空间预张力结构施工误差及敏感性分析*

 崔宇红1，郑小飞1，陈联盟2，闫相明3，周一 一4

 （1．三箭建设工程集团有限公司，浙江  温州  325000;2．温州大学建筑工程学院，浙江  温州  325035：3．中厦建设有限公司，浙江  温州  325000;4．常州工学院土木与建筑学院，江苏  常州  213002）

[摘要]分析预张力结构施工张拉过程中的误差特点，基于ANSYS软件数值模拟及模型试验，通过调整杆件长度和同时调整外圈拉索长度模拟杆件长度误差及支座节点径向位置偏差来分析结构误差敏感性。研究表明，不同构件具有不同的长度误差敏感性，本结构中环索误差敏感性最强，桅杆最弱，脊索拉索居中；支座节点径向误差较杆件长度偏差具有更为显著的误差敏感性，其误差效应相当于将外圈拉索分别伸长相同长度引起的索内力偏差之和；试验结果与ANSYS理论分析结果基本接近。

[关键词]预应力；预张力结构；拉索；误差；数值分析；试验

[中图分类号]TU394  [文章编号]1002-8498(2016)09-0071-03

0  引言

 已有理论分析及试验研究表明，精确控制构件原长并按原长进行组装，预张力结构将能达到理想设计状态（形状和内力），与具体施工方法和施工过程无关。预张力结构施工阶段多、工况复杂、影响参数众多，不可避免地存在各种误差，从而造成索内力等实际参数与理想设计值存在一定偏差。对于预张力结构尤其是群索预张力结构，如果能通过精确控制对所有拉索建立预张力，那么体系亦可建立理想的整体预张力分布，但由于施工条件限制，不可能张拉所有拉索，只能根据实际情况选择部分拉索作为主动张拉索，其余构件先按照设计长度组装，然后根据力的平衡和变形协调条件建立预张力。但由于非主动索存在包括索长误差在内的各种误差导致体系无法建立预期的预张力分布及初始形状，实际工程中普遍存在索内力偏差，进而在一定程度上改变了结构的力学性能。

 针对预张力结构施工过程中普遍存在的施工误差，讨论分析各种误差特点及控制范围，进一步通过ANSYS软件数值模拟和模型试验，分析结构杆件长度误差及支座节点误差两类主要施工误差敏感性。

1  施工误差分析

1.1  构件长度误差

 1)拉索原长计算误差  拉索在成材过程中由于生产工艺的影响，截面和弹性模量等物理参数存在差异性，并不是恒定值；另外拉索是柔性的，自重作用下呈悬链线形态，但索单元的计算模型往往采用抛物线等近似曲线，这都使得拉索的计算长度与真实长度存在一定偏差。

 2)杆件下料误差钢丝通过精下料，其下料精度容易保证，但由于钢丝束成品索采用的是热铸锚，锚具组装出现偏差，使得拉索最终的下料长度与计算长度之间存在偏差。压杆的下料长度误差则主要由工厂下料切割引起。

1.2  节点误差

 节点误差主要包括支座节点定位误差、索夹节点标记误差。由于周边环梁的施工精度较难保证，使得拉索锚固支座的空间位置与理论值存在一定偏差；若斜索、脊索和环索等拉索采用连续拉索，则需在拉索上标记索夹的位置，由于成品钢丝束较柔，安装时又处于低应力松弛状态，初始态索夹定位位置与成型态位置有一定偏差。

1.3  耳板销轴孔加工误差

 拉索端部设有叉耳，叉耳与锚固节点的耳板孔通过销轴连接。耳板在施工现场通过埋入混凝土或与钢结构焊接方式进行锚固，由于混凝土的施工振捣和钢结构的焊接残余变形会导致耳板的空间定位不准确；销轴孔由于加工工艺和安装的需要，还存在装配公差，即销轴孔间隙。这两个方面的原因将使得拉索锚固端的空间位置与理论值存在偏差。

1.4预张拉力误差

 拉索在施工及使用期间由于锚具滑移，周边环梁的弹性收缩、徐变，预应力筋松弛等因素使得施工张拉值与设计值存在偏差。

1.5  环境温度偏差

 环境温度对施工过程的影响较为复杂，从构件的下料制作、安装到最后张拉施工完毕，环境温度都会产生影响。现场施工张拉时的温度与设计温度不一致导致施工张拉力与设计值不一致。

2  施工误差控制范围

2.1  杆件长度误差

 根据我国《索结构技术规程》JGJ257-2012中规定，成品拉索和压杆的交货长度与设计长度可允许偏差应满足表1的要求。

2.2预张拉力误差

 根据《预应力钢结构技术规程》CECS212: 2006规定：“试验和张拉用设备和仪器应进行计量标定。施加索力和其他预应力须采用专用设备，其负荷标定值应大于施力值的2倍。施加预应力的误差不应超过设计值的±5%”，“竣工前，应对主要承重拉索进行索力量测，偏差值应控制在±10%以内”。具体到预张力结构，应把施工张拉力的偏差分为两部分，即主动张拉索和被动张拉索的索力偏差。

2.3索夹标记误差

 目前国外可查阅的技术说明中，索夹位置的标记误差一般控制在±2mm。

3  误差敏感性分析

 鉴于施工误差的客观存在，为实现预张力的精确分布，分析、评价各类误差的误差敏感性，并采取有效的控制和修正方法显得尤为必要，本文采用理论分析和模型试验方法，就其中的两类重要施工误差即杆件长度误差和支座节点位置误差进行分析。

3.1理论分析

 采用ANSYS软件数值模拟杆件长度误差及支座节点位置偏差效应。其中杆件长度变化通过对拉索和压杆施加温度作用模拟，温度内力△T按照式(1)计算：

 支座节点位置偏差包括径向、环向及竖向位置偏差，理论分析时可通过先微调节点位置，然后经非线性迭代可求得引入位置偏差后整体结构的预张力分布，分析比较引入节点偏差前后预张力分布的变化来评价3个方向位置偏差的误差敏感性。经分析发现，支座节点环向和竖向位置偏差相对于径向引起的预张力偏差效应很小，几乎可以忽略。本文主要考虑径向位置偏差，由于无法改变模型支座环梁的径向位置，因此通过将连接支座的外圈拉索同时改变一定长度来模拟支座的径向变形，拉索长度变化同样采用式(1)施加温度作用来模拟。

3.2模型试验

 在一直径为5m的索桁结构模型上改变杆件长度来模拟施工过程中产生的杆件长度误差和支座节点误差，通过考察引入误差后体系预张力变化来评价各杆件及支座节点的误差敏感性。模型由12榀索桁架单元组成，每榀单元包括脊索1( JC1)、脊索2( JC2)、斜索1(XC1)、斜索2(XC2)、上环索( SHC)、下环索(XHC)、桅杆1(P1)及桅杆2( P2)，模型尺寸、杆件编号及12榀索单元布置如图1所示。通过加设有正、反螺纹的套筒将所有杆件均设计成长度可调整的杆件，用电阻应变法来测量杆件内力，试验前需对所有贴应变片的构件进行标定，即测定构件的内力与应变关系。

 试验包括2项内容：①杆件长度误差敏感性分析，通过分别伸长第1榀所有杆件长度3mm，考察自身所在榀及第4榀和第7榀所有杆件内力变化，来分析各杆件长度的误差敏感性；②支座节点位置误差敏感性分析，通过同时改变外圈脊索1和斜索1的长度等效模拟支座节点径向位置偏移，进而考察所有杆件的内力变化及产生的偏差效应。误差敏感性试验前，先基于控制杆件长度张拉成型，发现各测点初始预张力实测值与理论值基本吻合。

 1)杆件长度误差敏感性分析  分别将第1榀斜索1、脊索1、桅杆1、桅杆2及上下环索伸长3mm，考察第1榀、第4榀和第7榀索桁架各杆件内力及其变化量，可以发现：①杆件长度变化均会引起整个结构杆件内力的变化，表明结构具有较强的整体平衡性；②斜索1与脊索1伸长3mm时结构索杆内力变化值均为16%左右，表明斜索1与脊索1误差敏感性相近；同时亦可发现桅杆1与桅杆2伸长3mm时索杆内力变化均为3%左右，上下环索伸长3mm时索杆内力变化均为26%，同样具有相近的误差敏感性；比较而言，上下环索误差敏感性最显著，脊索斜索次之，桅杆最不显著；③对于如环索这类误差敏感性显著构件，实际加工安装时需严格控制几何精度，同时亦可作为测点布置构件以精确控制索内力，而对于误差敏感性较弱构件则可适当降低施工精度；④第1榀索杆长度变化引起第1榀自身索内力变化较其他榀索内力变化相近，表明结构具有较强的整体平衡性；⑤试验值与理论计算值

基本吻合，能基本有效验证相关理论，但存在误差，误差除了模型结构的系列误差外（包括周边环梁几何误差等），同时亦包括调节拉索或是压杆长度3mm时引入的调节误差。

 2)周边支座节点位置偏差效应分析  将第1榀中斜索1和脊索1同时伸长3mm来模拟支座发生径向变形，可以发现：①引起整个结构杆件内力显著变化，产生的杆件内力偏差均为30%左右，其值接近斜索1和脊索1分别伸长3mm引起的索内力偏差值之和，表明支座节点径向偏差较杆件长度偏差具有更为显著的误差敏感性；②试验值与理论计算值基本吻合，误差基本控制在10%。

4  结语

 不同构件具有不同的长度误差敏感性，本模型结构环索误差敏感性最强，桅杆最弱，脊索拉索居中；支座节点径向位置误差较杆件长度偏差具有更为显著的误差敏感性，其误差效应相当外圈拉索长度误差效应之和；试验结果与ANSYS软件数值模拟结果基本接近，表明本试验模型设计和理论计算方法是正确可行的。