预应力钢结构拉索张拉施工工艺研究及工程应用

 陈  茜，朱  莹，张  强，梁存之，冯大斌

 （中国建筑科学研究院，北京  100013）

  [摘要]预应力拉索张拉是预应力钢结构施工的关键环节，张拉工艺是否合理直接影响张拉方案的可行性及施工操作的便捷性。基于索头形式及端部锚固特点对张拉工装进行分类。结合大量工程实践给出不同类型工装的设计要点、张拉工艺要求及适用范围。对张拉过程中常见问题进行分析与总结，并提出合理化建议。探讨在总体张拉工艺设计、产品与工艺结合、工装的通用性与设计原则等方面应关注和解决的问题。

[关键词]钢结构；预应力；拉索；张拉；千斤顶；工装

[中图分类号]TU394  [文章编号]1002 -8498（2016）09 -0066-05

0  引言

 将预应力技术应用于钢结构，不仅可以增加结构刚度，减轻结构自重，减少耗钢量，增强结构稳定性，还能创造出新的结构体系，尤其在大跨度钢结构中效果更为显著，因此预应力钢结构近年来得到广泛应用。

 预应力钢结构施工过程控制要求高，达到“力”与“形”的统一难度大。在结构总体张拉方案确定后，施工操作是否便捷高效取决于张拉工艺设计是否合理。因此，预应力的施加是预应力钢结构施工过程中最关键工序之一。实际工程中拉索多在高空安装、张拉，高空作业难度大，且索头形式各异，锚固节点构造复杂，张拉空间狭窄等给工装设计增加了难度。结合工程实践，本文对拉索张拉施工工艺进行研究，并提出合理化建议。

1  预应力拉索张拉工艺

 预应力钢结构中拉索的施工主要分为安装和张拉两个步骤。

 拉索的安装一般是采用倒链并配以简单的工具或工装将其安装到结构上；但大规格、超长拉索还需要辅助起重机。由于各个工程的场地条件、索的质量不同，需要根据工程的具体情况制定合理的安装方案。

 一般的拉索张拉需要使用千斤顶和辅助张拉工装，而钢绞线群锚拉索的张拉方法与普通预应力混凝土中钢绞线的张拉类似，多数情况不需要工装。目前工程中运用最多的是成品索，而成品索的张拉基本上每个工程都需要专门设计张拉工装，而且在满足使用要求的情况下越简单越好。对于比较复杂的结构，有可能需要整体同步张拉，这不仅需要自动同步张拉设备，工装设计也更为复杂。

 工装设计需要综合考虑索头形式和尺寸、锚固节点形式和构造尺寸、配套张拉机具以及操作空间等因素，其中索头形式是最关键的决定因素。根据工装设计原理不同，将索头的基本形式分为两大类：销接连接和螺母旋紧锚固连接。销接连接是最常用的连接方式，适用于单叉耳式及双叉耳式索头；螺母旋紧锚固连接适用于螺杆式索头或钢棒，如冷铸锚等。根据索头和锚固节点形式的不同，张拉工装设计及张拉工艺可分为以下几种情况。

1.1  钢绞线群锚拉索

 钢绞线群锚拉索的锚头锚固在钢结构端部或混凝土支撑结构上，根据钢绞线的数量和张拉力选择相应规格千斤顶和配套工具锚，然后再进行张拉。但是对于超大型的钢绞线拉索，需要专门设计工装及锚具。新保利大厦的拉索最大的由199根1 860MPa级HDPE涂层ɸs15.2钢绞线组成，计算索力超过16 000kN，没有现成的穿心式千斤顶可以使用，因此使用4台500t千斤顶，采用如图1所示的工装进行张拉，其张拉过程与穿心式千斤顶张拉普通预应力筋的施工过程完全相同。

1.2  螺杆式索头拉索

 螺杆式索头、冷铸锚和钢棒的锚固形式如图2所示。这类拉索张拉时需要用到的设备和工装通常为穿心式千斤顶、撑脚、工装拉杆、工装螺母、连接螺母等。施工时，通过连接螺母将索头的螺杆与工装拉杆连接，采用穿心式千斤顶对工装拉杆进行张拉。随着千斤顶活塞顶出，拉索受力伸长，当张拉力达到设计值时，活塞停止顶出，将锚固螺母拧紧，千斤顶活塞回程，工装螺母承担的力转移到锚固螺母，张拉过程完毕。根据工程的不同特点，在工装拉杆的连接和使用方式上采用不同的方案，例如对于钢棒，如果结构钢棒本身外露长度足够长，可以直接对结构钢棒进行张拉。当拉索规格和索力较小时，可以采用一端带有挤压锚的钢绞线作为工装拉杆，用连接套连接钢绞线和钢棒或索头螺杆。

 中央电视台新台址地脚锚栓张拉施工和悬臂安装时的预应力锚栓张拉施工均采用了常规的螺杆式索头张拉工装。

 中航技研发展示中心钢结构工程也使用了螺杆式索头的拉索。张拉前先将索头穿过结构预留通道后套上螺母，然后安装工装和千斤顶进行张拉。为便于索的施工安装，在螺杆端部增加一个螺纹孔，挂索时在螺纹孔中旋入一个吊耳供钢丝绳连接用，为穿索施工提供方便，张拉时将工装拉杆旋入螺纹孔直接与索头螺杆连接，简化了工装。

 冷铸锚的锚头尺寸一般较大，锚头端部有内螺纹，可以制作内外均为螺纹的连接套，用于连接锚头和工装拉杆，如图3所示。长江航道科研实验新基地6号模型试验大厅张弦桁架屋盖预应力拉索安装张拉工程便采用了这种张拉工装。

 设计这类张拉工装时，还需要考虑是否有足够的空间放置撑脚。确定撑脚的高度和工装拉杆的长度时既应保证拉索张拉时的伸长量，也应尽量节省材料。

1.3叉耳式拉索

 叉耳式拉索是通过销轴与锚固节点的耳板相连，其张拉基本原理是通过张拉调节拉索的受力长度，从而对结构施加预应力。

1.3.1普通叉耳式拉索

 普通叉耳式拉索的张拉一般是在锚固耳板或结构上设置反力点，同时在索体上设置反力梁，在拉索的两侧设置工装索，用穿心式千斤顶对工装拉索进行张拉，通过对2束工装拉索进行张拉从而实现间接张拉预应力拉索。

 这类拉索最基本的张拉工装由千斤顶、反力梁、工装拉索、反力点组成，如图4所示。对于一般的拉索，采用2束工装索，用2台千斤顶张拉；对于索力大的拉索，还可以采用4束工装索和4台千斤顶进行张拉。

 虽然这类拉索的张拉方法原理相同，但是由于各厂家生产的索头造型和尺寸均不相同，并且各工程设计的锚固节点复杂多样，因此实际工程应用中，这类拉索的张拉工装还有很多变化。设计此类工装时重点考虑以下问题。

1.3.1.1  工装拉索的选用

 工装拉索一般采用钢拉杆、钢绞线或钢筋，并配套相应的锚具；当选用钢绞线作为工装索时能够实现连续自动张拉。对于张拉力较小的拉索，采用钢绞线或钢筋作为工装拉索较方便；当张拉力较大时，可采用较粗的钢拉杆或者多根钢绞线作为工装拉索。

1.3.1.2  反力梁的设计

 反力梁大多采用对拼或斜拼形式，安装工装时须将反力梁的两部分夹在索头的台阶处或者锥面上，并用螺栓固定为一体。当反力梁夹在锥面上时，需要增加更多的螺栓以防止对拼的反力梁被胀开，因此应尽量避免将反力梁夹在锥面上。在保证操作空间足够的前提下，应尽量缩小工装索与拉索之间的距离，这样反力梁所承受的弯矩较小，其截面也较小，既节省材料又减轻质量，便于施工。当2根拉索距离很近且张拉力相同时，可以对2根拉索同时进行张拉，此时反力梁需要同时夹住2根拉索。中航技研发展示中心钢结构预应力拉索张拉工程中便有4根拉索属于这种情况，由于分别张拉没有足够的空间放置张拉工装，因此采用同时张拉2根拉索的方法。

 张拉力较小时，反力梁可用厚钢板制作；拉力较大时，需要采用抗弯截面模量较大的箱形截面，从而达到既增强反力梁抗弯刚度又节省材料、减轻工装质量的目的。

1.3.1.3  反力点的设计

 反力点可以选择固定在与主体结构相连的耳板上或主体结构的其他位置，优点是可以增加张拉时的间隙值，有利于旋紧调节螺杆；也可以选择固定在索头上，优点是拆卸方便，能够重复使用。

 反力点的形式需要根据工程的具体情况进行设计，由于各工程锚固节点的形式各不相同，因此反力点是工装中变化最多的部分，常用的有以下几类形式。

 1)采用可拆卸牛腿作为反力点，牛腿固定在索头上，可重复拆卸使用，既操作方便又节省费用。大连市中心体育馆和福州奥体中心体育馆工程的张拉工装就采用了可拆卸牛腿作为反力点。

 2)在索头与锚固耳板之间的空隙内插入1根横梁作为反力点，在张拉完毕后直接拆除即可。如图5所示福州奥体中心体育馆工程中另外一种张拉工装，由于规格较小的拉索设计索力相对较小，索头与锚固耳板之间的空间插入的横梁刚好能够满足受力要求，因此能够采用这种小巧轻便的反力点形式。

榀张弦梁的拉索由5根拉索组成。若按照常规施工方法需要对每榀张弦梁两端的4根拉索同时进行张拉，这样需要8台千斤顶和4套张拉工装同步进行张拉。由于张弦梁两端的锚固节点处空间很小，设置反力点十分困难，因此采用了只张拉中间拉索的方法，这样只需要使用2台千斤顶和1套工装。工装固定端的反力梁放置在Y形耳板的分叉处，张拉完毕后可拆除移到下一榀张弦梁继续使用，不仅节省施工成本，而且施工简便（见图6）。

 3)当拉索张拉工装的反力点固定在拉索上，与结构不发生关系时，工装的尺寸只与拉索的尺寸和形状有关。

1.3.2钢拉杆

 叉耳式锚头的钢拉杆一般在调节装置处进行张拉。调节装置由调节套筒、锁紧螺母组成，套筒内部有正反向的螺纹。张拉前套筒所连接的2根钢拉杆之间有一定的距离，张拉时旋转套筒使两边钢拉杆均向中心旋进，通过缩短钢拉杆的有效长度，使结构中与钢拉杆相连的构件发生变形从而在钢拉杆中建立起预应力。张拉力较小的钢拉杆直接用扭矩扳手拧紧调节套筒即可。

 将张拉端反力梁和固定端反力梁夹在套筒两端的锁紧螺母外侧，张拉时一边张拉工装索一边旋紧套筒，当张拉力达到要求时张拉完毕，张拉工装可拆除继续使用。沧州市城乡规划馆钢拉杆张拉工程便使用了这样的工装。

 对于套筒调节式拉索和螺杆调节式拉索，其调节方式与叉耳式锚头的钢拉杆类似，张拉工装与钢拉杆的张拉工装原理相同。

 这种形式的工装具有一定的通用性，对于规格相近的拉索，可以通过在反力梁上增加设有不同圆孔的对开垫板来适应不同的拉索，拉索生产厂家也对这种形式的拉索设计了专用的张拉工装。

1.3.3  特殊叉耳式拉索

 长吉高速公路收费站雨篷结构的拉索也是叉耳式拉索，但拉索的锚固节点固定在结构的预埋锚杆上，拉索长度不能调节，张拉方法与普通的叉耳式拉索不同，它是通过对锚杆进行张拉从而调节锚固节点在锚杆上的位置，也相当于调节索长。张拉锚杆需要使用撑脚、穿心式千斤顶和工具螺母，与螺杆式索头拉索的张拉原理相同，但要保证多台千斤顶的同步性（见图7）。

1.4组合式拉索

 双螺杆调节型拉索的张拉端索头结合了叉耳式索头和螺杆式索头的特点。

 洛阳新区体育中心体育场的稳定索采用双螺杆叉耳式锚具。在安装拉索时使用的工装类似于叉耳式拉索的反力梁+焊接牛腿工装，而张拉则采用螺杆式索头的撑脚式张拉工装对2根螺杆分别同步张拉。为减小安装过程中的牵引力以方便施工，拉索安装前应将螺纹调节至较长状态，使索体尽量长，同时保证螺纹最小锚固长度，确保安装过程安全。

2  大型体育场索结构整体同步张拉施工工艺

 由于索膜结构造型自由轻巧、安装快捷、经济性好，近年来越来越多的大型体育场采用了索膜结构形式。这类工程中拉索数量多，由于结构成型和受力的要求较高，多采用整体同步张拉，其张拉工装的设计需要结合整个结构的施工方案进行。张拉工装原理与普通叉耳式拉索相同，但是普通拉索一般是先挂好再张拉，张拉时如果设备和工装出现问题，工人可以在锚固节点处的操作平台上进行处理。而采用同步张拉方法施工时，多根拉索需要经过一段较长距离的牵引后才挂上耳板，因此挂索和张拉是同一个过程。牵引过程中，拉索下部无支

撑，不需要人工干预；但是，一旦工装或千斤顶出现问题，若在高空进行处理或维修非常困难，因此工装的设计和制作要求更高。

 此类工程的张拉工装设计除了前文所述需要考虑的问题外，还需要重点考虑以下问题。

 1)千斤顶的位置  深圳宝安体育场是国内首个大型轮辐式索桁架结构工程，采用的张拉方案是先张拉上径向索，再张拉下径向索，挂索安装和张拉均是一步完成。张拉过程中，自动连续张拉千斤顶固定在张拉端反力梁上，反力点的形式为在环梁上设置辅助耳板。工装索采用2束19根ɸs15.2钢绞线，位于拉索的水平两侧。施工时，安装所有工装和径向索的张拉端锚头，径向索的固定端锚头与环向索连接。采用自动连续张拉千斤顶对36根径向索同步进行牵引和张拉，千斤顶和径向索的索头一同向锚固节点移动，环向索被同时提升和张拉。由于径向索为定长索，在径向索索头与锚固耳板通过销轴连接锚固时，张拉过程也就完成。

 而乐清市体育场挑棚是月牙形非封闭空间索桁架结构，上弦索和下弦索张拉时的工装选择将千斤顶放置在环梁上，通过销轴固定在环梁内侧的辅助耳板上。

 2)反力点的设置  由于宝安体育场的每个锚固节点同时锚固2根拉索，并呈上下分布，因此辅助耳板只能水平布置在锚固耳板的两侧，在环梁制作时就需要将辅助耳板插入环梁中。有的工程每个耳板上只锚固1根拉索，反力点的设置可以更加简化，将锚固耳板扩大，在拉索受力轴线两侧对称布置辅助拉索的锚固点，反力梁为立式放置，这样的反力点只对耳板进行改动，对结构不产生影响（见图8）。

 反力点的设置方式与千斤顶的放置方式可以根据工程的具体情况选择并自由组合。

 此类工程的张拉工装应在保证受力安全的前提下，尽量设计轻巧，提高了施工便利性和经济性。

3  结语

 通过对多个工程拉索张拉工艺尤其是张拉工装设计的分析和总结，可得到如下结论。

 1)拉索张拉的深化设计和张拉工装设计工作应尽早启动，施工单位、工程设计人员和拉索生产厂家应进行良好的沟通。一方面确保与拉索相连的锚固节点构造、拉索锚具形式及其构造等满足张拉工艺要求。如果施工单位发现张拉锚固节点存在问题则应提出合理的修改建议，便于采用合理、经济和操作方便的工装设计方案。另一方面能够及时了解拉索的构造尺寸，还可通过对索头提出可行的修改，便于更好地设计张拉工装，提高施工的便利性和经济性。

 2)预应力钢结构形式的多样性决定了索头形式和锚固节点形式的多样性。拉索张拉时，张拉机具与索头和节点连接在一起，因此张拉工装的设计除应配合张拉方案的实施，还应考虑索头、锚固节点和张拉机具的匹配性，以及操作空间等影响因素。

 3)为安全、经济、高效地完成张拉施工，进行张拉工艺设计时应综合考虑施工难度、工期、费用、安全性等因素。例如尽量采用少支架或无支架的施工方法以节省费用和工期，减少高空作业量，降低对起重机的要求，提高施工效率等。

 4)随着技术的发展，未来还有可能出现更多形式的拉索。建议拉索生产厂家在设计拉索索头和调节装置时应考虑相应的张拉工艺，为张拉工装的设计提供更多的便利；也可以配套设计施工方便、有一定通用性的专用张拉工装。