预应力钢结构在荷载的作用上会有肉眼不易观察到、但客观存在的上下运动。因此预应力钢构架和拱架之间存在变形协调问题。此问题通过图14所示的办法，即在两者的相应节点之间，安排两端均铰接的连杆，通过铰点平衡两者的变形。
5 大跨度预应力钢结构的优越性
本工程采用的预应力钢结构新技术有以下三个方面的优越性：
1） 节省钢材。以本工程为例，如采用传统的钢结构用钢量将达1100t，采用预应力技术，用钢量仅为660t，节省了40%的钢材440t。
图13 大跨度拱架梗概
图14 两种钢结构的变形协调
2） 加快建造速度。预应力钢结构的构件制作在工厂完成，到工地组装，在数榀钢结构同步安装的同时，可将内部的照明灯具、雨水虹吸装置、消防喷淋系统、起重梁，以及屋面设施，如檩条、连系檩条、网板、玻璃棉保温层、屋面板、屋面缝压板、天沟、通风口及避雷装置等，一起安装。在七榀构架同步张拉后接通水和电，机库即可交付使用。传统的钢结构安装步骤需要逐一吊装柱、屋架、上下弦支撑、柱间支撑以及各种屋面装置，然后再安装照明灯具等，以本工程为例，传统的安装法需耗时3月，采用预应力技术仅费时1.5个月，快了一倍。
3） 采用预应力钢结构，部分施工可在较低的位置进行，从而为施工带来更多的质量和安全保障。
预应力钢结构适用于许多场合，除机库以外，超市、火车或长途汽车候车室、候船室、低层住宅楼、体育场等等，都可考虑采用。
朱光照
（上海华钢工程建设监理有限责任公司，上海 200092）
摘要：对大跨度空间钢结构施加预应力是一种钢结构应用的新技术。大跨度预应力空间钢结构与传统的大跨度空间钢结构相比，具有节省用钢和建设速度快两大优点。在国内某民航基地维修机库的建造中，采用了国外某公司的预应力钢结构专利新技术。与传统的大跨度空间钢结构相比，该项技术使该工程的用钢量减少了40%，并使工期缩短了50%。本文介绍了这一工程中应用的大跨度空间预应力钢结构的张拉新技术。
关键词：预应力 钢结构 空间结构 变形协调
1 结构概况
预应力钢结构是指在安装过程中对钢结构施加与荷载方向相反的力，在使用过程中此力可部分地抵消荷载。预应力钢结构是钢结构中的一个分支，在建筑领域早已开始应用。但用于大跨度空间结构却有其特色。
海南航空股份有限公司建造海口基地维修机库时，采用了澳大利亚斯塔国际有限公司的预应力钢结构专利新技术。机库的屋架是一个空间钢桁架，宽99.6m，深50m，覆盖面积4980㎡。空间构架由7榀跨度99.6m的桁架式屋架（分10段）、14根高15m的柱、以及支撑（上弦支撑、下弦支撑、斜支撑和柱间支撑）等构成，参见图1。
构架各主要构件的规格列于表1。从表中可以看出，所有构件都是对称断面，绝大部份还为封闭断面，如薄壁圆管、薄壁方管。这样就有效地利用了断面模数，是十分合理的。
为满足施加预应力的需要，制作构架的构件选用了强度高、塑性好的材质。英国的E43A比中国的Q235A有优势，本工程选用了前者。两者的比较列于表2。
图2～图8所示为各主要节点的构造。从中可以看出本设计有4个特点：
1） 连接板通常嵌在构件当中；
2） 封闭断面的两端封闭；
3） 带连接板的杆件与另一杆件T形连接；
4） 所有焊缝用气体保护焊完成并保证熔深。
图1 机库结构剖面图
表1 主要构件的规格
分类 用 料 附 注
中文名称 英文名称 代号 断面及尺寸
屋架 上弦 薄壁方管 SquareHollowSection SHS □250×250×16
下弦 薄壁圆管 CircularHollowSection CHS 2φ139×6.3 两根圆管并列
腹杆 薄壁方管 SquareHollowSection SHS □150×150×9 用于中部
□250×250×10 用于端部
柱 主杆 普通柱 UniversalColumn UC H305×305×11.8
H305×165×5.4
次杆 薄壁圆管 SquareHollowSection SHS □125×125×5
支撑 上弦支撑 薄壁圆管 CircularHollowSection CHS φ168×5φ139×5φ193×6.3
下弦支撑 薄壁圆管 CircularHollowSection CHS φ244×12.5φ219×12.5φ139×5
斜支撑 薄壁圆管 CircularHollowSection CHS φ323×16φ219×8
柱间支撑 薄壁圆管 CircularHollowSection CHS φ244×12.5
图2 上弦节点
表2 钢材比较
分 类 英产E43A 国产Q235A
力学性能 σb 430～580MPa 375～460MPa
σs 265MPa 235MPa
δ 29% 26%
化学成份 C 0.26% 0.14～0.22%
Si 0.50% 0.30%
Mn 1.60% 0.30～0.65%
P 0.050% 0.045%
S 0.050% 0.050%
图3 下弦节点
图
图4 柱节点
图5 屋架同柱的连接
图6 上弦支撑的连接
图7 下弦支撑的连接
图8 柱间支撑的连接
图9 张拉示意
2 预应力的施加
机库的钢桁架屋架分10段制作，在车间内预拼装后拆开，运到工地后，重新组装成10段；先把第一段 + 第二段，以及第九段 + 第十段分别同两柱组装成一体吊装，再逐一吊装其它分段，形成整体结构。
此时屋架的下弦和上弦大致是“平”的。通过施加预应力（图9），桁架式屋架 + 柱被“拉”拢了，即跨度缩小了。
在此同时，整个构架发生了变形：分段但通过法兰连成一体的上弦的长度不变，但由直线变成了向上拱起的曲线；下弦则在向上拱起的同时明显地缩短了，缩短是通过沿线18个插入装置（图10）中的一段下弦杆所带的插入端向另一段下弦杆的插入而实现的。
图10 下弦的插入装置
张拉过程（图11）如下：
1） 终拧屋架与柱连接的高强度螺栓。
2） 稍稍松开各斜向杆件两端的螺栓。
3） 从滑动柱的一端向下弦起点的一个圆孔中，逐个穿入钢铰线。钢铰线每股由7根φ5的钢丝绞成，名义直径为φ15.24，其抗拉强度极限为1860MPa；穿入的钢绞线每孔18根。为便于穿入，分为两索，每索9根，端部拼拢并焊接在一起，套焊上一个带吊钩的“帽子”。事先从固定柱一端的一个圆孔内倒穿一根较细的圆钢。待圆钢绑住吊钩后，开动卷杨机，牵拉圆钢，并随即将两索先后穿过。钢绞线穿通下弦杆后，将尾部锁紧，张拉端插入张拉设备的中心部位。
4） 逐个开动张拉设备，用150kN的力绷紧钢绞线，并随即关闭。所谓张拉设备，实质上是一台水平方向运动的油缸，其水平拉力最大值为400kN，水平行程185㎜/次，每个行程的动作时间为15min。
5） 拆除每个屋架下部用于安装支承架的杆件，使屋架同安装支承架脱离。
6） 仔细检查各处是否还存在影响张拉的障碍物。
7） 在滑道上涂刷牛油。
8） 7榀屋架基本同步开动张拉设备，用最大值为285kN的水平力“拉”下弦。随着张拉的进行，滑动柱沿滑轨渐渐靠拢并最终到达规定的位置（图12）。随着张拉的进行，固定柱由倾斜而竖起来，变成垂直位置（图12）；上弦由大致的直线渐渐上拱变成曲线；下弦从滑动柱一端向固定柱一端，分18个插入口，逐一插入（图10），从而长度缩短，并向上拱起。张拉过程中的运动不完全是匀速的，有时插入端会突然快速插入，从而出现感觉上的“跳跃式运动”。
9） 7榀同步停止张拉，张拉过程历时约7小时。
10）拆除张拉设备，用电动砂轮割去多余的钢铰线，用套帽封闭端头。
11）向灌浆口（图10）加压灌注稀释后的硅酸盐水泥，灌满后旋上盖子。
12）封焊φ25孔（图10）。
13）终拧张拉前旋松的螺栓。
14）修补各处碰损的油漆。
图11 张拉过程
图12 张拉过程中的滑动柱
3 大跨度拱架的安装
为了增加美感，在机库的前后各安装了一个大跨度拱架（图13），跨距137.294m，是钢管全焊接空间结构，承受自重、侧向风荷载和雷电时可能出现的冲击荷载。无缝钢管为20号钢，上、下弦杆选用φ402×12，所有斜杆选用φ219×8。
拱架制作时通过1：1放样和预拼装确保上下弦杆的弧度平滑过度。采用数控等离子相贯线切割机下料并制备坡口。管件弯弧时在其水平中心线上、下范围内均匀加热，以保证整个拱架不出现扭曲和倾斜；加热后的管件以冷却后自然收缩为主，辅以较轻的水平力助弯，以防内弧下侧出现皱折。对试件通过宏观相检验，以及对实物通过UT检验保证对接焊缝和相贯线焊缝的焊透。现场焊接采取挡风措施。
4 两种钢结构的变形协调
机库主体是大跨度预应力钢结构，而前后两个大跨度拱架是普通的钢结构。由于预应力钢结构在荷载的作用上会有肉眼不易观察到、但客观存在的上下运动。因此预应力钢构架和拱架之间存在变形协调问题。此问题通过图14所示的办法，即在两者的相应节点之间，安排两端均铰接的连杆，通过铰点平衡两者的变形。
5 大跨度预应力钢结构的优越性
本工程采用的预应力钢结构新技术有以下三个方面的优越性：
1） 节省钢材。以本工程为例，如采用传统的钢结构用钢量将达1100t，采用预应力技术，用钢量仅为660t，节省了40%的钢材440t。
图13 大跨度拱架梗概
图14 两种钢结构的变形协调
2） 加快建造速度。预应力钢结构的构件制作在工厂完成，到工地组装，在数榀钢结构同步安装的同时，可将内部的照明灯具、雨水虹吸装置、消防喷淋系统、起重梁，以及屋面设施，如檩条、连系檩条、网板、玻璃棉保温层、屋面板、屋面缝压板、天沟、通风口及避雷装置等，一起安装。在七榀构架同步张拉后接通水和电，机库即可交付使用。传统的钢结构安装步骤需要逐一吊装柱、屋架、上下弦支撑、柱间支撑以及各种屋面装置，然后再安装照明灯具等，以本工程为例，传统的安装法需耗时3月，采用预应力技术仅费时1.5个月，快了一倍。
3） 采用预应力钢结构，部分施工可在较低的位置进行，从而为施工带来更多的质量和安全保障。
预应力钢结构适用于许多场合，除机库以外，超市、火车或长途汽车候车室、候船室、低层住宅楼、体育场等等，都可考虑采用。