新式索托結構拉索張拉施工工法

《新式索托結構拉索張拉施工工法》是北京韓建集團有限公司完成的建築類施工工法；作者分別是侯俊、丁朝陽、馬永利、王利、朱振剛；適用範圍是大型公共建築大跨度結構體系，採用索托結構的張拉施工。

《新式索托結構拉索張拉施工工法》主要的工法特點是張拉裝置結構簡單、造價低、施工速度快、操作方便、精度高；張拉分級根據桁架跨度、設計允許撓度值、桁架的重量、拉索的型號等進行詳細計算確定；張拉採用桁架兩側同時進行，加力分級明確；張拉過程採用了CM-2B靜態應變測試分析系統對主要受力桿件應力、應變進行監控等。

2008年1月31日，《新式索托結構拉索張拉施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2005-2006年度國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：新式索托結構拉索張拉施工工法
• 工法編號： YJGF164-2006
• 完成單位：北京韓建集團有限公司
• 主要完成人：侯俊、丁朝陽、馬永利、王利、朱振剛
• 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
• 主要榮譽：國家二級工法（2005-2006年度）

形成原因

新式索托結構是中國自行開發的具有自主智慧財產權的一種新型結構形式，其外形類似斜拉結構，受力特點與懸索結構有相似之處。索托結構的索不是採用“拉”、“吊”的連線方式，而是採用“托”的方法，連線可靠性增加，而且越到跨中效率越高，能有效減少主桁架跨中撓度，支撐柱架高度可降低，當拉索角度較小時，仍能對結構提供比較大的豎向力，並且可以提高支撐柱架的側向剛度，不易產生風振破壞。索與結構連線處不採用剛性錨頭連線，也不切斷鋼索，而是直接在主桁架結構下貫穿而過，跨過支撐柱架錨固在地面的反力架上，索的利用率高，受力合理，較斜拉結構可節省索錨頭，節省建築結構用材，降低工程造價且施工方便，具有社會經濟效益。

北京蘆城體校曲棍球訓練館工程由北京韓建集團有限公司承建。該工程採用了新式索托結構，項目部結合工程的特點難點組織技術攻關，聯合設計單位組織多次試驗和專家論證，總結並套用了《新式索托結構拉索張拉施工工法》，確保了所有索托主桁架張拉一次成功，取得了社會經濟效益和技術經濟效果。

工法特點

《新式索托結構拉索張拉施工工法》的工法特點是：

1.張拉裝置結構簡單、造價低、施工速度快、操作方便、精度高。

2.張拉分級根據桁架跨度、設計允許撓度值、桁架的重量、拉索的型號等進行詳細計算確定，減少了重複張拉，提高張拉的成功率，保證了結構的安全。

3.張拉採用桁架兩側同時進行，加力分級明確，減少對格構柱的影響，能有效控制張拉力和桁架的撓度。

4.張拉過程採用了CM-2B靜態應變測試分析系統對主要受力桿件應力、應變進行監控，設定臨界值，控制桿件承受力的範圍，能及時、準確地掌握主要受力桿件的應力、應變變化情況，保證桁架的整體安全。

5.採用了索鞍、索托等構件，在彎折點處進行特殊處理，減少了張拉時索的彎折點摩擦力。

6.主桁架的變形受溫度影響較大，張拉施工時必須控制溫差在一定範圍內。

操作原理

適用範圍

《新式索托結構拉索張拉施工工法》適用於大型公共建築大跨度結構體系，採用索托結構的張拉施工（圖1）。

圖1 索托結構示意圖

工藝原理

《新式索托結構拉索張拉施工工法》的工藝原理敘述如下：

新式索托結構張拉系統是由主桁架、懸臂樑、拉索、張拉裝置、索托、索鞍、監測設備等組成，採用ANSYS結構分析軟體，建立整個結構在正常使用狀態下的模型，經過工況選取，確定張拉分級，引入接觸計算，編制有限元程式處理3種接觸狀態（結合但無滑移；結合而有滑移；主桁架與拉索脫離開）的靜力計算問題。張拉千斤頂兩端對稱布置，首先進行預張拉，以消除其非彈性延伸值和索受力後延伸不一致的影響，以及結構之間間隙影響，然後兩端同時加力進行分級張拉，通過套用各種監測方法，控制張拉全過程，確保結構安全和達到設計要求。

施工工藝

• 工藝流程

《新式索托結構拉索張拉施工工法》的施工工藝流程參見圖2。

圖2 張拉施工工藝流程

施工準備

《新式索托結構拉索張拉施工工法》的施工準備如下：

一、張拉方案的確定

施工前應根據桁架的設計跨度、結構形式、構件重量、拉索以及主桁架梁和懸臂樑設計允許撓度值，在結構分析軟體中建立整個結構在正常使用狀態下的模型，經過合理的工況選取，研究制定切實可行的張拉方法和步驟，並把每步張拉詳細分級，規定出允許變形的極限值，經有關部門審批後實施。

二、拉索及配套構件性能質量要求

1.張拉索試件的檢測

拉索材質採用低鬆弛高強鍍鋅鋼絲，護套採用高密度黑色和白色雙層聚四氟乙烯。拉索規格型號應根據工程設計選擇。使用前應做破斷荷載試驗，並檢查拉索各部位無異常；錨杯的外螺紋部位、螺母的內螺紋部位，經MT檢測應沒有超標缺陷。

1）張拉索彈性模量測試

拉索試件彈性模量的測試用CM-2型靜態應變測量分析系統和10毫米應變式位移感測器進行測試，由P-△L曲線通過最小二乘法確定拉索最終的彈性模量。

對張拉索試件的拉力試驗（測定彈模）按《公路工程金屬試件規程》（JTJ 055-83）進行，測定鋼絞線伸長率時，其標距不小於600毫米。載入時，最大應力值不能大於比例極限，但也不能小於它的一半，一般取屈服極限的70%~80%。

2）張拉索內芯與外包層應變關係的測試

為確定內芯與外包層應變關係，在測定拉索彈性模量的過程中，於拉索表層對稱位置貼4~8片（兩個截面）應變片，以測試拉索拉伸過程中外包層應變，並於拉索拉力比較，得到拉索外包層應變和拉索拉力的內在關係，總結規律，為拉索拉力的測試提供新的方法。

2.索托

索托構件設在主桁架的下弦部位，起支托索的作用（圖3），索與索托相互間保證相對切向移動，減少摩擦力。

圖3 索托構件

3.索鞍

索鞍是設在格構柱柱頂，採用不鏽鋼材質，可轉動又可移動，承受壓力和剪力的構件，是與索托結構配套的構件。

4.聚四氟乙烯襯墊

托槽內配有聚四氟乙烯襯墊，減少彎折點的摩擦力，保證拉索在張拉過程中能自由移動。鞍槽內也同樣配有聚四氟乙烯襯墊，減少彎折點的摩擦力，保證力的有效傳遞。

操作要點

《新式索托結構拉索張拉施工工法》的操作要點如下：

一、張拉設備安裝

索托結構抗拔基礎達到設計強度後，主桁架、張拉設備和檢測設備同時進行安裝（圖4）。

圖4 張拉裝置

千斤頂安裝於桁架平面軸線上，兩個千斤頂要對稱放置。

二、拉索安裝

鋼結構安裝主桁架及懸臂樑經驗收合格後進行吊裝，每安裝一桁架後即進行拉索的安裝。拉索的開孔儘量靠近中心，預應力拉索索頭由預應力施工操作人員將一端固定在抗拔基礎上。

若主桁架是梭形，橫截面是倒三角形（圖5），採用將拉索在地面沿桁架展開，利用吊車將其吊到位，然後臨時綑紮，待人工將其入托槽後將索頭固定，避免對拉索的摩擦破壞，減少對主桁架和格構柱的側向受力，同時也節約了費用。

圖5 主桁架、拉索

三、根據主桁架和格構柱的結構形式合理布置測試點。

四、張拉設備安裝完畢後應進行封閉管理，禁止無關人員進入。

張拉施工

《新式索托結構拉索張拉施工工法》的張拉施工要點如下：

一、預張拉

1.預張拉是在每榀桁架拉索的張拉過程中，採用2~3次預張拉以消除其非彈性延伸值和索受力後延伸不一致的影響，以及結構之間間隙影響，預拉時所施預拉力取設計橫載索力的1.25倍，施力持續時間一般為10~15分鐘。

2.張拉施工過程操作工藝：張拉索力達到控制噸位→持荷、測量結構撓度→放鬆張拉索、測量結構撓度→再次張拉索力至控制噸位→持荷、測量結構撓度，並與上次所測結構撓度對比，相差在允許範圍內，證明已消除結構間隙的影響→張拉索錨固。

二、第一次張拉

1.張拉力共分為15個等級，前10個等級，每級20千牛，以後每級為10千牛。

2.桁架兩端的張拉設備同時加力對桁架進行張拉，每加一個等級的張拉力保持恆定5分鐘，直至桁架下弦桿離開支撐架上固定標準點2~3毫米後，停止張拉，待測定變形、應力等參數後，對拉索位置、索鞍、索托、張拉設備、各測點應力、支架狀態、照明等是否正常進行檢查，一切正常後，方可進行下一級張拉。

三、第二次張拉

1.第一榀桁架張拉完畢後，依次張拉第二、第三榀桁架，其程式和第一相同。待三榀桁架張拉安裝後，即可安裝檁條，檁條安裝完畢後，測定並記錄各參數，根據參數制定第二次張拉方案。

2.第二次張拉一般分為15個等級，前5個等級，每級5千牛，以後10個等級每級20千牛，每級到位後，應保持應定力20分鐘，其他程式同第一次張拉。

四、第三次張拉

第三次張拉是補張拉，待所有檁條屋面板及屋面全部設施安裝到位後，測定桁架跨中撓度值和懸臂樑撓度值，根據規範和設計要求，進行補張拉。一般每級20千牛，待到撓度符合設計要求停止張拉，停留2小時以上，觀察撓度變化，待數據穩定後，張拉完畢，卸荷並固定錨頭。

五、張拉過程中應注意的問題

1.張拉過程中要控制張拉速度，不宜太慢也不宜太快，要和正反紋螺牙的旋緊同步進行。

2.每級到位後，應保持張拉力5~10分鐘，直至撓度達到張拉方案規定時停止張拉，在張拉過程中隨時監測其他測試參數（桁架跨中、根部桿、腹桿、懸臂樑根部應力等），待所有參數均處於正常控制範圍內時，才可進行下一步工作。

3.如果某值達到臨界預警值（一般取設計值或規範值的70%）時，必須查明原因，排除後方可進行下一步張拉工作。

六、張拉過程對索和索托結構數據監測要求

1.張拉數據監測作用：

1）在施工過程中通過檢測索力和主要受力桿件的應變和變形，掌握索托結構在施工中的應力和應變情況及變化規律，檢驗設計計算應力和實測應力在各階段的偏差，以達到監督和指導施工，確保工程質量和施工安全。

2）根據計算結果和各階段實測數據，並與設計計算結果對比，調整結構的施力過程，實現結構順利完工。

2.張拉索張拉力測試

張拉索張拉力測試採用了壓力表測試法和應變（力）測試有兩種方法：

1）壓力表測試法

由於一般拉索張力需要使用千斤頂，而千斤頂的液壓和索的張力有直接的關係，所以，只要測定張拉油缸的壓力就可以求得索力。使用0.3~0.5級的精密壓力表並實現通過標定，求得壓力表所示液壓和千斤頂張拉力之間的關係，則利用壓力表測定索力的精度可達到1%~2%。

2）應變（力）測試法

由於拉索的彈性模量已知，並且拉索內芯與外包層之間的應變關係經試件預測已知，因此，只要測定拉索張拉時拉索外包的應變值，利用拉索內芯與外包之間的應變對應關係，再根據索力一應變關係，可以直接算出索力值。

3.索托結構主要受力桿件的內力和變形測試

1）根據主桁架和格構柱的結構形式合理布置測試點，一般選用跨中截面、主梁固定端的內側和外側的上、下弦桿及腹桿以及塔底截面的立柱，測試各桿件的表面應變；

2）弦桿和立柱測試其軸力和在截面上兩個方向上的彎矩，腹桿以及橫向連線桿件只測軸力；

3）貼片工藝的好壞在相當程度上影響測量的精度和正確度，貼片位置需進行認真打磨、清潔，仔細觀察基底下有無氣泡和貼上方位是否正確，對不符合要求的應變片必須剷除重貼；

4）測試導線接入惠斯登電橋及靜態應變測試分析系統進行測量結構表面應變。

5）測試導線的位置要注意避開電磁場干擾或採取禁止措施。因測試時間較長，故還需進行防護和防潮處理。

6）由胡克定律將應變換算成應力，再由應力（主應力、次應力）換算成內力（軸力、彎矩）。

4.索托結構撓度測試

1）建立三維坐標系

在不影響通試的前提下，在桁架中心連線平面投影上選擇平面坐標系原點，垂直於桁架方向為X軸，順桁架方向為Y軸，通過坐標系原點的鉛錘方向為Z軸。根據設計圖紙提供的桁架各節點的坐標，建立桁架在所選坐標系中的空間直線方程。

2）定位方法

桁架安裝位置必須滿足設計的精度要求，然後才能開始施工過程的撓度測試，為了提高放樣精度，必須對施工控制網進行複測，用三維坐標法進行桁架定位，標高採用三角方程法傳遞，桁架立柱基礎頂面即作為平面控制點，也是臨時高程測試點。必須配備專業技術人員和操作熟練的技術工人作為測試人員。

3）測點布置

在每榀桁架的跨中、桁架支撐處和懸臂樑端設定測點，測點布置鋼片並設定明顯標記。

4）撓度測試

測試每榀桁架在每級張拉過程中的測點處的豎向撓度和偏位。並在每的索塔頂點處測量其沉降和偏位。測試撓度是需消除溫度影響及結構間隙等非彈性變形的影響，可通過同一工況下多次測試消除其影響。

• 卸荷與錨固

《新式索托結構拉索張拉施工工法》的卸荷與錨固要求如下：

張拉達到設計要求後兩側同時進行卸荷，卸荷後對各個參數進行複測，確認符合設計和規範要求後，進行錨固，並對張拉裝置進行防腐和防護處理。

• 質量驗收

《新式索托結構拉索張拉施工工法》的質量驗收要求如下：

錨固完成後，組織設計單位、施工單位、數據檢測單位和有關專家根據設計檔案和《鋼結構工程施工質量驗收規範》GB 50205-2001進行驗收。

• 勞動力組織

《新式索托結構拉索張拉施工工法》的勞動力組織見表1。

表1 勞動力組織情況表

序號	工種名稱	工作內容	人數
1	指揮	統一指揮協調各工種工作	1
2	技術指導	負責技術方案制定、結構驗收、技術指導	1
3	測量人員	負責桁架撓度測量觀測、記錄	5
4	質檢員	桁架、拼裝等質量檢查、評定	2
5	安全員	負責工地各工種、設備、現場的安全管理	2
6	吊裝工	負責現場吊裝指揮	1
7	電焊工	負責構件焊接作業	8
8	電工	負責工地電器設備和動力照明用電	3
9	張拉工	負責張拉工作	6
10	其他	配合各工種工作	12
11	合計	╱	41

材料設備

由於《新式索托結構拉索張拉施工工法》可借鑑的經驗少，為確保施工安全和桁架不發生永久變形，採用了CM-2B靜態應變測試分析系統，對桿件的應力、應變進行實時監測和分析處理，其他設備見表2。

表2 施工主要機械設備表

序號	設備名稱	規格	單位	數量	備註
1	超音波探傷儀	CTS-22A	台	2	結構檢測
2	普通鋼管	Φ48×3.5	噸	50	支架使用
3	水平安全網	錦綸平網-P-3×6	塊	75	安全防護
4	汽車吊	50噸	台	2	吊裝拉索
5	液壓千斤頂及電動油泵	200千牛	台	4	張拉設備
6	鋼絲繩	各種規格	噸	1.3	吊裝.固定
7	鋼尺	50米	盤	1	測距離
8	精密水準儀	NI005A	台	2	測標高、撓度及沉降量
9	全站儀	徠卡TC1100	台	2	測垂直度、及偏位
10	靜態應變測試分析系統	CM-2B	台	1	監測桁架桿件的應力、應變

質量控制

《新式索托結構拉索張拉施工工法》的質量控制要求如下：

一、張拉施工中具體控制指標

張拉以主桁架設計跨中下弦撓度和懸臂樑撓度值為基準來控制張拉力。

1.懸臂樑端撓度f_1、f₂：規範要求：f₁、f₂≤L/75，為安全一般選用：f₁、f₂≤L/80。

2.桁架跨中撓度H：規範要求：H≤L/250，為安全一般選用：H≤L/300。

3.選取格構柱、懸臂樑和主桁架的上弦桿、腹桿、下弦桿的相應位置作為應力、應變監測點，設定預警值δ=210兆帕（規範要求δ≤300兆帕）。

4.抗拔基礎混凝土強度達到設計強度後方可進行張拉施工。

5.索具安裝部位、尺寸、角度、標高必須符合設計要求。

6.索錨頭、張拉裝置、主桁架等所使用的圓鋼、鋼板的材質及焊接質量、吊裝質量等應符合設計及施工驗收規範《鋼結構工程施工質量驗收規範》GB 50205-2001。

二、環境溫度控制

張拉過程要保持環境溫度基本恆定，宜選擇夜間或早、晚施工，避免陽光直射，使桁架產生溫差，張拉過程溫差控制在±5℃以內為宜。

三、張拉速度控制

張拉時嚴格按照張拉方案分級張拉，每級張拉應勻速進行，不宜太慢也不宜太快，每級到位後必須使應力傳遞完畢，方可進行下一級張拉。

四、最終撓度值的調整

因為卸荷後桁架要進行不同程度的回調，故根據桁架和拉索的型號、跨度、重量等參數不同，懸臂樑端其控制撓度值可適當比設計撓度值大5~15毫米，跨中撓度值變化不是很大。

安全措施

採用《新式索托結構拉索張拉施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

一、桁架及懸臂樑穩定措施

1.桁架吊裝的吊點經過計算確定，應保證吊裝過程中結構及構件的強度，剛度和穩定性，當天安裝的鋼構件應形成穩定的空間體系。

2.主桁架高空對接完成後，第一主桁架與抗風柱進行連線，兩者之間採用銷軸連線。當完成第二主桁架吊裝後，在兩主桁架之間必須馬上安裝水平支撐，形成穩定結構，以此安裝後續梭形主桁架。

3.懸臂桁架吊裝後，在橫向拉四道鋼絲繩，鋼絲繩與地面固定。當一邊完成兩懸臂桁架的吊裝後，即馬上進行懸臂桁架之間柔性拉索的安裝。

二、張拉施工安全措施

1.拉索張拉是一項組織紀律性嚴密、操作技術要求高的工作，張拉操作人員必須持證上崗，張拉過程應嚴格遵守張拉方案和操作規程。

2.現場必須建立明確的崗位責任制，統一指揮，統一信號，統一行動，除指定的現場指揮人員外，其他任何人員不得發號施令。

3.支撐架搭設應編制詳細支撐架搭設方案並經企業技術負責人審批後方可實施。

4.在張拉前應對桁架和張拉設備進行安全檢查，並且在張拉過程中密切注意桁架、格構柱、張拉裝置的穩定性，有異常情況，立即停止張拉查明原因。

5.拉索張拉時應架設風速儀，風力超過6級或雷雨時應禁止張拉，夜間施工要有足夠的照明。

6.張拉時，應力、應變儀同時工作，隨時監測桁架桿件應力、應變，當達到預警值時應停止張拉，查明原因，方可進行下一步工作。

7.拉索要經過三次張拉才能達到設計效果故抗拔基礎上的張拉裝置周圍必須搭設臨時圍擋，防止人為破壞，造成桁架變形，甚至倒塌。

環保措施

《新式索托結構拉索張拉施工工法》的環保措施如下：

1.成立以項目經理為組長的現場文明施工、環境保護領導小組，嚴格遵守國家和地方的有關環境保護的法律、法規，制定施工現場環境保護責任區和措施，並落實到人。

2.定期對施工現場文明施工、環境保護管理過程中的各項措施落實情況進行檢查，做好檢查記錄，組織考核工作。

3.施工現場物料堆放占用場地應緊湊機械設備布置合理，儘量節約施工用地。材料堆放、加工應儘量利用廢地、荒地，如果現場場地狹小，應選擇第二場地堆放材料。

4.施工現場設定“五牌一圖”，裸露地面進行覆蓋或硬化處理，場界設定圍擋，大門口設定洗車池，車輛出入進行清洗，現場定期進行灑水和清掃，減少揚塵。

5.對施工現場廢機油、電焊條等有毒有害物質派專人進行清理回收，消納到政府制定地點；對預應力張拉設備定期檢查，防止設備滲漏油，對土壤、水體造成污染。

效益分析

北京蘆城體校曲棍球訓練館工程套用了《新式索托結構拉索張拉施工工法》，取得了如下社會效益和經濟效益：

1.套用新式索托結構在保持原設計建築方案外形和建築構造的前提下用鋼量小，結構用鋼量從88千克/平方米，降低到48.5千克/平方米，節約鋼材約355噸，約合人民幣124萬元。

2.索托結構每榀梁用錨頭2個，與斜拉結構相比減少6個，總共減少48個錨頭，約合人民幣73.6萬元。

3.索托結構採用的張拉裝置具有結構簡單、施工方便，沒有任何環境污染等特點，符合國家關於建築節能工程的有關要求。

4.索托結構預應力拉索安裝採用吊車直接吊裝，節約2台卷揚機及附屬設施，減少了對格構柱、索鞍和拉索的摩擦損壞。在張拉過程中能夠保證整體桁架的穩定性和作業人員的安全，而且能減少補張拉，保證一次成功。

5.採用分級張拉施工形成流水作業，節約人工320個工日，同時縮短工期20天。

註：施工費用以2005-2006年施工材料價格計算

套用實例

《新式索托結構拉索張拉施工工法》的套用實例如下：

一、工程概況

北京蘆城體校曲棍球訓練館工程位於北京市大興區蘆城體育運動技術學校院內，其中鋼結構工程長105米，寬102米；建築面積為11851平方米，建築物最大高度為30米，其屋面鋼結構（桁架結構）為倒三角桁架索托結構，跨度75米。該工程於2003年10月18日開工，2005年12月22日竣工。其中，主桁架吊裝和拉索張拉是於2005年3月7日開始，2005年5月23日結束，歷時7天，工程軸視圖（參見圖6）。

圖6 工程軸視圖

二、施工情況

第一榀拉索張拉時，經過反覆試驗，最終確定了張拉分級和每級的張拉力，採用了該工法，剩餘的七榀桁架加快了施工速度，保證了施工質量。

三、工程監測與結果評價

採用《新式索托結構拉索張拉施工工法》施工，為了保證施工過程中桁架結構與作業人員的安全，並且通過監測數據控制施工，中國鐵道建築總公司工程實驗檢測中心和施工單位監測組對索托結構的張拉施工進行了全過程監控量測。

通過監測數據表明8榀主桁架張拉全部合格。

榮譽表彰

2008年1月31日，中華人民共和國住房和城鄉建設部以“建質[2008]22號”檔案發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》，《新式索托結構拉索張拉施工工法》被評定為2005-2006年度國家二級工法。