預應力索結構施工工藝及索力測定的研究
（深圳市金象儀器廠）
提要：預應力索結構是一種輕質、高強的現代結構，但它的施工工藝也比較復雜，要求比較嚴格。本文從索力測量的特殊性和索力測定儀的研究開發著手，對這種結構的施工工藝提出了建議和行之有效的一套做法，可供同行參考。
關鍵詞：預應力 索結構 索力測定
引言
預應力索結構是一種輕巧、高強、高效和高技術含量的現代結構，它是點支式玻璃幕墻、玻璃采光頂和張拉膜蓬蓋等輕型外圍護建筑的理想支撐結構體系。它的外形輕巧，布置靈活，受力合理；它巧妙地將結構的力學美和建筑形體的藝術美有機地融合在一起，具有強烈的時代氣息，深得國內外建筑師和廣大人民群眾的喜愛。伴隨著點支式玻璃幕墻、玻璃采光頂和張拉膜蓬蓋等建筑的發展，預應力索結構也獲得了快速的發展。但這種結構的設計施工難度大，特別是施工過程中對結構的形態控制是一個難點。預應力索結構在施工安裝時必須施加預應力才能成形。結構尚未承受荷載時既要保證結構的幾何形狀符合設計要求，又要使索中預應力值也符合設計要求，這是有一定難度的。根據點支式玻璃幕墻和采光頂中索結構的工程實踐，當前預應力索結構施工中存在兩種誤區。一種是只注意了結構幾何形狀的初步控制，勉強將預應力索安裝上，將索結構的外形尺寸基本調整到位，就算完成任務，而未對索力進行有效控制，給工程質量留下了隱患。另一種誤區是忽視了索結構及其張拉工藝的特殊性，將預應力索與鋼筋混凝土結構中的預應力筋一樣看待，把鋼筋混凝土結構中與張拉方法、錨固方法、工作條件等情況相對應的各種預應力張拉損失照搬到索結構的設計、施工中來，弄得過于復雜，使設計施工人員感到困惑，難于操作，有礙預應力索結構技術的推廣。本文從預應力索結構的基本原理出發，另辟蹊徑從鋼拉索索力測定儀的研究開發著手，并結合索端構造和張拉方面等特點提出了反復張拉、逐步到位的預應力施工工藝，從而使預應力索結構的施工控制變得十分方便，容易操作，容易監理，也更方便使用單位的管理和維護，有利于預應力索結構技術的推廣。
一、 預應力索結構施工工藝分析及建議
實踐表明，只要各個環節的施工誤差都能控制在設計和有關規范的要求之內，那么索結構的基本外形尺寸是容易控制的。形態控制的難點是在于如何協調各個施工環節中不可避免的誤差和索端支點在預張拉過程中產生的彈性變形和相互影響。如何通過預應力的調控，對結構形狀進行微調，這個微調的過程是十分復雜的，相互影響錯綜復雜，牽一發而動全身。要在施工前先把各種因素對索力產生的影響都計算清楚后再動手施工既難做到也無必要。施工工藝試驗和工程實踐表明，索結構的張拉控制應以形狀控制為主、應力控制為輔，因為結構形狀不到位對下道工序的施工影響太大，而索力的誤差只要控制在結構安全度的范圍之內就可以了。但這個安全度控制在設計允許的范圍之內，施工人員一定要心中有數，與設計人員密切配合，把安全度控制在設計允許的范圍之內，索內預拉力既不能太高，也不能太小。進一步分析表明，預應力索結構的索是暴露在外的，看得見摸得著，最簡單的辦法是用手推拉一下，就能感覺到索中拉力的大小，僅僅是難于定量而已。如果開發出一種測力儀能直接測出索中的預拉力，而且使用起來也十分方便，那么索拉力的控制問題就可迎刃而解，預應力張拉時的所謂各種“損失”也就不存在，設計施工時也就不必考慮什么“張拉控制應力”和“有效預應力”等復雜的概念，凡是用索力測定儀測到的索拉力，都是實在的、有效的索拉力。還應該注意到，預應力索結構中索的端頭錨固處一般均設置了索長的調節螺栓，如圖1所示。
圖 1
用擰緊螺栓的辦法就可以對索的長短及預應力進行調節，不僅施工階段可以調節，使用階段也可以調節。索端螺栓的調節量一般為30～40mm，可根據需要尚可適當放大或縮小，因此，預應力施工控制時不必預留什么錨具損失、摩擦損失、索端支點彈性變形損失，不同索張拉時的相互影響損失等難于計算和難于定量的損失。建議用反復張拉、逐步到位的施工工藝。張拉調試完成后用索力測定儀測到的索力就是實際建立的有效索力。尚應指出索中的預拉力一般都控制在破斷拉力的15％以內，風荷作用下的最大拉力，一般也控制在索破斷拉力的35％左右，而且最大拉力作用的時間是短暫的，所以索的應力松弛問題也可不必考慮。工程實踐表明，用索力測定儀指導索結構形狀的微調，經過3～4次反復就可滿足設計要求的形狀和預應力控制值。但考慮到索結構本身和相互影響的復雜性，結構受荷后其連接點、螺紋、夾緊點等會有某種松弛，主體結構也會有某種松弛變形，而索結構一般都是依附在主體結構上的，主體結構承受荷載后的變形也會影響索中內力的某種調整，所以預應力索結構建成半年至一年后應對索力進行一次全面檢查和調整，以確保索結構的正常工作是必要的。建議工程業主在使用過程中每隔一定時間也應對索力進行必要的抽查和維護，對新結構采取謹慎的態度是必要的。只有經過不斷實踐和總結，這種新結構的施工工藝才會逐步成熟。
二、 索力測定的原理和測定儀的研制
研究分析表明：索力的測定分介入式和非介入式兩種。所謂介入式測力是指在索的端頭或跨中，將索斷開后串接一只拉力傳感器，直接將索力讀出，這是一種最正確和直觀的測力方法，如圖2a、2b所示。
圖 2a 圖 2b
這種測力方法的投入大，只適用于試驗研究和噸位大、要求高的個別工程，不適用于布索量大的預應力索結構工程。
非介入式測力的方法也有兩種，一種是震動頻率測量法，即索的自振周期T與索內張力H，索長L，索的質量W成函數關系，即 ,或 ,式中g=9.81m/t2
由公式可知，測出了索的震動周期T就可算出索內的拉力H，原理比較簡單，但將震動信號轉化為電信號，經計算機處理后再輸出索力值。這個過程需要的儀器設備多，工人掌握的難度大，也不便于高空作業。另外索端的支承條件對索的震動周期有影響，對索力測量的精確度也有影響。另一種測量索力的原理是基于索的橫向位移δ與索的拉力H、橫向力P和索的長度之間有函數關系，其力學原理如圖3所示。索拉力H越大，橫向力P作用下的位移δ越小。
圖 3
用力傳感器將橫向力P輸出，經微處理器處理后轉化為索拉力，然后再用液晶顯示。上述原理也比較簡單，但橫向力與索力之間的關系，尚與索的直徑、斷面構造和拉力的大小等有關，必須通過微處理器的修正和精確的標定等處理后才能獲得正確而穩定的索力。通過近三年的探索，我們終于開發成功了體積小、重量輕、便于攜帶、便于在工地施工現場和高空作業等環境下使用的便攜式索力測試儀，測力精度可控制在3％左右，達到了國外同類產品的水平，能夠在張緊鋼索的任何位置上迅速而準確地進行測試，經過標定后能夠用于不同直徑、不同種類鋼索的測力，完全可滿足工程施工控制的需要，本產品已在深圳市中航三鑫特種玻璃技術股份有限公司、東莞堅郎幕墻有限公司、廣東省建筑科學研究院（幕墻檢測中心）、北京建筑研究院、杭州城市建筑科學研究院（幕墻檢測中心）、安徽合肥淮委水利科學院、中國電氣化集團武廣線高速鐵路、京滬線高速鐵路、滬杭線高速鐵路、哈大線高速鐵路、北京奧運會“鳥巢”、深圳印森幕墻技術發展有限公司、深圳市科源幕墻有限公司、中咨(武漢)隧道設計研究院、浙江三礁港大橋、河南新世紀體育游樂用品有限公司、山東龍口市煤電有限公司、德泰電信(泰國)有限公司、臺灣迪農企業有限公司、深圳市中鼎建筑技術咨詢有限公司、沈陽恒安幕墻有限公司、青島新興建設開發總公司、河北省保定市供電局、沈機集團昆明機床有限公司等工程的預應力索結構施工檢測中使用，效果良好。
測力儀的外形見圖4。
圖 4
圖 5
繩索張力測量儀的重量6.6公斤。由于我們開發成功了便攜式繩索張力測量儀，從而極大地簡化了預應力索結構的施工工藝，使預應力索結構的形態控制變得容易為人們所掌握，從而也使這種新結構變得更加容易普及和推廣。
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