预应力索结构施工工艺及索力检测仪的研究

（深圳市金象源仪器设备有限公司）

提要：预应力索结构是一种轻质、高强的现代结构，但它的施工工艺也比较复杂，要求比较严格。本文从索力测量的特殊性和索力测定仪的研究开发着手，对这种结构的施工工艺提出了建议和行之有效的一套做法，可供同行参考。

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引言：

预应力索结构是一种轻巧、高强、高效和高技术含量的现代结构，它是点支式玻璃幕墙、玻璃采光顶和张拉膜蓬盖等轻型外围护建筑的理想支撑结构体系。它的外形轻巧，布置灵活，受力合理；它巧妙地将结构的力学美和建筑形体的艺术美有机地融合在一起，具有强烈的时代气息，深得国内外建筑师和广大人民群众的喜爱。伴随着点支式玻璃幕墙、玻璃采光顶和张拉膜蓬盖等建筑的发展，预应力索结构也获得了快速的发展。但这种结构的设计施工难度大，特别是施工过程中对结构的形态控制是一个难点。预应力索结构在施工安装时必须施加预应力才能成形。结构尚未承受荷载时既要保证结构的几何形状符合设计要求，又要使索中预应力值也符合设计要求，这是有一定难度的。根据点支式玻璃幕墙和采光顶中索结构的工程实践，当前预应力索结构施工中存在两种误区。一种是只注意了结构几何形状的初步控制，勉强将预应力索安装上，将索结构的外形尺寸基本调整到位，就算完成任务，而未对索力进行有效控制，给工程质量留下了隐患。另一种误区是忽视了索结构及其张拉工艺的特殊性，将预应力索与钢筋混凝土结构中的预应力筋一样看待，把钢筋混凝土结构中与张拉方法、锚固方法、工作条件等情况相对应的各种预应力张拉损失照搬到索结构的设计、施工中来，弄得过于复杂，使设计施工人员感到困惑，难于操作，有碍预应力索结构技术的推广。本文从预应力索结构的基本原理出发，另辟蹊径从钢拉索索力测定仪的研究开发着手，并结合索端构造和张拉方面等特点提出了反复张拉、逐步到位的预应力施工工艺，从而使预应力索结构的施工控制变得十分方便，容易操作，容易监理，也更方便使用单位的管理和维护，有利于预应力索结构技术的推广。

1. 预应力索结构施工工艺分析及建议

   实践表明，只要各个环节的施工误差都能控制在设计和有关规范的要求之内，那么索结构的基本外形尺寸是容易控制的。形态控制的难点是在于如何协调各个施工环节中不可避免的误差和索端支点在预张拉过程中产生的弹性变形和相互影响。如何通过预应力的调控，对结构形状进行微调，这个微调的过程是十分复杂的，相互影响错综复杂，牵一发而动全身。要在施工前先把各种因素对索力产生的影响都计算清楚后再动手施工既难做到也无必要。施工工艺试验和工程实践表明，索结构的张拉控制应以形状控制为主、应力控制为辅，因为结构形状不到位对下道工序的施工影响太大，而索力的误差只要控制在结构安全度的范围之内就可以了。但这个安全度控制在设计允许的范围之内，施工人员一定要心中有数，与设计人员密切配合，把安全度控制在设计允许的范围之内，索内预拉力既不能太高，也不能太小。进一步分析表明，预应力索结构的索是暴露在外的，看得见摸得着，最简单的办法是用手推拉一下，就能感觉到索中拉力的大小，仅仅是难于定量而已。如果开发出一种测力仪能直接测出索中的预拉力，而且使用起来也十分方便，那么索拉力的控制问题就可迎刃而解，预应力张拉时的所谓各种“损失”也就不存在，设计施工时也就不必考虑什么“张拉控制应力”和“有效预应力”等复杂的概念，凡是用索力测定仪测到的索拉力，都是实在的、有效的索拉力。还应该注意到，预应力索结构中索的端头锚固处一般均设置了索长的调节螺栓，如图1所示。

   

   图 1

   
   

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3. 用拧紧螺栓的办法就可以对索的长短及预应力进行调节，不仅施工阶段可以调节，使用阶段也可以调节。索端螺栓的调节量一般为30～40mm，可根据需要尚可适当放大或缩小，因此，预应力施工控制时不必预留什么锚具损失、摩擦损失、索端支点弹性变形损失，不同索张拉时的相互影响损失等难于计算和难于定量的损失。建议用反复张拉、逐步到位的施工工艺。张拉调试完成后用索力测定仪测到的索力就是实际建立的有效索力。尚应指出索中的预拉力一般都控制在破断拉力的15％以内，风荷作用下的最大拉力，一般也控制在索破断拉力的35％左右，而且最大拉力作用的时间是短暂的，所以索的应力松弛问题也可不必考虑。工程实践表明，用索力测定仪指导索结构形状的微调，经过3～4次反复就可满足设计要求的形状和预应力控制值。但考虑到索结构本身和相互影响的复杂性，结构受荷后其连接点、螺纹、夹紧点等会有某种松弛，主体结构也会有某种松弛变形，而索结构一般都是依附在主体结构上的，主体结构承受荷载后的变形也会影响索中内力的某种调整，所以预应力索结构建成半年至一年后应对索力进行一次全面检查和调整，以确保索结构的正常工作是必要的。建议工程业主在使用过程中每隔一定时间也应对索力进行必要的抽查和维护，对新结构采取谨慎的态度是必要的。只有经过不断实践和总结，这种新结构的施工工艺才会逐步成熟。

   

4. 索力检测仪的原理和拉索测力仪的研制

   研究分析表明：索力的测定分介入式和非介入式两种。所谓介入式测力是指在索的端头或跨中，将索断开后串接一只拉力传感器，直接将索力读出，如图2a、2b所示。

   图 2a 图 2b

   这种测力方法的投入大，只适用于试验研究和吨位大、要求高的个别工程，不适用于布索量大的预应力索结构工程。

   
   

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10. 非介入式测力的方法也有几种，即索的自振周期T与索内张力H，索长L，索的质量W成函数关系，即,或,式中g=9.81m/t²

    由公式可知，测出了索的震动周期T就可算出索内的拉力H，原理比较简单，但将震动信号转化为电信号，经计算机处理后再输出索力值。这个过程需要的仪器设备多，工人掌握的难度大，也不便于高空作业。另外索端的支承条件对索的震动周期有影响，对索力测量的精确度也有影响。另一种测量索力的原理是基于索的横向位移δ与索的拉力H、横向力P和索的长度之间有函数关系，其力学原理如图3所示。索拉力H越大，横向力P作用下的位移δ越小。

    
    

    

    图4

    （测力原理图）

    

    图5

    （拉索测力仪结构图）

    

    图6

    （操作面板）

    用力传感器将横向力P输出，经微处理器处理后转化为索拉力，然后再用液晶显示，但横向力与索力之间的关系，尚与索的直径、断面构造和拉力的大小等有关，必须通过微处理器的修正和精确的标定等处理后才能获得正确而稳定的索力。

    

    台湾九春工业500T卧式拉力试验机（标定校准设备）

    

    通过近三年的探索，我们终于开发成功了体积小、重量轻、便于携带、便于在工地施工现场和高空作业等环境下使用的便携式索力测试仪，测力精度可控制在3％左右，达到了国外同类产品的水平，能够在张紧钢索的任何位置上迅速而准确地进行测试，经过标定后能够用于不同直径、不同种类钢索的测力，完全可满足工程施工控制的需要，本产品已在深圳市中航**特种玻璃技术股份有限公司、东莞*朗五金制品有限公司、广东省**科学研究院（幕墙检测中心）、北京**研究院、杭州城市建*科学研究院（幕墙检测中心）、安徽合肥**水利科学院、电气化集团武广高速铁路、京沪高速铁路、沪昆高速铁路、哈大线高速铁路、北京**会“鸟巢”、深圳印*幕墙技术发展有限公司、深圳市科*幕墙有限公司、中咨(武*)隧道设计研究院、浙江三礁*大桥、河南*世纪体育游乐用品有限公司、山东*口市煤电有限公司、德*电信(泰国)有限公司、台湾迪*企业有限公司、深圳市中*建筑技术咨询有限公司、沈阳恒*幕墙有限公司、青岛新*建设开发总公司、河北省保*市供电局、沈机集团昆*机床有限公司等工程的预应力索结构施工检测中使用，效果良好。

    拉索测力仪的重量6公斤。由于我们开发成功了便携式绳索张力测量仪，从而极大地简化了预应力索结构的施工工艺，使预应力索结构的形态控制变得容易为人们所掌握，从而也使这种新结构变得更加容易普及和推广。

    索力是索结构的一个重要参数。在施工过程中，索力控制是关系到整个结构内力和结构状态的至关重要的因素。使用阶段的索力大小更会对结构的寿命产生重要的影响。目前国内普遍应用的索力测量方法只可以测得张拉阶段的索力，而张拉完毕后索力的大小是无法测量的。在施工过程中，一根钢索按照设计要求先张拉到设计值后，张拉其他钢索势必会使先张拉拉索的索力产生变化，将有可能对整个结构造成损害，甚至会发生灾难性的事故。因此，工程界急需一种无损测量设备来精确测量索力。在这种情况下，我们研制出了一种测量预应力结构和拉索桥中索力大小的新型装置SL-钢索张力测试仪

    我们根据拉索这种柔性结构的特殊性，利用不同张紧情况的索的侧向刚度的不同来测定拉索的内力，现在，我们的索力测定仪已经在几百项工程中使用过，实践证明效果是良好的。由于拉索结构使用越来越广泛，而且我们的索力测定仪比国外的产品便宜很多，因而在国内外都有了广泛的市场。如果各位同行对我们的索力测定仪有兴趣，请联系我，QQ:8965 03894 手机：134 1009 99523