预应力钢筋混凝土桁架

预应力钢筋混凝土桁架（精选7篇）

预应力钢筋混凝土桁架 篇1

0 引言

桁架梁桥是大跨径桥梁的重要结构形式之一。目前大多数的桁架梁桥是预应力混凝土结构, 桁架桥梁在外观方面具有更好的使用性能, 桥下拥有开阔的视野, 桥下的净空间也很大。跨径越多技术越难, 所以跨径的大小是显示一个桥技术水平的重要指标。

按照承重方式, 桥梁可分为实腹桥和桁架桥。实腹桥的尺寸和面积受弯矩的大小控制, 而当力均匀作用在桥上时, 跨度越大弯矩越大。当桥梁跨径大时, 腹板的法向平均应力值较小, 这样材料就没有得到完全利用, 所以实腹梁桥的跨径一般不大。而桁架桥的拉压力是由桁架上的各个杆件分担, 所以利用率高, 跨度大。

实腹桥因其结构简单、造价便宜一般多用在预应力混凝土桥梁结构上, 而桁架桥则在公路上和铁路上使用的较多。

1预应力混凝土桁架梁桥的概述

预应力混凝土桁架梁桥主要结构是两片主桁架和纵横向联结系。该结构能充分利用每一个构件, 从而具有刚度大、重量轻、跨径大等优点, 并且该结构下混凝土不会出现裂缝。另外, 该结构的重量轻、钢材和水泥用量相对较少、外形美观等优点, 加之结构受力很合理、伸缩缝小等特点, 该种结构的桥梁正在广泛使用中。预应力混凝土桁架是由两种材料共同构成的, 即预应力钢材和混凝土。预应力混凝土桁架梁桥有多重设计形式, 要求杆与杆之间的连接要尽可能简化, 构件的构造尺寸也在要进行考虑。预应力混凝土桁桥有着很好的发展前景, 桁架的结构也越来越科学合理, 其中拉压桁梁桥是最合理的桥梁结构, 在小跨度和大快读桥梁中都具有很强的竞争力。

2工程概况

2.1设计标准

某段桥梁设计要求有以下几点:

(1) 线路等级为四级, 设计行车运行速度为20 km/h。

(2) 桥梁总宽5.5 m, 包含两道各0.5 m宽的防撞护栏。路基总宽5.5 m, 包含两道各0.5 m的土路肩。

(3) 桥梁两端的纵坡为5.0%, 竖曲线半径为1 000 m, 变坡点设在侨中。

(4) 该桥是建造在水面上方的桥梁, 航道等级设计为III级。

(5) 本桥设计使用年限为100 年, 安全等级为二级, 环境类别为I类。

2.2结构设计

主桥上部结构为预应力砼桁架梁结构, 计算跨径为80 m, 计算高度为8.0 m, 桁架上弦杆的横截面为矩形, 尺寸为65 cm × 65 cm。桁架下弦杆的横截面也是矩形, 尺寸为85 cm × 65 cm。节点间距均为8.0 m, 节点处设置横梁。主桥有8 cm的预拱度, 拱形符合二次抛物线规律。引桥上部结构采用20 m先张预应力混凝土空心板, 每块板配15 根钢绞线。主桥的桥墩采用薄壁墩身, 每个墩身采用4根桩, 桩径为φ150 cm。引桥的桥墩每个墩身采用2 根桩, 两根桩之间的距离为3.3 m, 桩径为φ1.1m。主桥和引桥的基础均是φ120 cm的钻孔灌注桩。

3预应力桁架桥的施工技术

3.1桁架的制造

3.1.1构架预制

桁架梁桥的主要结构为桁架, 修建该桥梁的首要任务就是进行桁架中国各个构架的制作。根据本桥梁的结构设计, 将80 m的桁架梁划分成8 个节段, 两个节点之间的距离为一个节段的长度, 节段与节段的连接采用现浇混凝土接头的方式。该桥地处某工程线路上, 采用先修桥再通河的方法, 在桥孔位置上先预制桁架, 然后再采用整体放样分段浇筑的方式。预制构架现场, 要先将场地平整夯实, 然后再在上面加一层混凝土。这项工作完成之后, 先按桁架尺寸整体放样, 按节段立模, 由于工期的限制, 本工程采用的是木模板。为了方便浇筑混凝土后模板更容易拆掉, 在浇筑之前应该在模板上刷涂隔离剂。

该桥梁的预应力钢筋布置方式为直线布置, 预留孔道相对应的采用镀锌管, 管的两端要留有50cm的长度, 为了方便管的转动和使用过后的抽离, 在管上应钻眼并将钢筋装进管内。管准备好后即放入木模板中。

在进行浇筑混凝土工作之前, 要进行一系列工作的检查, 首先是一般性的检查, 如没有问题再进行更细致部位的检查。例如, 制孔管的位置是否摆放正确、光滑度和平直度是否满足要求, 桁架梁桥的在节点处的钢筋非常密集, 如果没有防护措施很容易串浆, 所以制孔管在下弦杆断面内部需要套上隔浆管。另外, 注意接头处弦杆在纵向方向的搭接长度是否足够。

混凝土的强度也有一定的要求, 本次桥梁的设计强度为600 kg/cm2, 配合比为1∶1.383∶2.940, 水泥的型号为普硅525 号, 每立方米水泥的用量是383 kg, 水与石灰的比例为0.45, 含砂率控制在32%, 这种配比使混凝土的强度比设计强度更高。浇筑混凝土时同一般的混凝土浇筑一样, 采用插入式振动器进行混凝土的密实工作。每一阶段的浇筑方式为一次性浇筑。

3.1.2预应力张拉工艺

为了更好的实现该桥梁的功能, 本次采用的预应力张拉工艺为先进的精轧螺纹钢筋后张铺股工艺。选用的钢筋为40Si2Mn Mo V, 这种钢筋具有优良的特性, 强度、刚度均较大。它的化学成分和力学性能见表1、表2所示。

锚具的选用较简单, 由螺母和一个垫板组成, 螺母是该工艺的关键, 是预应力和混凝土构件中间力的传递的重要工具。张拉采用的千斤顶是YG-70型穿心式单作用千斤顶。

张拉操作的具体步骤:

(1) 先将预应力钢筋插入预先设置好的孔道, 然后锚具安装好, 并拧紧, 钢筋的位置在居中。

(2) 将穿心拉杆安装在张拉端, 拉杆在拧进去的距离不少于6倍螺距。

(3) 将千斤顶安装在穿心拉杆上。

(4) 确定好千斤顶、穿心拉杆、锚具的具体位置, 保证预应力钢筋中心线和张拉力的作用线在一条直线上, 不得有偏斜。位置确定好后, 就可以开动油泵进行张拉。张拉进行的同时, 螺母也要不断拧紧, 主意螺母不要拧近千斤顶的壳体内, 且要保证油压的稳定, 不得大小不定, 直到拉至设定的吨位。

(5) 由与钢筋的拉伸长度超过了千斤顶的行程, 所以还需要进行第二次的张拉, 重复第四点中的动作。

(6) 本桥的预应力张拉需要在两端进行, 先在一端进行张拉, 完成后再以剩余的预应力值张拉另一端。

预应力张拉完成之后, 必须马上在孔道内压注水泥浆。但是, 也要保证注入前管道的清洁度。本桥采用的压降泵为电动活塞式, 压浆采用的水泥是600 号硅酸盐水泥, 灌浆的顺序是先下后上, 但是也要注意上层孔道的灰浆降落阻塞下层孔道。下弦杆的预应力孔道较长, 一次压浆不能完成, 需进行二次压浆, 两次压浆的时间间隔为20 min, 压浆是要注意对你压浆的控制, 排气槽有浓浆冒出后就将小槽封闭, 浆液将孔道注满后立即关闭电泵, 停止压浆, 确保不使浆液外露。压浆结束后, 待水泥固结, 且强度达到设定值后, 用氧乙炔火焰在预应力筋的两端进行烧割, 并将之前安装的设备清理掉。

3.2桁架梁的安装

桁架的制作完后之后就要进行桁架梁的安装。前文已提到, 桁架梁是分阶段的, 安装时再将分阶段的桁架梁桥拼接在一起, 对接头进行混凝土浇筑, 再张拉下弦预应力钢筋。

在进行桁架梁安装工作之前要先进行准备工作, 包括吊装机具和支架的安装、轴线和标高的控制。主桁调装选用无缝钢管制作的八字扒杆, 钢管的尺寸为φ273 mm、厚度为10 mm, 最大吊重达到30t。该桥采用混凝土块砌成的安装墩作为临时支架, 安装墩的具体位置为节段的两端。另外, 下弦杆要进行预应力的张拉, 所以节段的两端还要再增设加强墩。关于轴线与标高的控制, 首先要确定中线和支点位置, 安装精度要求很高, 误差控制在5mm之内。桁架上的标高以下弦杆中间的预应力孔道的中线高程为测量标准。

具体的安装步骤为:

(1) 将阶段I的其中一片桁架用人字扒杆立起来, 然后吊运至安装支墩上, 标高和轴线的位置非常重要, 用千斤顶和硬木楔进行调整, 调整好后安装揽风锁和预先制作好的临时支撑。

(2) 重复上述第一点将另外一个桁架安装好。

(3) 两片桁架均安装好之后, 上弦之间增加临时横撑, 同时节段两端也要设置一对临时剪力撑。

(4) 最后安装顶梁和桥面横梁, 接头的钢筋要焊接牢固。

(5) 剩余的阶段桁架的安装方法和阶段I类似。

安装完成之后进行接头的混凝土浇筑。

4结语

预应力工艺易操作, 工序较少, 所以施工简单, 时间较短。该桥梁在建成并通车两年后, 未出现问题, 使用情况良好。本次施工的地理环境是在土质较软的位置, 说明桁架桥在此种地质条件下仍能成功修建。

参考文献

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[9]王于晨.“钢筋混凝土组合梁桥非线性分析与承载能力研究”通过了部级技术鉴定[J].公路交通科技, 1992, (03) .

预应力钢筋混凝土桁架 篇2

预应力混凝土桁架桥是一种常见桥型, 之所以能长期存在, 主要是其具有一定的经济技术优越性[1]。考虑经济方面, 桁架桥比起实腹桥更节省材料, 通过施加预应力筋可以节省10%以上的材料;考虑技术方面, 桁架桥受力明确, 便于分析计算, 刚度较大, 简支桁架是外部静定的, 内部有较低超静定, 杆件受力分布较为合理;考虑施工方面, 桁架桥施工工期较短, 装配简单[2]。另外, 桁架桥对地基的承载力要求较低, 整体较稳定。因此, 桁架桥在桥梁建设中具有较强的实用性。随着我国交通事业的迅速发展, 大跨度预应力混凝土桁架梁桥也得到了广泛的应用。

桁架梁早期曾采用木桁架, 但因木材易腐朽, 强度低, 跨越能力不大, 现在已经不大使用[3]。钢齿板连接木桁架 (轻型木桁架) 是采用齿板将规格材连接而成的工程木制品, 它的应用提高了木桁架承载能力。相关试验表明轻型木桁架在设计荷载下有很好的工作性能, 是一种经济、可靠、环保的结构体系[4]。钢筋混凝土桁架桥拉杆因受拉力而出现裂缝, 故甚少修建。对装配式钢筋混凝土简支梁桥而言, 在技术经济上合理的最大跨径为20m左右。对于超过20m的大跨度混凝土桁架梁桥, 为克服桁架梁桥竖杆及下弦杆件受拉而产生裂缝, 采用预应力混凝土桁架, 使拉杆在外荷载作用下产生很小的拉应力, 以保证在设计荷载下不出现裂缝[5]。

预应力混凝土桁梁设计有多种型式, 选择桁梁型式时要求杆件连接部分尽可能简化, 同时要综合考虑构件的构造尺寸。根据这个观点, 选择霍氏桁梁[6]是合理的。周边地区修建了几座霍氏预应力混凝土桁架桥, 如姜堰董潭大桥 (82m) 、兴化红星大桥 (82m) 及江都武坚大桥 (82m) 等。

预应力混凝土桁梁有着很好的发展前途, 目前桁架的结构型式做的越来越完善。认为拉压构件桥梁即桁式结构体系是最优桥式结构, 无论在中小型桥梁还是在大跨度桥梁的比选中, 都具有极大的竞争力, 具有广阔的应用前景[7]。

1 武坚大桥工程概况

1.1 设计标准

(1) 本桥接线公路等级:四级公路, 设计速度:20km/h。

(2) 桥梁设计荷载:公路-Ⅱ级的折减 (车道荷载的效应乘以0.8的折减系数, 车辆荷载的效应乘以0.7的折减系数) 。

(3) 桥梁宽度:净-4.5m车行道+2×0.5m防撞护栏, 桥梁全宽5.5m;路基宽度:净-4.5m车行道+2×0.5m土路肩, 路基全宽5.5m。

(4) 桥梁纵坡:桥梁两端纵坡为5.0%, 竖曲线半径为1000m, 变坡点设在桥中。

(5) 本桥结构的设计基准期:100年, 设计安全等级:二级, 环境类别:Ⅰ类。

1.2 主桥结构设计

主桥采用82m预应力砼桁架梁结构, 其计算跨径为80m, 计算高度为8.0m, 高跨比为1/10;桁架梁上、下弦杆均为矩形断面, 尺寸分别为65~85cm×65cm和85cm×65cm, 节点间距8.0m, 节点处设置横梁。主桥桁架梁跨中设置8cm预拱度, 按二次抛物线全跨分配。

2 施工方案与程序

2.1 主桥上部结构施工方案主桥上部结构施工程序:

(1) 场外分段预制桁架梁, 对桁架梁竖拉杆进行张拉, 压M40水泥浆。利用主墩及临时墩现场搭设施工支架, 预压施工支架。

(2) 安装3中段桁架梁, 现浇湿接头。

(3) 安装相应的内横梁及风撑, 现浇湿接头。

④张拉桁架梁下弦杆第一批钢束, 压M40水泥浆。

⑤安装2边段桁架梁, 现浇湿接头。

⑥安装端横梁和相应的内横梁及风撑, 现浇湿接头。

⑦张拉桁架梁下弦杆第二批钢束, 压M40水泥浆。

⑧对称均匀铺设桥面板。

⑨张拉桁架梁下弦杆第三批钢束, 压M40水泥浆。

⑩拆除桁架梁支架。

(10) 浇筑桥面铺装砼、防撞护栏砼等。

(11) 张拉桁架梁下弦杆第四批钢束, 压M40水泥浆, 封锚。

(12) 施工桥面其他附属设施, 成桥。

2.2 主桥上部结构部分施工流程图

主桥上部结构部分施工流程图如图3所示。图为张拉桁架梁下弦杆第四批钢束, 压M40水泥浆, 封锚。施工桥面其他附属设施, 成桥。

3 施工变形控制的目的

通过理论分析, 可以得到各施工阶段的理想标高, 但实际施工中受各种因素的干扰, 可能导致成桥线形偏离设计要求, 构件拼装精度达不到设计要求, 给桥梁施工安全、外形、可靠性、行车条件和经济性等方面带来不同程度的影响。因此, 有必要对施工全过程实施有效的施工监控, 确保成桥线形最大程度符合设计要求。目前, 施工变形控制已成为大跨度桥梁修建必不可少的质量保证措施。因此, 本桥施工变形控制的主要目的就是要确保施工过程中变形满足安全要求, 同时保证成桥后结构的线形符合设计要求。

针对混凝土桁架梁桥的结构特点, 施工变形控制首先必须对桥梁进行详细的事前预测分析, 即在施工前对施工方案进行研究和分析, 准确模拟施工过程, 确定施工过程中控制变形的关键点, 从宏观上控制全过程的安全和稳定。

桥梁施工变形控制是一个系统工程, 主要包括两个部分:一是数据采集系统, 即监测;另一部分是数据分析处理系统, 即控制。

混凝土桁架梁桥的施工变形控制是利用事先在桁架梁主要关键点埋设的性能各异的传感器和相关的测试仪器, 按施工方案的工序确定监测工况, 测得大量数据, 包括几何参量。本次施工变形控制主要包括的内容:桁架梁拼装过程中关键节点的控制标高。

混凝土桁架梁的施工变形控制是利用计算机软件, 对数据进行分析处理, 与原设计进行比较和误差分析, 并确定和指导下一个阶段的施工参数, 预报施工中可能出现的不利状况及避免措施, 尽可能使桥跨结构的线形达到设计预期值, 确保桥梁施工安全和正常运营。

4 施工变形控制的原则

桥梁的施工变形控制是一个预告→量测→识别→修正→预告的循环过程。施工变形控制的主要目的是确保施工中结构的安全和成桥线形满足设计要求, 即结构变形控制在误差允许范围内, 结构有足够的稳定性。

线形要求:成桥线形满足规范要求, 并确保桁架梁拼装节点坐标与预制构件线形符合设计要求。

本桥施工变形控制的方法:桁架梁中节点位移在施工过程中实时监测并反馈, 全桥结构以桁架梁截面变形作为控制。线形的控制主要通过桁架梁拼装施工过程中构件节点标高的调整实现。

施工中, 如发现线形误差偏大 (如湿节点标高与设计值相差较大) , 应暂停施工, 查明原因, 及时纠正, 尽可能满足要求。

5 施工变形控制系统的建立

根据本项目的实际情况选用自适应控制方法, 其基本原理为:通过施工过程的反馈测量数据, 不断更正用于施工控制的跟踪分析程序的相关参数, 使计算分析程序适应实际施工过程, 当计算分析程序能够较准确的反映实际施工过程时, 即以计算分析程序指导以后的施工过程。其基本步骤如下:

(1) 以设计的成桥状态为目标, 按照规范规定的各项设计参数确定每一施工步骤应达到的分目标, 并建立施工过程跟踪分析程序;

(2) 根据上述分目标开始施工, 测量实际结构的变形数据;

(3) 根据实际测量的数据分析和调整各设计参数, 以调整后的参数重新确定以后各施工步骤的分目标, 建立新的跟踪分析程序;

(4) 反复上述过程即可使跟踪分析程序的计算与实际施工相吻合, 各分目标也成为可实现的目标, 进而利用跟踪分析程序来指导以后的施工过程和必要的调整与控制。

武坚生产桥主桥跨径82m, 系预应力混凝土桁架梁结构, 通过施工中的构件控制截面标高数据采集, 对所采集的数据进行误差分析后, 不断修正设计参数, 使标高的计算与实测值之差不断缩小, 从而使计算程序控制住当前的施工过程, 进而预估将来的施工状况, 达到施工变形控制的目的。

本桥施工过程中变形控制应密切注意:桁架梁下弦杆拼装湿节点坐标的误差。

当然, 在施工过程中, 误差的产生是不可避免的。当控制点标高误差等参数满足工程精度要求, 则不必调整;当误差超出精度控制范围或各工况的累积误差已不容许时, 则必须进行调整。

6 施工变形控制计算分析

利用空间有限元软件SAP2000V14进行计算分析。该系统具有强大的计算功能, 能进行各种结构体系荷载的线性与非线性结构响应计算, 能够实现复杂的截面施工操作, 能够有效地模拟施工中采用的临时支架, 能够进行结构上下部共同作用的分析;可进行分阶段施工过程的计算分析, 输出各施工阶段对应的结构响应。

施工变形控制计算是将按实际施工过程划分施工单元, 按实际施工流程, 计算桁架杆件在施工过程中的竖向变形值。

7 施工过程中的变形控制点布置

7.1 支架预压监测

在桁架梁拼装前, 施工单位需根据设计和规范要求对支架进行堆载预压, 以消除其非弹性变形和沉降。监控单位分别对支架预压前、预压完成后 (卸载前) 和卸载后三个工况的沉降进行监测, 由此得到支架的弹性变形值, 用于桁架梁下弦杆节点标高计算。

7.2 结构变位监测

结构变位监测主要包括基础 (或临时墩) 沉降测量, 桁架梁控制截面标高测量。

(1) 基础沉降测量

在基础的承台上布设测点, 共设6个位移观测点。用水准仪进行基础沉降观测, 测点布置见图4。

(2) 桁架梁控制截面标高测量

由于桁架梁一旦形成, 后期调整余地很小, 因此, 桁架梁在预制阶段就要对其线形严格控制, 在安装过程中应监测其截面控制点标高, 对控制点截面各个工况的位移进行监测。两片桁架梁位移测量共设6个位移观测点。一片桁架梁位移测量的测点布置见图5。

8 桁架梁位移监测与分析

8.1 支架预压监测与分析

支架预压测点布置见图6。由表1可见, 临时支墩的平均弹性变形值为5mm, 支架跨中的平均弹性变形值为43.5mm。因此, 建议桁架梁安装时跨中设置40mm预拱度, 按二次抛物线全跨分配。

8.2 桁架梁位移监测与分析

工况一:搭设中孔桁架梁及横梁支架, 安装桁架梁中间3段及相应横梁和风撑, 张拉桁架梁下弦杆钢束 (一次) 。

工况二:安装剩余的桁架梁及相应横梁和风撑, 张拉桁架梁下弦杆钢束 (二次) 。

工况三:铺设桥面板, 张拉桁架梁下弦杆钢束 (三次) 。

工况四:拆除桁架梁支架。

工况五:浇筑桥面铺装砼等, 张拉桁架梁下弦杆钢束 (四次) , 成桥。

桁架梁位移监测测点布置见图7, 各工况桁架梁位移实测值与分析值比较见表2。由表2可见, 实测值与分析值差值之平均值:Y平均=7.3<10mm, 各工况桁架梁位移实测值与分析值基本吻合, 仅在工况4时桁架梁跨中测点位移实测值小于分析值1.5cm, 在工况5时桁架梁跨中测点位移实测值小于分析值1.7cm, 其主要原因有二:一是实际施工程序发生变化, 即桥面铺装在拆除支架前完成浇筑, 二是临时支墩反力的大小及其分布与计算模型产生的误差影响。考虑本桥跨中设置了8.0cm预拱度, 因此, 此偏差对桥梁线形影响较小。

9 结论与建议

(1) 根据支架预压监测结果分析, 建议桁架梁安装时跨中设置40mm预拱度, 按二次抛物线全跨分配。

(2) 桁架梁各工况测点位移实测值与分析值差值之平均值:Y平均=7.3<10mm, 测点位移实测值与分析值基本吻合。工况4时桁架梁跨中测点位移实测值小于分析值1.5cm, 工况5时桁架梁跨中测点位移实测值小于分析值1.7cm, 其主要原因有二:一是实际施工程序发生变化, 即桥面铺装在拆除支架前完成浇筑, 二是临时支墩反力的大小及其分布与计算模型产生的误差影响。由于本桥跨中设置了8.0cm预拱度, 因此, 此偏差对桥梁线形影响较小。

(3) 综上所述, 通过对预应力混凝土桁架梁桥施工过程进行变形控制, 其成桥过程中的线形符合设计及规范要求。

参考文献

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[6]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京:中国铁道出版社, 1992.

预应力平面钢桁架优化方法综述 篇3

1 预应力钢桁架优化发展及国内外研究现状

在钢结构中施加预应力的方法,在19世纪末就已提出。1897年茹霍夫设计的莫斯科百货商场对拱形钢屋盖施加了预应力,这是最早的预应力钢结构之一[6]。预应力钢结构在建筑结构中真正广泛应用,也还是近50年的事情。

预应力钢结构已从基本构件(如梁、屋架等)扩展到刚架、桥梁结构、悬挂屋盖结构、塔桅结构,取得了良好的经济效益。预应力钢结构作为一种新颖的结构,在前苏联、捷克、德国、比利时、英国、美国、加拿大等国家得到较广泛的应用。相关的理论和试验研究也从基本构件的静力强度分析深入到动力和疲劳性能、弹塑性阶段受力性能、优化设计、高效预应力技术以及预应力钢结构经济学的研究。

我国20世纪50年代后期也开始预应力钢结构的研究与开发,并在一批工矿企业的输煤栈桥和吊车梁上采用了预应力技术。同时对一批旧有的桥梁及构筑物采取了预应力加固措施。50年代中期已经集中了国内主要科研力量攻关,将此课题列入国家重点科学研究项目,取得了重要成果。1959年的山西大同煤矿四老沟矿的输煤栈桥是我国的第一座预应力钢结构构筑物,这也揭开了我国预应力钢结构实践发展的序幕[6]。

五六十年代,我国一些高等院校及科研单位进行过这方面的理论与试验研究,取得了一些成果,并且将研究成果应用于预应力拱形屋盖梁、预应力输煤栈桥等结构中,迄今这些结构仍然使用良好。近年来,随着我国经济形势的迅速好转,钢产量逐年增加,预应力钢结构的应用日益增加,并已经进入了一个新的发展阶段。与此同时,我国的预应力技术也迅速发展,研究与应用水平有了很大提高,某些方面已经赶上国际先进水平,积累了丰富的设计和施工经验。这些都为预应力钢结构在我国的应用和发展创造了良好的条件。这表明,预应力钢结构在我国具有很好的发展前景,值得进一步深入、全面地研究与推广应用,为我国经济建设服务。

平面钢桁架是预应力钢结构领域中研究最早的一种结构形式,并且是预应力钢结构中应用范围较为广泛的一种结构形式,其中主要以简支桁架、连续桁架、悬臂桁架、拱式桁架和立体桁架研究和应用的较多。

2 优化一般所采用的方法

对于预应力钢结构,其合理的体型和钢索布置、钢索预应力的准确建立与控制、动力分析、抗震性能、非线性分析及结构的优化设计、索力的优选等问题仍是急需研究解决的课题。广义结构优化研究包括:结构尺寸优化、形状优化、拓扑优化、布局优化、考虑可靠度的优化、考虑材料变化的优化、动力结构优化、控制结构优化、非线形结构优化等众多分支。在优化设计的发展过程中,曾经提出许多优化算法。按照优化结果的特征,可以将优化算法分成两大类:确定性算法和随机性算法。

2.1 确定性算法

确定性算法根据算法特征可以分为3类:解析法、优化准则法和数学规则法。

2.1.1 解析法

解析法是基于古典的微分极值原理及变分原理的经典方法,通过寻找使目标函数W(x)对x的导数等于0来求函数的极值。对于无约束条件的情形,可直接用微分求极值的方法来得到目标函数的优化值;对于等式约束条件,可以采用变量消去法或Lagrange乘子法,把问题转化为无约束条件下的极值问题进行求解。解析法的优点是:从数学上看,解析法具有理论上的严密性和计算上的精确性;从使用上看,由于得到解析结果而不是数值结果,所以具有广泛的适用性。但是解析法的缺点是实用范围很小。

2.1.2 优化准则法

优化准则法[9]是根据工程经验、力学概念以及数学规划的最优性条件,预先建立某种准则,通过相应的迭代方法,获得满足这一准则的设计方案(解),作为问题的最优解或近似最优解。在早期的结构优化中,大多按工程经验和直觉来提出优化准则,如等强度设计准则、同步失效准则、满应力准则、满位移准则和满能量准则等。

准则法的优点在于:1)收敛速度快,重分析次数一般与设计变量的数目没有多大关系,计算工作量大为减少;2)从工程角度而言,准则法比较直观,易为结构设计人员所接受。准则法还基本上属于一种“经验性”的工程方法,在应用上有很大局限性。准则法的主要缺点是不同性质的约束条件要使用不同的准则(如应力、位移、频率等有关准则);结构优化的目标一般只限于重量最轻,而且结构布局和几何形状是固定不变的,设计参数一般只限于结构构件的截面尺寸。准则法缺乏坚实的理论依据,它的收敛性没有严格的数学证明,目前尚无法严格证明当设计变量满足优化准则时,就一定也满足最优设计的要求。适用于简单的静定结构强度分析问题,对于涉及稳定、动态或其他稍微复杂的分析就难以应用。

2.1.3 数学规则法

数学规则法是将优化问题抽象成数学规划形式来求解,即把问题归结为在设计空间,由等式约束超曲面和不等式约束半空间所构成的可行域内,寻求位于最小目标等值面上的可行点即为问题的最优解点。数学规则法有严格的理论基础,在一定条件下能收敛到最优解,但它要求问题能显示表示,并且大多数还要求设计变量是连续变量,目标函数与约束函数连续且性态良好。目前,数学规则理论中,对于线性规则问题(目标与约束函数均为设计变量的线性函数),单纯形法已经非常成熟,是一种比较常用的、不需要计算函数导数的直接方法,能保证获得全局最优解。

2.2 随机性算法

2.2.1 随机性算法

随机性算法即非确定性的优化算法,优化步骤在一定程度上依赖概率事件。该种算法不一定能寻得最优解,但是它可以找到更优解,这种思路与人类行为中成功的标准是很相似的。几乎所有的随机性算法都可以在概率意义下渐进收敛到全局最优解,即这些保证以概率1渐进收敛。

目前常用的随机性优化算法主要是仿生学的方法,因为生物在漫长演变过程中按照“适者生存”的原理逐渐从最简单的低等生命一直进化到人类,其本身就是一个绝妙的优化过程。常用的仿生学方法主要有遗传算法、模拟退火算法、神经元网络算法、结构智能优化设计等。

2.2.2 基因遗传算法

基因遗传算法最早是由美国Michigan大学的J.H.Holland教授于1975年创建的,主要是利用二进制编码来表示染色体,依据遗传机制由父代二进制编码繁殖下代二进制编码来模拟生物群体的进化历程。遗传算法的主要优点是有很强的解题能力和很广的适应性。遗传算法的主要缺点是群体的进化历程冗长,也就是迭代次数和计算工作量非常庞大。

2.2.3 模拟退火算法

退火是使金属中晶体发育完善的一种加工过程。金属熔融后要缓慢冷却,而且加热再冷却的过程要反复多次,如果冷却时间不够长,达不到平衡态,生成的晶体会有缺陷,甚至会成为没有晶序的玻璃态。模拟退火法的优点是能处理连续—离散—整数设计变量的非线性规划问题,因不使用梯度和二阶导数阵,故不要求函数可微与连续,能寻求全局最优点,防止过早陷入局部最优点。模拟退火法的主要缺点是效率不高。

2.2.4 神经元网络算法

人工神经元网络是由大量神经元广泛互连而成的,它是对生物神经网络的模拟。人工神经元一般是一个多输入单输出的非线性器件。当然单个人工神经元的结构和功能很简单和有限,但有大量具有非线性的神经元连接成网络后,输入信号要在其间反复传递,使网络处在状态不断改变的动态过程中,通过并行作业实现计算与模拟,其能力极为惊人。

因而近年来引起计算机科学、信息科学、微电子学、自动控制和机器人、脑神经科学等领域专家的巨大兴趣与研究应用。由于神经网络算法对目标函数的态性没有严格的要求,具有很高的平行处理能力,因而是一种很有发展前途的工程优化方法。当然也存在不少缺点与问题,如容易陷入局部最优解与计算工作量大等,目前人们还把它与其他搜索策略与算法组合使用,以求有更多进入全局最优解域的机会。

2.2.5 结构智能优化设计

近几年,计算智能与结构优化理论的结合,构造了结构智能优化设计。它主要由结构智能模糊优化设计、结构神经智能优化设计、结构进化智能优化设计和结构智能优化设计的集成化组成。它作为结构优化设计的分支也正受到人们的重视。

3 前景与展望

预应力钢结构在目前已具有广阔的应用前景,如体育馆、会议厅、展览馆、航站楼、候车大厅以及工业厂房等的屋盖结构。它除了用于屋盖结构外,还可用于楼层结构、墙体结构和特种结构等需要大跨度、大空间的结构形式,其可以集中钢结构和预应力技术各自的优点,充分利用和挖掘钢材(包括预应力钢材)的受拉性能和潜力。在我国钢结构日益发展的形势下,大力开展预应力钢结构计算理论和设计方法的研究,寻求和掌握节约钢材的理论和途径,并创建新的更为合理的钢结构体系是我国当代科技工作者的历史责任,其意义是很深远的。

摘要：对预应力钢结构进行了介绍,探讨了预应力钢桁架的优化发展及国内外的研究现状,仔细地分析了预应力平面钢桁架的优化方法,并展望了预应力钢结构的应用前景,从而推动钢结构体系的应用。

关键词：预应力桁架结构,优化设计,钢结构,应用前景

参考文献

[1]陆赐麟.预应力钢结构发展50年(1)[J].钢结构,2002,60(4):42-43.

[2]陆赐麟.预应力钢结构发展50年(2)[J].钢结构,2002,61(5):50-54.

[3]李占军,张福海,刘锡良.拉索拱结构几何非线性分析的实际方法[J].建筑结构学报,1996,20(3):15-17.

[4]K.C.Sarma,H.Adeli.Cost Optimizahon of Steel Structures[J].Engrg.Optimization,2000,32(6):27-28.

[5]陆赐麟,尹思明,刘锡良.现代预应力钢结构[M].北京:人民交通出版社,2003.

[6]钟善桐.预应力钢结构[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1986.

[7]马杰,吕保盛,霍相如,等.特大跨度预应力空间钢桁架施工[J].施工技术,1997(11):25-27.

[8]舒赣平,吕志涛.预应力钢结构与组合结构的应用和发展[J].工业建筑,1996,28(3):50-51.

预应力钢筋混凝土桁架 篇4

煤炭在我国能源结构中占重要比重, 但煤矿巷道安全形势不容乐观[1]。实践证明了U型钢等被动支护的不可靠性[2], 因此现今复杂条件下巷道的常用联合支护形式, 即锚杆、锚索、金属网及其他支护构件, 再配合型钢支架等[3,4]。上述支护结构中, 传统锚索主要依靠悬吊理论起作用, 只能提供径向力, 并不能提供切向力, 当顶板松软破碎、无稳定上覆岩层时, 传统锚索的使用受到限制, 预应力桁架锚索则能很好的解决这些缺点。

1 预应力桁架锚索支护原理

预应力桁架锚索结构如图1 所示, 其锚固点位于巷道两肩窝深处的三向受压岩体, 支护结构具有更稳定的基础。相比传统锚索预应力桁架锚索优点主要体现在[5,6]: 1) 受力后形成闭锁结构, 具有更好的稳定性; 2) 使顶板锚固体中性轴下移, 锚固区内更多岩体处于压应力状态; 3) 预应力的施加使得桁架锚索产生向上的力, 与围岩及其他支护结构共同承受上部覆岩的重力及剪力, 使锚固体所受拉应力和剪应力被部分抵消。

2 试验巷道概况

2. 1 巷道地质条件

研究对象为某矿工作面回风巷, 平均埋深560 m左右, 倾角为7° ~ 9°, 巷道形状为矩形, 净宽4. 5 m, 净高3 m, 净断面为12. 5 m2。该回风巷沿煤层顶板掘进, 直接顶为灰色细砂岩, 平均厚度0. 95 m;直接顶为深灰色砂质泥岩, 平均厚度4. 55 m; 老顶为灰色中砂岩, 平均厚度8 m; 底板为黑色泥岩, 性软, 平均厚度1. 65 m。

2. 2 原巷道变形原因分析

原回风巷采用W钢带、锚杆、锚索、金属网联合支护。顶部采用W钢带压网、锚杆、锚索锚固顶板; 两帮采用木托板锚杆金属网联合支护。已发生过冒顶事故, 冒顶高度5 m ~ 6 m。

原支护设计的主要问题为:

1) 巷道顶板无稳定岩层供锚索在铅垂方向悬吊, 且单体锚索安装时不能实现水平方向预紧力。冒顶区域巷道的每两根锚索形成一组, 每组锚索采用沿巷道走向布置的槽钢相连, 但由于中部顶板同步下沉, 两锚索间无相对位移, 槽钢不能起到张紧作用, 属被动支护类型。2) 煤巷两帮煤体较松软破碎。3) 冒顶区域巷道的原始支护设计方案中, 顶板靠帮角处锚杆没有一定倾角, 容易形成剪应力集中。4) 冒顶区域巷道的原始支护设计方案中, 两帮帮角锚杆控制半径大于非帮角锚杆, 导致高应力区支护强度低于其他区域。5) 回风顺槽服务时间较长, 需经历巷道掘进期、回风顺槽掘进期、回采设备安装期、采面衔接期、采动影响期和回采期, 变形破坏时间长。

3 数值模拟

针对上述问题, 提出了采用预应力桁架锚索+ 锚杆, 并配合钢带及金属网的联合支护方案。

3. 1 数值模拟方案

利用有限差分软件FLAC对该回风巷进行支护模拟。根据弹塑性理论, 取5 倍巷道高宽作为模型边界, 模型的尺寸为60 m ×44 m ( 高 × 宽) , 本构模型选择摩尔—库仑模型。模型上部为应力边界, 根据上部覆岩重力施加均布荷载, 左右及下侧为位移边界。分别对不同支护参数下的桁架锚索进行模拟分析, 以期得到最优支护效果。

模拟方案见表1。

3. 2 模拟结果分析

巷道底臌量变化不受桁架锚索倾角、长度、孔口与煤帮的距离的影响; 巷道两帮移近量及顶板下沉量则明显受到桁架锚索倾角、长度、孔口与煤帮距离的影响。具体结果如图2 ~ 图4 所示。

1) 锚索角度由45°增加至85°时: 两帮移近量略微增加; 顶板下沉量先减小后增大, 65°点为最小点, 模拟显示顶板下沉129 mm。因此桁架锚索角度应尽量选取为65°, 此时对巷道顶板的控制能力最强, 效果最好。2) 桁架锚索长度由5 m增加至9 m时: 顶板下沉量逐渐减少; 两帮移近量先减小, 后基本保持不变, 7 m处为转折点, 说明锚索达到7 m后, 长度上的增加对两帮围岩变形的影响会越来越小。综合考虑支护效果、经济因素、施工难易等, 锚索长度7 m为最佳。3) 随着桁架锚索孔口与煤帮距离增大, 巷道顶板下沉量及两帮位移量均先减小后增大。距离1. 25 m时顶板下沉量最小, 模拟结果显示为121 mm。距离为1. 1 m时两帮移近量最小, 模拟结果为102 mm。因此当锚索与煤帮距离在1. 1 m ~1. 25 m取值时, 围岩变形综合控制效果较好。

4 工程应用

4. 1 支护方案

根据数值模拟结果及该回风巷实际情况, 确定支护方式为预应力桁架锚索+ 锚杆联合支护。桁架锚索采用 15. 24 mm, 1 × 7股高强度低松弛预应力钢绞线, 两锚索的间距为2. 3 m, 锚索角度65°, 长度7 m, 距煤帮1. 1 m, 连接器预紧力张拉至120 k N。布置方式见图5。

顶锚杆为 ф20 × 2. 5 m左旋无纵筋螺纹钢锚杆, 两帮顶角锚杆与铅垂线夹角为15°, 间排距均为0. 8 m, 树脂锚固, 再配以钢托板、W钢带及金属网, 顶锚杆的预紧力矩应不小于120 N·m。

巷道两帮采用 ф20 × 2. 4 m左旋无纵筋螺纹钢锚杆, 间排距均为0. 8 m, 树脂锚固, 再配以钢筋托梁及金属网, 其中最上位的帮锚杆距顶板300 mm, 与水平面的夹角为10°, 预紧力矩不小于100 N·m。

4. 2 支护效果分析

采用十字布点法安设表面位移监测断面, 分别测量巷道顶板及两帮位移, 在改变支护方式后, 每2 d观测一次, 连续监测一个月, 监测结果见图6。

由图6 可以看出: 1) 巷道断面收敛率小, 顶板下沉量及两帮移近量均被控制在120 mm以内, 巷道围岩有害变形得到了较好的抑制。2) 巷道围岩早期变形速率较大, 实施监测20 d后顶板下沉量趋于稳定, 25 d后两帮移近量也趋于稳定。由支护效果可知, 采用预应力桁架锚索支护, 巷道围岩变形控制效果较好。

5 结语

1) 巷道顶板松软破碎, 且断面较大时, 预应力桁架锚索能增加锚固区煤岩体抗剪能力, 减小区域内最大拉应力, 提供较好的支护效果。2) 数值模拟表明, 预应力桁架锚索支护在不同的现场条件下, 锚索倾角、长度及锚索孔口与煤帮距离等参数具有可优化性, 且分别对巷道围岩影响侧重点不同, 应在实际应用时进行恰当选择。3) 现场实践中, 采用预应力桁架锚杆支护后, 巷道围岩变形得到了有效控制。

摘要：为有效控制煤矿巷道围岩变形, 提出了预应力桁架锚索支护方案, 利用有限差分软件FLAC进行了数值模拟, 优化了桁架锚索角度、长度及锚索孔口与煤帮距离, 并将研究结果应用于现场实践中, 顶板下沉量被控制在120 mm以内, 表明桁架锚索能有效抑制巷道围岩的变形破坏。

关键词：巷道,桁架锚索,预应力,破碎顶板,数值模拟

参考文献

[1]孙继平.煤矿事故分析与煤矿大数据和物联网[J].工矿自动化, 2015, 41 (3) :1-5.

[2]高铁成.煤矿巷道支护技术探讨[J].中国新技术新产品, 2013 (8) :150.

[3]张金明.岩爆的预测及防护研究[D].南京:河海大学, 2003.

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预应力钢筋混凝土桁架 篇5

1 预应力钢结构概述

所谓预应力钢结构就是在钢结构上增加荷载力之前, 通过施加初应力才重新调整钢结构的分布规律, 从而增加钢材料的强度或者是加大钢结构的刚度。近些年来, 预应力钢结构被广泛应用于建筑工程项目当中。在施工过程中, 施工人员将预应力以及钢结构有机的结合起来, 并通过现代化施工方式对建筑工程项目进行设计与施工。为了能够满足人们对于建筑物日益增高的需求, 在保证建筑物的质量要求的基础上, 还需要建筑物拥有个性化的独立空间, 所以在施工过程中, 施工人员应该结合钢结构的特点与设计要求, 并将其各种制约性条件进行综合考虑, 再通过各种钢结构在建筑工程中的应用不断完善与优化, 从而保证建筑物节能环保性以及提高建筑物的经济效益。通常情况下, 我们将预应力钢结构的作用及意义综合考虑, 然后在将其运用在建筑工程当中, 以达到提高施工安全、质量等效果, 预应力钢结构的应用在目前工程项目中具有非常重要的作用。钢结构的优化设计主要是为了帮助建筑工程达到安全性、经济性的效果, 从而提高建筑的经济效率。随着当前信息化的不断发展, 现代信息化不断支持着钢结构的形状优化。目前, 设计师往往通过自己的经验来对钢结构进行严格的选型与设计, 并以此形成相应的理论来对建筑结构进行施工, 这种情况往往会使建筑结构存在较大的安全隐患和质量问题。所以设计师不能够只根据自己的经验来进行设计, 而是需要超越经验, 再结合实际情况对钢结构进行分析, 对施工进行有效的控制, 选用质轻、经济的结构材料, 从而达到建筑结构的设计要求。

2 预应力索-桁架优化概述

2.1 优化概述

就目前的建筑结构优化而言, 其在工程项目中进行结构优化设计与处理在于寻求一种既安全、又经济的结构方式, 其在施工的过程中对于这些建筑结构而言都是一种综合性的工作模式, 这些工程环节的施工与处置对于整个工程项目而言都是一种全面系统化的工作流程与理念, 在设计的过程中主要包含对框架结构的尺寸、数值、比例以及大小形状等多种信息进行综合的设计与管理, 对于其中的预应力控制方面进行直接系统的优化。由此可见, 在钢结构中, 无论是采用施加预应力的控制设计流程还是直接进行结构优化设计, 其在设计的过程中目的都是相同的, 都是为了在设计和施工的过程中节省钢材, 降低施工成本, 提高工程效率和质量。然而两者所研究的侧重点又有所区别:在预应力的控制过程中钢结构在设计中都是通过设计者经验进行分析和选择的, 这个过程中由于设计人员经验因素的影响, 使得容易出现各种不全面和不合理的问题。这是由于在设计中人为的影响因素太大, 各种影响结构模式不断涌现, 成为主要的影响缺陷和问题形式。而预应力荷载是结构自平衡的一种特殊形式的荷载, 是在目前设计中由人为加上去的结构形式, 因此在设计中在满足预应力的前提之下可以进行确定分析, 促使其在满足结构设计要求的同时进行一定变量分析, 使得其能够满足目前的设计发展要求。鉴于此, 将预应力钢结构与结构优化设计能够有机的结合起来, 使得其形成一套系统的结构控制措施, 为当前建筑工程项目施工成本的降低提供了相应的节约方式。

2.2 优化的数学模型

在目前的工程项目中, 我们常见的预应力结构形状的优化通常都是以数学模型为基础进行施工和处治的。且在应用的过程中对于其中存在的管理措施与完善控制模式都是一种以索力值、截面尺寸和节点的坐标为一体的综合性管理控制模式, 在这种管理系统中, 对于其中的各种流量变动要严格处理, 使得其在处理的过程中形成一套系统的管理控制模式。设计变量包括三类:索力值、截面尺寸、单元及索节点坐标。即数目;索的预拉力, #为布索根数;$为所要变动的单元节点和索节点坐标矢量;为结构的性态约束方程 (包括应力、位移及稳定性约束) , 是约束总数, 该方程中应包括预应力作用阶段及预应力和荷载共同作用阶段的约束条件;分别为第, 杆截面尺寸的上、下限;为结构所要变动的节点数。优化方法在数学模型式中, 包含了三类不同类型的设计变量:截面尺寸、索力值、单元和索节点坐标。由于优化模型的非线性及三类不同类型的设计变量之间的耦合, 为该模型的求解带来很大的困难, 为此合理处理三类变量成为求解该模型的关键。在当前文章中针对各种变量方式进行控制分析, 使得其能够完美的结合当前的设计发展要求进行。

结束语

由此可见, 在进行预应力钢结构形状优化的设计过程中, 应该综合考虑施工过程中的各种制约条件, 本文中所提出的优化方法的适用范围非常广, 它还可以优化预应力索力值以及建筑的尺寸, 而且其收敛速度极快。上述方法具有质轻、刚度大等优点。该方法还可以适用于拓扑优化钢结构, 也就是在建筑结构中, 有效构件的截面的尺寸可以为0。预应力钢结构在运用过程中, 至少有一次是静定结构, 可以在进行形状优化的过程中给截面的尺寸一个下限值, 已达到建筑结构的稳定的效果, 在进行形状优化过程中, 可以采用节点渐进法来进行, 根据试验证明, 该方法是可行的。

摘要：随着我国社会经济的不断发展以及城市化进程的不断加快, 建筑行业也得到了非常显著的发展, 在工程项目建设过程中, 资源、能源消耗严重, 这极大地制约了我国国民经济的发展。针对于这样的情况, 我国在建筑行业中提出了节能、环保的理念, 为实现以建筑优化结构形状为主的工作方式而提出预应力索-桁架结构为主的设计理念以及工作模式, 这种结构的应用得到了社会中广泛的认同, 目前已成为建筑行业中不可缺少的一部分, 并且能够有利于社会实现可持续发展。本文首先分析了预应力索-桁架结构现状, 然后阐述该结构在建筑行业中的运用, 以及对于结构形状优化设计的分析, 并提出优化的要点, 以供大家参考。

关键词：预应力设计,桁架结构,钢结构

参考文献

[1]张爱林, 张国军, 刘学春.适用于多次预应力钢结构的新型锚具和可滑移支座[J].工业建筑, 2005 (06) .[1]张爱林, 张国军, 刘学春.适用于多次预应力钢结构的新型锚具和可滑移支座[J].工业建筑, 2005 (06) .

[2]张爱林, 陆赐麟.我国预应力钢结构技术规程编制及有关研究问题[J].钢结构, 2005 (01) .[2]张爱林, 陆赐麟.我国预应力钢结构技术规程编制及有关研究问题[J].钢结构, 2005 (01) .

预应力钢筋混凝土桁架 篇6

泗阳体育中心体育场工程位于淮海路南侧、上海路西侧,毗邻生态公园,该项目建筑面积为17836m2,1层为变电室、水泵房、卫生间和贵宾休息室,地上4层主要为观众卫生间及观众休息区域,体育场共设置19607座,结构为现浇框架结构,东西侧为主看台,采用预应力拉索钢结构悬挑罩棚,罩棚面积约1万m2。

2 工程特点

2.1 预应力拉索钢结构悬挑罩棚

本工程看台罩棚钢结构为悬挑钢结构,含有平面钢管桁架体系,同时采用预应力拉索张拉,形成一个杂交体系。桁架体系在垂直方向的截面尺寸为变截面,其中最大截面处高为1 800mm,悬挑尺寸的最大值达27m,整个体育场由24榀杂交体系组成。荷载主要通过桅杆柱配合张拉索传至混凝土看台上;桅杆柱根部与预埋在看台混凝土斜柱中的钢管焊接,顶部通过拉索反拉在看台混凝土斜柱的中下部(图1)。劲性钢筋混凝土柱采用350mm×(400～800)mm×20mm×20mm钢管,内浇筑C50混凝土,悬挑结构采用管桁架,上下杆件为273×(8～16)、斜撑杆件为114×6。

2.2 预应力拉索

预应力拉索采用05×73,5×163,5×253三种规格的钢缆索。张拉索材料的抗拉强度和屈服强度下限值分别为1 670,1410 MPa,弹模取值为190 GPa以上。为保证结构耐久性,采用双层PE保护套进行保护。张拉索采取一端固定、一端张拉的施工工艺。

2.3 施工技术特点

(1)为模拟现实工程施工过程,防患于未然,本工程采用电脑软件建模和有限元分析进行预应力结构仿真计算;

(2)对拉索预埋连接板、钢结构的安装精度要求较高;

(3)预应力拉索的加工精度高,索具节点、支点、连接板和张拉端、锚固端节点等的设计加工精度高、制作质量要求高;

(4)预应力张拉应根据仿真计算结果在不同工况下分几次张拉到位,本工程采用两次张拉到位的方法;

(5)预应力施加过程的控制。

3 预应力拉索施工

3.1 施工准备

预应力拉索施工前的准备工作极其重要,它是预应力张拉成功和确保安装质量的前提。看台混凝土主体结构完成后,须将钢结构预埋件的标高、轴线的准确数据测量出来。由于索体的安装精度较高,索体长度的调节量虽然有100 mm,但其中包括张拉时钢索伸长值约6mm。因此,为保证整个结构的安装精度,钢结构安装精度要求较高。

3.2 建模设计

根据测量数据建模,计算出拉索的加工尺寸。有限元施工仿真计算,是前期准备工作的重点,通过可行性与安全性分析研究,可确保张拉方案的可操作性;基于数值分析和预先试验,可合理取用每个张拉分项的索力数值用于指导实施张拉;基于数值分析和预先试验,可合理取用每步张拉的变形数值用于指导张拉施工的监控工作;基于预先演示,分析计算张拉应力和变形,可用于指导张拉机具的选择,并指导现场张拉辅助设施的设计工作。

通过建模设计,可确定合理张拉顺序为两榀同时由中间向两边进行预应力张拉,先张拉LS2～LS4,分两级张拉完成。

3.3 拉索施工

本工程预应力索最长约17m,但由于拉索型号较大、拉索较重,应通过监控尽量保证索具张拉时处于直线状态,故须设计倒链装置以起到调节变形和应力的作用。

3.4 施工顺序

详细施工顺序如图2所示。

3.5 施工工艺

(1)搭设操作平台:采用门式脚手架及48×3.6钢管搭设操作平台及安全防护栏杆。

(2)拉索安装:采用50 t的汽车式起重机进行安装,拉索在地面开盘,5×253拉索每m重量约39 kg且索头较重,可借助导链牵引索盘,进行直线放索,并考虑其弹性展开的突然性有可能伤及施工人员,故设置相关的保护措施进行限位和刹车,同时考虑隔离底面的摩擦作用,保证放索的顺利进行。

(3)张拉设备的选用:经过计算,拉索最大张拉力约60t,并且同时张拉相邻柱之间的索具,从而采取2套张拉系统同时施工,即设计方案为23t的千斤顶4台、60t的千斤顶4台,并配足施压设备进行张拉。

(4)标定系统的张拉力:为了保证系统的张力准确性和一致性,须对供压油泵和千斤顶进行事前标定。

(5)“双控”的张拉监控机制:所谓“双控”,即张拉力控制和变形控制。每张拉实施一步,参照理论计算和数值分析结果,对现场的张拉力和变形都进行检查,同一状态的拉力与变形进行检查,若发现异常,须查明原因,进行调整,否则不能进行下一步的张拉工作。

(6)现场监测:为保证施工的安全,确保施工过程中结构体系时刻保持整体稳定状态,在悬挑端头设置了监测控制点,进行不间断监测(图3)。

3.6 实施张拉的要点

(1)设备安置时应使其形心与钢索成形后的节点重合,防止产生施工偏心附加力,做到现场与图纸成形状态一致;

(2)采用超张拉工艺,考虑液压设备的回油重平衡过程,可在分步施压至设计拉力的情况下,增加5%的油压,最后停止设备供压;

(3)如果结构变形或应力与设计计算严重不符,即当张力超过设计理论计算值的20%以后,应立即停止张拉,同时报请设计院,找出原因后再重新进行预应力张拉。

4 结束语

本工程采用悬挑预应力拉索管桁架罩棚,钢管平面桁架最大悬挑长度达到27m,由于采用了预应力拉索结构,极大地减少了用钢量;同时也通过精确施工,实现了建筑外观和结构受力完美结合的效果。安装质量得到了一致好评,为同类工程积累了经验。

摘要：某体育场主看台悬挑罩棚结构最大悬挑27m,采用预应力拉索结构,预应力索最长为17m,施工采用门式脚手架操作平台,采用50t的汽车式起重机拉索安装.采用油压传感器测试以保证预应力钢索张拉施工完成后的应力与设计要求的应力吻合,变形监测采用全站仪,严格按规范及施工工艺要求组织施工,保证了索拱架施工的安全和质量,为以后的施工中类似情况提供了借鉴经验。

关键词：体育场,钢结构,罩棚,预应力拉索

参考文献

预应力钢筋混凝土桁架 篇7

在当前的建设施工应用中, 玻璃幕墙的使用非常广泛, 它不仅有着丰富的造型, 而且形式各式各样。从我国的应用状况分析来看, 我国玻璃幕墙的结构采用预应力索桁架点支式玻璃幕墙非常多, 而且取得了很多成效。本文正是在笔者的工程实践基础上, 分析了预应力索桁架本质, 并对该构造在施工中的难点与重点、主要的工艺流程进行了探讨。

预应力索桁架点支式玻璃幕墙通过点支承将围护玻璃与支承结构结合在一起, 相对于有框玻璃具有结构轻盈通透、结构轻巧, 承载力强、造型新颖美观等优点, 是一种集建筑、结构、功能、艺术于一体的新型幕墙结构, 因此备受国内外建筑师的青睐, 正越来越多的应用在国内城市标志性建筑中。但是该结构科技含量极高, 对设计、施工、工艺以及材料都有着极高的要求, 任何一个方面出现差错都不能确保工程的质量。为此, 本文以预应力索桁架点支式弧形玻璃幕墙工程实例为例, 将其设计和施工中的一些难点以及施工的工艺等要求进行了详细介绍说明, 对预应力索桁架的推广和使用提供一定的帮助。

2 预应力索桁架本质

点式玻璃幕墙预应力索桁架属于张拉整体结构中的一种。拉索和压杆通过不同的组合形式构成的机构, 该机构可应自我完成应力平衡, 称作张拉整体结构。压杆在实际应用时也可以是连续的, 而这种结构在有些条件下效率更高。因此, 通常也将各种张拉整体结构一同称作索杆张力结构。索桁架结构主要由竖索、两条斜索、短硬杆和长硬杆以及连接部件连接索与索、索与硬杆等部分组成, 其中还包括索桁架和玻璃幕墙之间的X型驳接头。

3 工程施工难点与重点

以某地一工程为例, 幕墙面积达5.2万m2, 该建筑物的中部是一个直径为56m、高34m的圆柱形玻璃体构成的服务大厅, 600多片钢化夹胶玻璃构成了整个玻璃体的曲面。经预张拉的Φ20mm的不锈钢铰线组成了整个悬索桁架机构, 圆柱顶部的排烟窗是有异形钢化夹玻璃和钢化夹胶玻璃组成, 其投影面积为1586m2。整个工程所使用的玻璃总重量达247t。相对来说整个工程的工作量比较大, 因此存在下面几个难点与重点:

(1) 预应力索桁架在形式上是一种柔性结构, 因此要对不锈钢拉索加载预应力。在索桁架形状确定后, 加载预应力的大小和预应力的均衡决定了整个机构支撑刚度的大小, 也决定了每榀索桁架刚度的一致性。在索结构还没承受荷载之前, 结构的几何形状与图纸的一致性、索中预应力值的大小以及悬索桁架的空间定位和均衡施加预应力都是本工程的施工难点。

(2) 大厅的圆柱形玻璃幕墙是由多片不同曲率的曲面玻璃组成, 由于机构的安装对每个支撑点的尺寸精度要求较高, 对玻璃的形状和尺寸等误差要求的控制范围较细, 加大了整个工程中的玻璃空间对位安装难度, 因此, 施工中的尺度精度是否满足设计要求直接决定着整个施工的成败。

(3) 预应力索桁架结构与设计布置。由于大厅是对外服务办公活动场地, 是展现当地形象的一面窗口, 在索桁架结构的形体语言与工程的主题相协调, 因此我们选用了国内较少使用的丫形多跨竖向连续受力拉索结构体系 (如图1中的第一个图) , 这种结构形式积极向上, 符合整个建筑的特点。

(4) 主材的选用。选定钢索直径时不但要确保其能承受50年一遇的最大荷载, 还要考虑视觉及心理感受的影响。在本工程中选用1×37Φ20不锈钢绞线的主受力索 (前受力索和后受力索) 和承重索, 其最小破断力为21k N, 弹性模量E=1.54×105N/mm2, 选用1Crl8Ni9奥氏体不锈钢作为撑杆、悬空杆及驳接系统的材料。玻璃采用圆弧形曲面弯钢化夹胶透明玻璃, 其透光率、紫外线阻隔率以及隔音效果都非常理想。

4 重点施工工艺介绍

整个施工过程对施工工艺的要求极高, 这也直接关系到整个工程质量的好坏, 因此, 必须严格按照要求执行。首先是对测量放线空间以确保空间的准确定位, 这是一个工程的基础, 然后再确定尺寸精度控制单元以保证整个工程的精度控制, 精度控制单元确定后就可以进行连接耳板、安装固定撑杆的工作, 完成以后就可以进行拉索机构系统的安装定位调整, 这其中要进行拉索的预张拉, 还要对整个机构的定位进行准确调整, 以便确保安装精度, 这是整个工程中最重要的工作。随后就可以对驳接系统进行安装调整, 接着就是玻璃安装, 打胶收口和最后的整理清洁工作, 这些完成后就可以进行工程的交验了。下文将详细对这些流程进行介绍:

4.1 测量放线

由于受到各种外界因素的影响, 现实中土建结构的实际尺寸与理想的设计尺寸经常存在一定的偏差, 所以必须要在幕墙安装之前对土建结构进行实地测量, 将测量的数据作为安装幕墙和玻璃实际分块尺寸的依据。测量放线的关键是幕墙的分格和标高。首先根据图纸对结构进行水平和垂直测量, 以便确定幕墙施工控制线。然后依据板块布置图作好控制钢线, 得出板块分割线。最后, 调整实际放线与设计图之间的误差以保证加工制作出的符合实际需要的幕墙。

4.2 尺寸精度控制单元的确定

预应力索桁架的尺寸安装精度要求较高, 这是因为幕墙玻璃是通过驳接系统穿过边缘的4个孔与索桁架固定到一起, 因此索桁架上的每个支撑定位点的误差要保证控制在±5mm以内。每个支撑点, 水平和竖向尺寸精度误差控制在±3mm以内, 对角线误差控制在±5mm以内。

4.3 耳座、驳接座的焊接

焊接前要对误差进行调整保证空间的精确定位。耳座、驳接座都是整个支承结构的主要受力部位, 所以焊接质量要严格控制以满足设计要求。另外, 焊接完成后要对焊缝进行检测以达到施工要求, 还要注意到焊接的后处理。

4.4 拉索结构系统的安装

为了消除拉索受初始拉力时的非弹性变形, 在下料前必须要对拉索进行预张拉处理。首先安装垂直承重索, 并将预应力值一次施加到位, 然后安装受力索, 要保证前后受力索在一端同时张拉, 主要分以下几步进行:

(1) 按总预拉力值的20%进行第一级张拉。

(2) 空间定位后按总预应力值的80%进行二级张拉, 然后保持拉力48h并且粗调悬空杆的位置, 最后再调整定位尺寸。

(3) 测量内力稳定后的桁架内力损失, 根据这个数值去进行超张拉, 并保持12h。

(4) 超张拉内力稳定后再将内力放松至100%的预拉力, 只有确保每一榀索桁架的内力都已经满足预张拉值后, 才可以将节点和垂直承重索连接锁紧。

预张拉完成后再进行拉索下料和压套组装, 一般要求比先前设计长度多出1~3mm。压套组装完毕, 进行横、竖向拉索与悬空杆的安装及调整, 一般施工时都是按照先上后下, 先竖后横的安装原则。首先安装竖向拉索, 然后逐层将竖向拉索、悬空杆初步调整到位, 最后连接横向拉索, 待整个结构组装完成后, 按尺寸控制单元和以下调整方法精确调整索结构形状、悬空杆、索中预应力。

(1) 调整悬空杆。依次核准悬空杆的中心位置以保证所有的悬空杆前端与玻璃平面的一致性。

(2) 调整索结构形状和预应力值。如果索结构形状不到位就会严重影响到下道工序的施工, 所以要对索结构进行以形状为主、应力为辅的张拉控制措施, 当然这还要保证索力的误差控制在结构安全度范围之内。对索的长短及预应力通过拉索的端头锚固处的调节螺栓进行调节, 所以一般采用反复张拉、逐步到位的施工工艺对预应力施工进行控制, 即用扭力扳手对索结构形状进行3~4次反复的微调, 就可得到满足设计要求的形状和预应力控制值。

(3) 检测索桁架。要对经历过预张拉后的索桁, 按照尺寸控制精度单元进行进一步的精度检测, 以保证安装节点的精度满足要求。同时, 还要使用扭力扳手对索内预拉力值进行100%检测, 并进行登记备案。

4.5 驳接系统的安装

由驳接座、驳接爪、驳接头构成得驳接系统是整个点支式玻璃幕墙安装的核心部件, 它决定着玻璃安装定位和幕墙变形补偿等一系列的功能, 下面将对驳接爪安装、调整以及驳接头安装进行详细分析。

(1) 安装驳接爪。安装时, 应将驳接爪与驳接座的连接螺杆拧紧, 有时需要加长的连接螺杆来调整驳接爪的空间位置, 以确保吃紧驳接座, 这能有效的防止驳接爪安装和使用过程中发生松动、坠落。

(2) 调整驳接爪。索结构安装节点空间位置受各种因素的影响会导致误差存在, 所以在驳接爪初步安装就位后, 需要仔细检查每个控制单元和玻璃的定位尺寸, 利用全方位拉细钢丝对每个驳接点进行偏差检查, 同时还要校正每个驳接爪的定位尺寸, 以保证驳接爪的各项安装偏差都能够满足技术规程要求。

(3) 安装驳接头。驳接头和玻璃是同时进行安装的。首先将透明胶涂布在玻璃孔周边和驳接头胶垫上, 然后将驳接头安装在玻璃孔上并保证锁紧, 等到璃安装到位后再连接驳接头的尾部与驳接爪并锁紧。要保证驳接头各部件之间紧密黏贴, 保持面接触, 同时锁紧力度不要用力过大, 以免造成玻璃的早期破坏。在安装过程中如发现驳接头安装长度不足, 应及时更换加长的驳接头。

4.6 玻璃安装与注胶

安装玻璃前先主动检查一下驳接爪孔位的标高、分格尺寸是否满足初期的设计要求, 相邻驳接爪的平面误差是否再驳接头的可调节范围之内, 发现较大的偏差要及时处理。安装玻璃时, 应预先将驳接头与玻璃在安装平台上装配好, 然后调整玻璃各个角的平面度, 要保证玻璃水平偏差满足设计标准后才可以加螺母固定。

为保证注胶效果, 在注胶前要用二甲苯清洗玻璃缝处的污渍, 待风干后再用设计规定牌号硅酮胶进行注胶;为了保证胶缝嵌填密实, 注胶时最好采用双人里外同步、匀速按照同样的次序和方法进行注胶。注胶完成后进行刮胶, 这一过程中如果发现局部打胶缺陷, 要先切除清理干净以后再进行补胶。整个幕墙安装完成后, 用中性清洁剂采用自上而下的方法清洗幕墙及外露件。清洗之前一定要确保中性清洁剂对不锈钢爪和玻璃没用腐蚀作用。

5 总结

综上所述, 预应力索桁架点支式弧形玻璃幕墙的建筑内外结构轻颖, 通透性好, 技术含量高, 是当今应用最多的新型幕墙结构形式。但是对它的受力分析比较复杂, 工艺要求也比较高。因此必须针对这些特点和难点, 制订并执行严格的技术控制措施, 才能确保工程正常进行, 同时大胆创新, 仔细研究, 才能获得良好效果。笔者相信随着科技的发展, 这种结构形式会越来越多的应用在各种场合。

摘要：随着经济和社会的发展, 玻璃幕墙在建筑中的应用越来越广泛, 其造型丰富, 形式多样, 尤其是随着预应力索桁架点支式玻璃幕墙的应用, 更是取得了一系列良好的效果。基于此, 本文结合工程实例详细分析了预应力索桁架本质和该构造在施工中的难点与重点, 同时介绍了主要的工艺流程, 阐述了玻璃幕墙安装定位与控制方法, 最后对全文进行了认真总结, 希望对此方面的设计施工人员能够起到一定的参考作用。

关键词：预应力索桁架,点支式弧形玻璃幕墙,施工技术

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