非對稱預應力基礎系梁張拉程序研究

梁 巖，趙正豪，苑昕宇，余 政，劉昌海

(1.鄭州大學 土木工程學院 河南 鄭州 450001；2.成都基準方中建筑設計有限公司 四川 成都 610000)

0 引言

鋼結構具備跨度大、造型美觀新穎等優(yōu)勢，在國內外得到了廣泛應用。部分大跨鋼結構基于造型要求在底部設置斜柱支撐，將上部結構荷載傳遞給基礎，因此在斜柱柱腳處會產生較大的水平推力[1]。本文所依托鋼結構建筑采用預應力基礎系梁，以此平衡柱腳的水平分力。但是預應力與上部鋼結構施工相互影響，且預應力張拉時承臺會受到反向荷載作用，易發(fā)生反向位移。為保證基礎預應力施工過程中結構安全，需設計合理的預應力施工方案，并對結構施工過程進行分析、監(jiān)測。于德國等[2]對非對稱索膜結構進行施工過程仿真分析；葛家琪等[3]應用重啟動計算分析方法，研究了不同預應力張拉方式下的找形效果；朱博莉等[4]以某體育場屋蓋結構為例，對擬定的兩種張拉順序和張拉階次進行張拉施工模擬分析。

目前，學者對預應力張拉方法及施工過程監(jiān)測的研究以上部結構及對稱結構為主，針對復雜非對稱基礎結構問題研究較少。本文研究的斜柱鋼結構建筑為異形承臺，且承臺間預應力系梁呈非對稱布置。為了確定合理的預應力張拉方案，控制施工過程中基礎位移，保障結構安全，基于Midas Gen建立全施工階段有限元模型，研究預應力張拉次數、張拉順序對承臺位移及扭轉的影響，保證施工過程結構安全并為同類建筑提供技術參考。

1 工程概況

應天門遺址保護建筑為地上四層，主要分為城樓、東西朵樓和闕樓，其建筑圖見圖1。本文以西闕樓為研究對象，其結構主體為鋼結構，樓面采用現澆混凝土樓板，屋面為坡屋頂鋼板樓蓋，上部結構立面圖和有限元模型如圖2所示。西闕樓從下往上分為3層，分別為下部遺址層、中部城墻層和上部建筑層，見圖2(a)。結構整體傳力路徑清晰明確[5]，上部建筑層荷載沿立柱傳遞至中部城墻層，通過城墻層斜撐轉換結構將上部荷載傳遞至下部斜柱鋼結構，基礎承臺間設置預應力基礎系梁以平衡斜柱的水平推力。

圖1 應天門遺址建筑圖Figure 1 Architectural drawing of Yingtianmen site

圖2 西闕樓上部結構立面圖和有限元模型Figure 2 Elevation of superstructure and finite element model of Xique building

西闕樓設計預應力較大，需要合理地設置各系梁的張拉控制力，以避免張拉過程中基礎位移過大而導致基樁剪切破壞。此外，系梁呈無規(guī)則布置，且預應力張拉值差別較大，需要設計合理的張拉順序，并控制承臺扭轉變形。

2 施工全過程有限元模擬

2.1 建立有限元模型

采用Midas Gen建立結構的有限元模型。西闕樓上部鋼柱之間主要采用焊接，柱與梁之間采用螺栓連接，模型中桿件連接采用共節(jié)點(剛接)模擬。梁柱采用梁單元模擬，下部基礎承臺采用實體單元模擬。樁體采用梁單元模擬，基于m法，在樁身離散單元的節(jié)點上分別施加節(jié)點彈性支承以模擬樁土作用，有限元模型見圖2(b)。

工程場址以黃土狀粉質黏土為主，壓縮系數為0.209 MPa-1～0.236 MPa-1，屬于中壓縮性土層。結合該工程地質信息和《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94—2008)，地基土水平抗力比例系數取20 MN/mm4，后期可以根據現場實測值對該比例系數進行反演分析[6]，不斷優(yōu)化模型，使其計算結果與實際更接近。

2.2 施工階段劃分

結合現場施工條件，西闕樓施工過程初步劃分為9個階段(不含預應力張拉)，如表1所示。

表1 施工階段劃分Table 1 Division of construction stage

3 張拉方案分析

3.1 基礎預應力設計概況

預應力系梁截面由內到外分為混凝土頂管、鋼管梁、鋼絞線?；炷另敼軆葟綖?00 mm，內穿600 mm×16 mm鋼管，鋼管內設置預應力鋼絞線。待預應力張拉完成后，對鋼管與鋼絞線、鋼管與頂管間的空隙進行注漿。由于系梁在水平面呈非對稱布置，預應力張拉值差別較大，需確定合理的預應力張拉施工方案。施工監(jiān)測過程中，在承臺外側安裝百分表測量承臺頂部水平位移，并以此計算各樁頂水平位移?；A系梁編號及承臺測點布置見圖3。

3.2 預應力系梁張拉次數分析

為控制樁頂位移，避免樁體的剪切破壞，進而保障預應力張拉及上部結構施工過程中的安全，根據現場單樁水平靜載試驗結果確定樁頂位移限值。由試驗結果可知，該樁的水平臨界荷載為280 kN，臨界荷載下樁頂水平位移為2.0 mm，結合設計建議，取基樁樁頂施工階段位移限值為±2.0 mm，使用階段位移限值為±1.5 mm。

圖3 基礎系梁編號及承臺測點布置Figure 3 Number of foundation tie beam and layout of measuring points of bearing platform

首先考慮基礎預應力一次張拉至設計值。根據施工階段劃分情況，S4階段完成后，結構自重大幅增大，進而導致樁頂水平位移增大，該階段施工前需進行預應力張拉并控制基樁位移。為便于區(qū)分，此張拉階段編號記為S3-1。根據施工過程有限元施工階段模型，分析各樁頂水平位移變化情況，結果見表2。其中，位移遠離多承臺中心方向為正值，靠近多承臺中心方向為負值。由表2可知，預應力張拉完成后，樁頂承受水平反向荷載作用，產生較大反向位移。施工階段最大樁頂位移為4.17 mm，使用階段最大樁頂位移為2.74 mm，均位于CTA1承臺。施工階段與使用階段樁頂水平位移均超出了設計限值，由于預應力較大，張拉過程中部分樁體在預應力荷載作用下已達到了臨界狀態(tài)，基樁剪切破壞風險較大。

表2 一次張拉時各施工階段樁頂水平位移Table 2 Horizontal displacement of pile top in each construction stage during one tension case

通過上述分析，基礎預應力一次性張拉完成的方案無法保證樁基安全，應分階段進行張拉。由于多次張拉時預應力損失難于控制且錨具易損傷，故張拉階段不宜過多。結合施工情況，考慮采用三階段張拉方案。該方案的預應力張拉階段編號及張拉比例見表3。三次張拉時各承臺的樁頂最大水平位移計算值見表4。由表4可知，各階段預應力張拉完成后，部分基樁樁頂水平位移出現反方向變化，施工過程中最大水平位移均小于設計限值。三階段張拉可有效控制樁頂位移，避免基樁破壞，故該項目可按照三階段張拉方案施工。

表3 預應力張拉階段編號及張拉比例Table 3 Prestressed tensioning stage number and tensioning ratio

表4 三次張拉時各施工階段樁頂水平位移Table 4 Horizontal displacement of pile top in each construction stage during three tension cases

3.3 預應力系梁張拉順序分析

不同的預應力系梁張拉順序對基樁影響較大，并且張拉順序可能會造成較大的預應力損失，影響位移控制效果，甚至可能會導致樁體位移超出限值。因此，需考慮張拉順序對施工過程的影響，并結合現場施工情況，確定合理的張拉順序[7-8]。

考慮現場施工情況及預應力系梁位置，取以下兩種張拉順序進行對比分析。張拉順序Ⅰ：從中間向兩側，每次張拉兩根預應力系梁，先張拉預應力設計值較大的系梁，具體順序依次為(XL-Y3000、XL-Y2600)→(XL-Y3500、XL-Y5000)→(XL-Y4200、XL-Y1900)→(XL-Y800、XL-Y2200)，共計4個張拉批次。張拉順序Ⅱ：從兩側向中間，每次張拉兩根預應力系梁，先張拉預應力設計值較小的系梁，具體順序依次為(XL-Y800、XL-Y2200)→(XL-Y4200、XL-Y1900)→(XL-Y3500、XL-Y5000)→(XL-Y3000、XL-Y2600)，共計4個張拉批次。

有限元模擬過程中，將各張拉批次劃分為獨立的施工階段，并按照張拉順序依次激活預應力荷載，實現不同張拉順序的有限元模擬。分析兩種張拉順序下各階段樁頂位移和承臺扭轉的變化規(guī)律，確定合理的預應力張拉順序。

3.3.1基樁樁頂水平位移分析 張拉順序Ⅰ和Ⅱ均分為4個批次，預應力分三階段張拉至設計值。根據系梁布置，選取預應力影響較大的承臺CTA1和CTA2進行對比分析。系梁預應力分別按張拉順序Ⅰ和Ⅱ進行施工時，各張拉批次下承臺底部基樁樁頂最大水平位移分析見圖4?？梢钥闯?，兩種張拉順序下，承臺CTA1和CTA2樁頂位移變化規(guī)律差異較大。按順序Ⅱ進行張拉時，樁頂位移變化較小。隨著系梁分批張拉，兩種順序下的樁頂位移終值基本相同，且樁頂位移始終小于設計限值。

圖4 兩種張拉順序下樁頂水平位移分析Figure 4 Horizontal displacement of pile top with two tensioning sequences

3.3.2承臺扭轉分析及張拉順序確定 兩種預應力張拉順序下承臺水平扭轉分析見圖5。其中，承臺水平扭轉角位移順時針方向為正值，逆時針方向為負值。由圖5可知，對于承臺CTA1，按順序Ⅰ進行張拉時，水平扭轉先增大后減?。话错樞颌蜻M行張拉時，水平扭轉逐漸增大，且整體變化幅度較小。對于承臺CTA2，按順序Ⅰ進行張拉時，水平扭轉先增大后減小，存在明顯突變現象；按順序Ⅱ進行張拉時，水平扭轉持續(xù)增大。不同張拉批次的承臺扭轉規(guī)律差異較大，但張拉完成后承臺扭轉角位移基本相同。

圖5 兩種張拉順序下承臺水平扭轉分析Figure 5 Horizontal torsion of bearing platform with two tensioning sequences

預應力張拉完成后，兩種張拉順序下樁頂水平位移差值很小，承臺扭轉角位移基本相同，但兩種張拉順序下樁頂位移及承臺扭轉角位移變化規(guī)律存在差異。按順序Ⅱ先張拉預應力較小的系梁，再張拉預應力較大的系梁，避免了承臺受力突變，承臺位移及扭轉變化較小，故預應力張拉采用順序Ⅱ。

4 基于實測數據的對比分析

由于施工過程中土層擾動較大，可能會造成模擬值與實際存在偏差。為保證后續(xù)監(jiān)測的準確性，需根據實測數據對建模參數進行優(yōu)化[9]。以前6個施工階段實測數據為基礎，對承臺位移測點進行實測值與模擬值對比分析，結果見表5。由表5可知，模擬值與實測值之間存在測量誤差，但兩者的變化趨勢基本一致。因此，在該工程地質條件下，地基土水平抗力比例系數取20 MN/mm4能夠反映基礎的實際受力狀況，有限元模型分析結果對后續(xù)監(jiān)測有較好的參考意義。此外，各施工階段的位移較小，擬定的張拉程序合理可行，結構處于安全狀態(tài)。

5 結論

1) 對于設置非對稱預應力基礎系梁的斜柱鋼結構，由于需要張拉預應力以平衡水平分力，單次張拉將導致樁體發(fā)生較大反向位移，預應力張拉程序應避免基樁發(fā)生剪切破壞，科學設置張拉次數及張拉順序。根據合理次數進行張拉，各基樁樁頂水平位移均小于控制值，基樁處于安全可控狀態(tài)。

表5 承臺水平位移實測值與模擬值對比Table 5 Horizontal displacement comparison of measured value and theoretical value of bearing platform

2) 擬定的兩種預應力張拉順序對最終的樁頂位移和承臺扭轉影響較小。先對稱張拉預應力較小的系梁，再張拉預應力較大的系梁，使得承臺位移及扭轉變化較小。同類工程中，可結合預應力值大小設置合理的張拉順序。

3) 根據工程場址土層情況，確定樁側土水平抗力比例系數，且應考慮土層擾動的影響，分析是否需要調整模型參數以保證后續(xù)監(jiān)測的準確性。