幕墻拉索張力測量儀-鋼索/繩索張拉力測試儀預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)施工工藝及索力測定的研究

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提要：預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)是一種輕質(zhì)、高強(qiáng)的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)，但它的施工工藝也比較復(fù)雜，要求比較嚴(yán)格。本文從索力測量的特殊性和索力測定儀的研究開發(fā)著手，對(duì)這種結(jié)構(gòu)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(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力 索結(jié)構(gòu) 索力測定 幕墻拉索張力測量儀-鋼索/繩索張拉力測試儀

引言

預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)是一種輕巧、高強(qiáng)、高效和高技術(shù)含量的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)，它是點(diǎn)支式玻璃幕墻、玻璃采光頂和張拉膜蓬蓋等輕型外圍護(hù)建筑的理想支撐結(jié)構(gòu)體系。它的外形輕巧，布置靈活，受力合理；它巧妙地將結(jié)構(gòu)的力學(xué)美和建筑形體的藝術(shù)美有機(jī)地融合在一起，具有強(qiáng)烈的時(shí)代氣息，深得國內(nèi)外建筑師和廣大人民群眾的喜愛。伴隨著點(diǎn)支式玻璃幕墻、玻璃采光頂和張拉膜蓬蓋等建筑的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)也獲得了快速的發(fā)展。但這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工難度大，特別是施工過程中對(duì)結(jié)構(gòu)的形態(tài)控制是一個(gè)難點(diǎn)。預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)在施工安裝時(shí)必須施加預(yù)應(yīng)力才能成形。結(jié)構(gòu)尚未承受荷載時(shí)既要保證結(jié)構(gòu)的幾何形狀符合設(shè)計(jì)要求，又要使索中預(yù)應(yīng)力值也符合設(shè)計(jì)要求，這是有一定難度的。根據(jù)點(diǎn)支式玻璃幕墻和采光頂中索結(jié)構(gòu)的工程實(shí)踐，當(dāng)前預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)施工中存在兩種誤區(qū)。一種是只注意了結(jié)構(gòu)幾何形狀的初步控制，勉強(qiáng)將預(yù)應(yīng)力索安裝上，將索結(jié)構(gòu)的外形尺寸基本調(diào)整到位，就算完成任務(wù)，而未對(duì)索力進(jìn)行有效控制，給工程質(zhì)量留下了隱患。另一種誤區(qū)是忽視了索結(jié)構(gòu)及其張拉工藝的特殊性，將預(yù)應(yīng)力索與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力筋一樣看待，把鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中與張拉方法、錨固方法、工作條件等情況相對(duì)應(yīng)的各種預(yù)應(yīng)力張拉損失照搬到索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工中來，弄得過于復(fù)雜，使設(shè)計(jì)施工人員感到困惑，難于操作，有礙預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)技術(shù)的推廣。本文從預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)的基本原理出發(fā)，另辟蹊徑從鋼拉索索力測定儀的研究開發(fā)著手，并結(jié)合索端構(gòu)造和張拉方面等特點(diǎn)提出了反復(fù)張拉、逐步到位的預(yù)應(yīng)力施工工藝，從而使預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)的施工控制變得十分方便，容易操作，容易監(jiān)理，也更方便使用單位的管理和維護(hù)，有利于預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)技術(shù)的推廣。

• 預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)施工工藝分析及建議

實(shí)踐表明，只要各個(gè)環(huán)節(jié)的施工誤差都能控制在設(shè)計(jì)和有關(guān)規(guī)范的要求之內(nèi)，那么索結(jié)構(gòu)的基本外形尺寸是容易控制的。形態(tài)控制的難點(diǎn)是在于如何協(xié)調(diào)各個(gè)施工環(huán)節(jié)中不可避免的誤差和索端支點(diǎn)在預(yù)張拉過程中產(chǎn)生的彈性變形和相互影響。如何通過預(yù)應(yīng)力的調(diào)控，對(duì)結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行微調(diào)，這個(gè)微調(diào)的過程是十分復(fù)雜的，相互影響錯(cuò)綜復(fù)雜，牽一發(fā)而動(dòng)全身。要在施工前先把各種因素對(duì)索力產(chǎn)生的影響都計(jì)算清楚后再動(dòng)手施工既難做到也無必要。施工工藝試驗(yàn)和工程實(shí)踐表明，索結(jié)構(gòu)的張拉控制應(yīng)以形狀控制為主、應(yīng)力控制為輔，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)形狀不到位對(duì)下道工序的施工影響太大，而索力的誤差只要控制在結(jié)構(gòu)安全度的范圍之內(nèi)就可以了。但這個(gè)安全度控制在設(shè)計(jì)允許的范圍之內(nèi)，施工人員一定要心中有數(shù)，與設(shè)計(jì)人員密切配合，把安全度控制在設(shè)計(jì)允許的范圍之內(nèi)，索內(nèi)預(yù)拉力既不能太高，也不能太小。進(jìn)一步分析表明，預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)的索是暴露在外的，看得見摸得著，zui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(fā)出一種測力儀能直接測出索中的預(yù)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(yù)應(yīng)力張拉時(shí)的所謂各種“損失”也就不存在，設(shè)計(jì)施工時(shí)也就不必考慮什么“張拉控制應(yīng)力”和“有效預(yù)應(yīng)力”等復(fù)雜的概念，凡是用索力測定儀測到的索拉力，都是實(shí)在的、有效的索拉力。還應(yīng)該注意到，預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)中索的端頭錨固處一般均設(shè)置了索長的調(diào)節(jié)螺栓，如圖1所示。

圖  1

用擰緊螺栓的辦法就可以對(duì)索的長短及預(yù)應(yīng)力進(jìn)行調(diào)節(jié)，不僅施工階段可以調(diào)節(jié)，使用階段也可以調(diào)節(jié)。索端螺栓的調(diào)節(jié)量一般為30～40mm，可根據(jù)需要尚可適當(dāng)放大或縮小，因此，預(yù)應(yīng)力施工控制時(shí)不必預(yù)留什么錨具損失、摩擦損失、索端支點(diǎn)彈性變形損失，不同索張拉時(shí)的相互影響損失等難于計(jì)算和難于定量的損失。建議用反復(fù)張拉、逐步到位的施工工藝。張拉調(diào)試完成后用索力測定儀測到的索力就是實(shí)際建立的有效索力。尚應(yīng)指出索中的預(yù)拉力一般都控制在破斷拉力的15％以內(nèi)，風(fēng)荷作用下的zui大拉力，一般也控制在索破斷拉力的35％左右，而且zui大拉力作用的時(shí)間是短暫的，所以索的應(yīng)力松弛問題也可不必考慮。工程實(shí)踐表明，用索力測定儀指導(dǎo)索結(jié)構(gòu)形狀的微調(diào)，經(jīng)過3～4次反復(fù)就可滿足設(shè)計(jì)要求的形狀和預(yù)應(yīng)力控制值。但考慮到索結(jié)構(gòu)本身和相互影響的復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)受荷后其連接點(diǎn)、螺紋、夾緊點(diǎn)等會(huì)有某種松弛，主體結(jié)構(gòu)也會(huì)有某種松弛變形，而索結(jié)構(gòu)一般都是依附在主體結(jié)構(gòu)上的，主體結(jié)構(gòu)承受荷載后的變形也會(huì)影響索中內(nèi)力的某種調(diào)整，所以預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)建成半年至一年后應(yīng)對(duì)索力進(jìn)行一次全面檢查和調(diào)整，以確保索結(jié)構(gòu)的正常工作是必要的。建議工程業(yè)主在使用過程中每隔一定時(shí)間也應(yīng)對(duì)索力進(jìn)行必要的抽查和維護(hù)，對(duì)新結(jié)構(gòu)采取謹(jǐn)慎的態(tài)度是必要的。只有經(jīng)過不斷實(shí)踐和總結(jié)，這種新結(jié)構(gòu)的施工工藝才會(huì)逐步成熟。

• 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zui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(yàn)研究和噸位大、要求高的個(gè)別工程，不適用于布索量大的預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)工程。

非介入式測力的方法也有兩種，一種是震動(dòng)頻率測量法，即索的自振周期T與索內(nèi)張力H，索長L，索的質(zhì)量W成函數(shù)關(guān)系，即 ,或 ,式中g=9.81m/t²

由公式可知，測出了索的震動(dòng)周期T就可算出索內(nèi)的拉力H，原理比較簡單，但將震動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后再輸出索力值。這個(gè)過程需要的儀器設(shè)備多，工人掌握的難度大，也不便于高空作業(yè)。另外索端的支承條件對(duì)索的震動(dòng)周期有影響，對(duì)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(shù)關(guān)系，其力學(xué)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(jīng)微處理器處理后轉(zhuǎn)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(guān)系，尚與索的直徑、斷面構(gòu)造和拉力的大小等有關(guān)，必須通過微處理器的修正和精確的標(biāo)定等處理后才能獲得正確而穩(wěn)定的索力。通過近三年的探索，我們終于開發(fā)成功了體積小、重量輕、便于攜帶、便于在工地施工現(xiàn)場和高空作業(yè)等環(huán)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(dá)到了國外同類產(chǎn)品的水平，能夠在張緊鋼索的任何位置上迅速而準(zhǔn)確地進(jìn)行測試，經(jīng)過標(biāo)定后能夠用于不同直徑、不同種類鋼索的測力，*可滿足工程施工控制的需要，本產(chǎn)品已在深圳市中航三鑫特種玻璃技術(shù)股份有限公司、東莞堅(jiān)郎幕墻有限公司、廣東省建筑科學(xué)研究院（幕墻檢測中心）、北京建筑研究院、杭州城市建筑科學(xué)研究院（幕墻檢測中心）、安徽合肥淮委水利*、中國電氣化集團(tuán)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(yùn)會(huì)“鳥巢”、深圳印森幕墻技術(shù)發(fā)展有限公司、深圳市科源幕墻有限公司、中咨(武漢)隧道設(shè)計(jì)研究院、浙江三礁港大橋、河南新世紀(jì)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、中國臺(tái)灣迪農(nóng)企業(yè)有限公司、深圳市中鼎建筑技術(shù)咨詢有限公司、沈陽恒安幕墻有限公司、青島新興建設(shè)開發(fā)總公司、河北省保定市*、沈機(jī)集團(tuán)昆明機(jī)床有限公司等工程的預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)施工檢測中使用，效果良好。

測力儀的外形見圖4。