桥梁预应力拉索技术在建筑工程中的应用

摘 要:万科中心将桥梁斜拉索+混合框架结构体系首应用于房建结构施工中,它成功解决大直径成品拉索施工一系列技术难题,为日后类似工程提供理论支持和成功的范例.

关 键 词:房屋建筑预应力斜拉索施工工况模拟铸钢节点索张拉监测

1.工程概况

万科中心项目位于深圳市盐田区大梅沙旅游区,东南面紧临大梅沙海滨公园与大鹏湾.项目用地面积61730m2,总建筑面积121301.9m2,其中地上建筑面积:83931m2,地下建筑面积:37370.9m2.

图1.1深圳万科中心效果图

本工程结构为9个巨型筒体(边长10m左右)及6个实腹厚墙、2处落地钢柱群支撑起上部4~5结构层,上部结构体系为混合框架+拉索结构体系,即由底层钢结构及预应力拉索将结构竖向重量传递到主要竖向支撑构件――筒体及落地墙、柱.上部结构的跨度在25~50m之间,悬挑长度在10~20m.

2.斜拉索结构施工程序的确定

通过对原施工程序的分析,在满足设计要求、保证结构安全度、减小对施工进度的影响,并考虑了筒体的侧向稳定性及承载力优于片墙,最终确定施工方案:在临时支撑上施工二层+三层+顶层中部与实腹墙直接相连的空间结构体系,再进行斜拉索的张拉,之后拆除临时支撑,然后对中间楼层进行逐层施工的‘半逆作’方案.

经模拟施工计算,最终筒体和实腹墙的顶部水平位移均小于5mm,即L/5000,锚固索的框架柱的顶部水平位移小于10mm,即L/2500.楼板梁柱索节点变形幅值可以控制在L/1000以内.可以满足钢筋砼裂缝控制的要求.

3.斜拉索施工技术

大规格拉索的应用是本工程的核心技术,它主要包括拉索安装、拉索张拉设计、工装系统设计、张拉程序及索保护等众多技术难点.

本工程拉索采用公称直径为7mm、抗拉强度为1670MPa的低松驰高强度镀锌钢丝.分别采用了PES(C)7-265、409和499三种规格拉索,各14、54以及52根.全结构共有120根拉索,总重约为290吨(钢丝净重),最长索为29.48m,单根短索重一般在3～5吨左右,单根长索重一般为5～7.5吨.

本工程拉索最主要特点是大规格,特别是7×499将是国内最大的索具规格.由于拉索规格超出常规,其制作、运输、安装以及保护的难度非常大.

3.1铸钢节点高精度安装技术

万科中心拉索与筒体及钢结构之间的连接点采用铸钢件节点,共216个,节点复杂,铸钢件采用空心形式,最大壁厚180mm,最多有8个分枝,分别与箱型钢柱或梁焊接.

根据确定的施工顺序,二层钢结构采取高空组装方式进行,组装时全部全部铸钢节点和钢梁均在临时支撑架上进行,最大支撑高16m.铸钢节点安装难度大、数量多,且位置精度要求很高.铸钢件在工厂加工运到现场后,检查合格后方可安装.铸钢件节点分张拉端和锚固端,按位置分为下节点和上节点,下节点张拉端底面形状不规则,在高空很难校正其设计位置,为方便安装和校正,在地面制作一个平台,平台主要由20厚钢板组成,上面有高精度主轴线,并延伸刻画到钢板的侧面,做好明显标记,平台上焊接立柱,立柱顶部焊接铸钢件节点,按铸钢件的设计位置进行调整,立柱与铸钢件间采用连接板螺栓连接,螺栓孔为长圆孔,可调节铸钢件的标高,将拼装好的平台板与铸钢件做为一个整体吊装,基本就位后先调整水平标高,再使用微动工具在两台放置在地面上的呈90度布置的全站仪观测指引下,将刻画在钢平台侧面的轴线精确调整到位,最后再微调复核钢平台标高,就完成了高空铸钢节点的精确就位.经检查,铸钢节点轴线偏差不大于3mm,标高偏差不大于2mm,完全符合要求.

3.2斜拉索的安装

3.2.1由于拉索最重达8吨,仅一个锚头就重约2吨,难以搬动,且索体刚度大,30m长拉索现场水平无法转弯.另拉索安装最高点为屋顶35m,受塔吊高度和承载力约束,无法直接使用塔吊从上往下传索,而拉索安装范围均在地下室结构范围,不能使用大型吊车直接吊装,否则会压坏地下室结构.

3.2.2安装方法

1)汽车吊辅助法:采用80t汽车吊把拉索吊至上节点.

2)塔吊辅助法:此法适合塔吊起重控制范围内的短索,索吊至上节点处时需在索端部系上麻绳引导穿设.

3)用安装在屋面的10t卷扬机从地面提供滑道往上引,此法适用与长索.

3.3斜拉索的张拉

本工程共120根拉索,分A、B、C三个区,每个区分为若干段,每区段约4~10根拉索同时张拉,张拉索力非常大(约200~600T),一次张拉到位,分拉索上节点张拉和拉索下节点张拉两种.拉索为本工程的核心命脉,技术难度非常大,而且施工情况复杂,跟整个工程质量和施工安全密切相关,风险非常大.

3.3.1张拉基本原则

①单向结构相对独立,②单跨一次完成(最多同时张拉10根),③先内跨再悬挑.

3.3.2张拉工张系统设计

工装系统由撑脚+拉杆+拉杆螺帽+拉杆接头+千斤顶组合而成,其中撑脚采用铸钢而成,拉杆、拉杆螺帽和拉杆接头均采用40Cr经热处理和机加工制作而成.由于本工程有3种规格拉索,张拉时要求4～10根拉索同时张拉,所以采用同样的拉杆及撑脚仍需增加一些转换配件.

张拉前应检查并清楚工张系统的锚垫板上的钢渣、混凝土渣、油污及其它不属于结构部分的任何物质.检查冷铸锚头内外螺牙是否保持完好.如有变形、堵塞、划伤等缺陷,需进行修复,检查、调试张拉设备的完好状态,如电源的安装、油表的校验、千斤顶的标定和检验等,张拉计算资料的准备,如张拉次数,每次张拉的力值,换算的油表读书,拉索的理论延伸量等.

3.3.3张拉程序

拉索的张拉程序如下:张拉前准备→安装千斤顶→拉杆连接头拧入冷铸锚杯→张拉杆拧入接头→调节各部位的相应位置→施加预紧力(约5%张拉力)→检查并调整安装位置,记录初始值→分级张拉→与张拉同步拧紧锚具螺母并测量应力、应变值→检验,与设计索力及结构变形值校核→外观检查→检验合格,拆除千斤顶、张拉杆,进入下一根拉索的张拉周期.

3.3.4同步、分级张拉

1)拉索张拉以梁跨为单元进行张拉,每梁跨内拉索需同时张拉,采用多台千斤顶同时张拉.

2)张拉前,张拉端位置需要搭设张拉施工操作脚手架平台,每个平台尺寸为地面3×3m.

3)张拉撑脚、拉杆与千斤顶的组合装置长度达1.8m,由此要求下节点脚手架平台距钢梁底距离应控制在1.5m～2.0m之间(因拉索角度不同,垂直距离也不一样),上节点张拉施工可利用安装拉索时用的钢架进行张拉.

4)分级张拉

张拉分7级进行:第一级(预紧,5%设计张拉值)→第二级(20%设计张拉值)→第(40%设计张拉值)→第四级(60%设计张拉值)→第五级(80%设计张拉值)→第六级(90%设计张拉值)→第七级(100%设计张拉值).

每级之间记录索力和拉索伸长值,每级至少持载15分钟.

4.拉索施工监测

万科中心拉索结构体系是首次应用在房建结构中,其健康监测包括施工阶段监测和运营阶段监测.施工阶段监测对索监测主要拉力、结构的变形监测,进而指导预应力张拉和控制施工阶段变形,并未今后类似结构体系提供借鉴经验.

4.1监测方案

4.1.1万科中心施工监测与健康监测总体方案流程

该系统包括:

(1)传感器子系统,

(2)数据采集、传输、存储子系统,

(3)施工过程结构安全评价子系统,

(4)健康安全评定子系统(包括在线和网络离线两种评价系统),

(5)远程传输子系统(可扩展功能),

(6)数据管理中心子系统.

4.1.2监测仪器

根据上述施工过程监测和健康监测的要求,需要布设智能索、光纤光栅应变传感器、电阻应变传感器、光纤光栅温度补偿传感器和加速度传感器等六种传感器.另外,监测施工阶段的结构变形采用全站仪.

4.1.3拉索拉力监测方法

拉索是本结构的非常重要的构件,其应力水平影响整个结构的成型,也影响结构的整体安全,对索应力的监测在施工阶段与运营使用阶段都非常重要.本系统对拉索索力监测用两种方法:

(1)智能拉索.本监测系统选择16根拉索,在其上安装智能索.根据索的不同型号和索在最不利荷载组合下的较大应力比选择智能索的布置位置.

(2)锚固端铸钢节点应变监测.除智能拉索之外,在其他所有拉索的锚固端铸钢节点布置应变片,对施工阶段的拉索索力进行短时监测,并采用智能拉索的监测结果进行标定.

以上两种方法共同完成对万科中心拉索拉力的监测.

4.2施工监测

4.2.1索力监测【以A区为例】

拉索是本结构的非常重要的构件,其应力水平影响整个结构的成型,也影响结构的整体安全.A区共布置12根智能索,分别为LS10、LS13、LS39、LS54、LS55、LS48、LS7、LS28、LS14、LS41、LS45、LS59,每根智能索索体内布置2根光纤光栅应变筋和1根光纤光栅温度筋,共布设光纤光栅智能筋36根.在A区进行的10次拉索张拉过程监测了11根智能索的索力,索LS59中三根智能筋因损坏无法读数.

在第1、2、3、4次张拉过程中,监测了所有拉索的铸钢节点应变,通过铸钢节点的应变值与索力之间的线性关系来推断拉索的实际受力大小.索铸钢节点应变测试采用电阻应变片,沿铸钢节点外侧面四周均匀布置4个应变片.由于铸钢节点靠近楼板部位已埋入混凝土,所以每个铸钢节点只能布置3个应变片,A区铸钢节点处共布设电阻应变片72个.

4.2.2结构变形监测

变形监测采用瑞士徕卡TCA1800全站仪,全站仪棱镜的布设位置为长索(竖向跨3层以上)的上、下锚固点.若当次张拉时只有短索,则在短索上下锚固端增加了4个棱镜.在片墙顶、筒体沿长边方向两个角处增加了2个棱镜,A区共安装棱镜58个.棱镜的测点位置示意图以及现场安装如图示.

4.3监测效果

随着楼面板的增加,所有测点的竖向变形均往下降.每增加一层楼板,二层楼板变形约在10～20mm,呈下挠状态.4#筒体与钢管柱之间、7#筒体与悬挑端之间楼板增加后,竖向变形不大,估计观测有偏差,待进一步分析.

通过对拉索张拉过程及后续结构施工过程的索力、关键部位钢结构应变和结构变形的监测,从所得的监测数据来分析,总体上与模拟分析的设计值相吻合,实施过程也无发生异常情况,结构处于安全状态.

5.结语

本工程成功的将桥梁预应力斜拉索技术应用于房建结构施工中.综合考虑索结构、钢结构、砼结构的安全性、协调变形等,在工程实施方案基础上,结合施工模拟,总结并形成了索张拉工况和顺序、索安装、张拉控制及防腐、施工监测等一系列房建结构中预应力斜拉索施工新技术.相信预应力斜拉索技术――斜拉转换结构为构筑建筑工程的内部大空间提供了新的选择.