向心關節(jié)索桿體系在弦支展開機構中的應用

向心關節(jié)索桿體系在弦支展開機構中的應用

0預應力建立方法kawgu構建了一個完整的結構體系，并將剛性和柔性結構結合在一起。日本科學家kawgumamoru于1993年提出了第一個屋頂結構，即光丘屋頂，該結構進行了靜力和能源試驗，并獲得了屋頂結構的基本力學特征。預應力是弦支穹頂結構成型和性能發(fā)揮的關鍵,而研究建立預應力的途徑對于弦支穹頂結構的施工和使用意義重大。由以往弦支穹頂工程張拉經(jīng)驗可知,預應力建立方式有三種:張拉徑向索、張拉環(huán)向索以及頂撐撐桿。每種預應力建立方法都具有各自的特點和適用條件,如表1所示。張拉徑向索方式需要投入更多的張拉設備,進而會帶來人力、物力的投入較大,張拉同步等問題。張拉環(huán)向索方式需要環(huán)向拉索在節(jié)點間滑動傳遞預應力,因此需要特殊的索夾構造確保張拉過程中環(huán)向索能夠自由滑動,而且由于拉索與索夾相對滑動存在摩擦會造成預應力損失,會導致預應力分布不均。如2008年北京奧運會羽毛球館采用了帶有四氟乙烯片的索夾節(jié)點,旨在減小摩擦預應力損失,但實測最大的預應力損失仍然達到了21%。對于頂撐撐桿方式,由于撐桿軸力較小,施工張拉力水平低,而且這種建立預應力方式使得索夾構造相當復雜。因此,根據(jù)具體情況,選擇合理的索桿體系和對應的張拉方式對建立預應力狀態(tài)具有重要意義。本文作者以東亞運動會團泊自行車館屋蓋弦支穹頂為研究對象,提出了一種向心關節(jié)索桿體系,采用以張拉環(huán)向索為主、張拉徑向拉桿為輔的混合張拉方式建立預應力,并應用ANSYS有限元分析軟件對該弦支穹頂結構施工放樣態(tài)找形、預應力建立過程進行模擬計算。1屋蓋及邊界條件東亞運動會團泊自行車館總建筑面積約28000m2。工程外觀設計為自行車比賽選手的頭盔形狀,如圖1所示。該館地下1層、地上3層,平面為橢圓形,上部鋼屋蓋采用弦支穹頂結構,考慮到建筑功能需要等因素,下部僅設置1圈索桿體系(圖2)。屋蓋內(nèi)圈網(wǎng)殼支承在24個圓形截面混凝土柱上,采用彈簧鋼支座,屋蓋外圈網(wǎng)殼懸挑。雙層正交網(wǎng)殼內(nèi)層(即下弦)為標準橢球形網(wǎng)殼,長軸長為126m,短軸長為100m,矢高18m,矢跨比約為1/7(長軸)和1/5.5(短軸)。環(huán)向拉索采用1670MPa級半平行鋼絲束,由8段拼接形成;徑向拉桿共計64根,采用550MPa級鋼拉桿;撐桿共計44根,采用Φ245×12圓鋼管。2不可滑動撐桿索桿體系團泊自行車館弦支穹頂采用了向心關節(jié)索桿體系,該索桿體系由5部分構成:向心關節(jié)軸承撐桿上節(jié)點、不可滑動撐桿下節(jié)點(索夾節(jié)點)、撐桿、環(huán)向拉索以及徑向拉桿,如圖3所示。2.1空間鉸接控制向心關節(jié)軸承是機械結構中常用的部件,由兩部分組成:軸承內(nèi)環(huán)和軸承外環(huán)。外環(huán)的內(nèi)球面與內(nèi)環(huán)的外球面緊密貼合,實現(xiàn)了軸承的空間任意角度轉動,能夠實現(xiàn)空間鉸接。如圖4所示,將向心關節(jié)軸承放置于撐桿耳板內(nèi),通過銷軸將撐桿與上部網(wǎng)殼連接,利用向心關節(jié)軸承的空間轉動能力,使撐桿下節(jié)點(索夾節(jié)點)具有徑向轉動、環(huán)向微動能力。其對弦支穹頂結構的貢獻與一般球較類似,但構造更加簡單。2.2連續(xù)型下節(jié)點與節(jié)點間的張拉控制為了減少環(huán)索索頭數(shù)量,團泊自行車館采用了兩種鑄鋼撐桿下節(jié)點,即間斷型下節(jié)點和連續(xù)型下節(jié)點(圖5)。對于連續(xù)型下節(jié)點,通過在索道內(nèi)部采用電焊條制造毛刺、緊固螺釘?shù)却胧┐_保在張拉過程中環(huán)索與下節(jié)點不產(chǎn)生相對滑動,從而避免摩擦損失預應力的問題。間斷型下節(jié)點由于拉索被截斷,故不存在滑動問題。2.3強迫撐桿體系張拉弦支穹頂結構的索桿體系大多是通過施加強迫位移或縮短拉索長度建立預應力。例如傳統(tǒng)張拉環(huán)索方法就是通過千斤頂縮短環(huán)向拉索的長度建立預應力,張拉過程中應保證環(huán)索自由滑動通過節(jié)點以傳遞預應力;而張拉徑向拉桿方法則是通過施加撐桿下節(jié)點的強迫位移建立預應力。由于關節(jié)軸承的引入,向心關節(jié)索桿體系中撐桿不僅可以沿徑向擺動也可沿環(huán)向擺動。張拉過程中環(huán)向拉索通過節(jié)點的滑動受阻,雖然采用了環(huán)向張拉方式,預應力卻是通過強迫撐桿下節(jié)點產(chǎn)生位移建立的,與傳統(tǒng)環(huán)索張拉有較大區(qū)別。圖6以張弦梁的張拉過程為例說明向心關節(jié)索桿體系采用的張拉方法。張拉前先將撐桿擺動到施工放樣態(tài)。張拉時僅張拉主動環(huán)向索段,通過撐桿的擺動將預應力傳遞至其余被動索段,最終完成索桿體系預應力的建立。向心關節(jié)索桿體系處于三維受力狀態(tài),張拉過程中撐桿擺動路徑較平面張弦梁結構的撐桿運動路徑更加復雜,因此利用撐桿的空間擺動能力建立設計態(tài)預應力的關鍵在于獲得準確的施工放樣態(tài)。3雙桿拉張拉索本工程采用了以環(huán)向索張拉為主的張拉方案,選擇徑向拉桿間斷處的4段環(huán)索作為張拉索段。張拉模擬分析主要分為兩步:施工放樣態(tài)找形和張拉模擬。3.1單元模擬系統(tǒng)模型結構參數(shù)詳見文獻。采用有限元分析軟件ANSYS建立分析模型(圖7),上部雙層網(wǎng)殼部分桿件采用LINK8單元(每根桿件采用1個單元模擬),懸挑單層網(wǎng)殼部分采用BEAM4單元,撐桿采用LINK8單元,徑向拉桿以及環(huán)向拉索均采用LINK10(僅受拉)單元,支撐胎膜采用LINK10(只受壓)單元模擬。桿件材料使用理想彈塑性本構模型,屈服強度為345MPa。施工分析過程中,混凝土柱頂彈簧鋼支座僅約束豎向位移,混凝土平臺落地支座約束三向位移。由于實際張拉過程中環(huán)向拉索與索夾節(jié)點不產(chǎn)生相對滑動,模型中環(huán)向拉索共計44段,其中主動張拉索段4段,其余均為被動索段,如圖8所示。通過對主動張拉索段降(升)溫模擬拉索張拉(松弛)。通過ANSYS軟件激活、殺死單元功能,模擬網(wǎng)殼主動脫胎過程。3.2設計預應力狀態(tài)反分析方法本工程采用了向心關節(jié)索桿體系,在預應力傳遞原理上與傳統(tǒng)環(huán)索張拉存在較大差異。需要對施工放樣態(tài)進行找形?？紤]到上部結構為雙層網(wǎng)殼,自身剛度較大,施工放樣態(tài)找形僅針對索桿體系進行。首先采用基于張力補償法思想的位移補償法(正分析)進行放樣態(tài)找形,即對4段主動張拉索段進行降溫,并修正放樣態(tài),經(jīng)過反復迭代獲得最終放樣態(tài)。假定索桿體系設計態(tài)幾何坐標為(X,Y,Z)*,經(jīng)過k次迭代后得到的放樣態(tài)坐標為(X,Y,Z)0k,預應力平衡態(tài)幾何坐標為(X,Y,Z)k,產(chǎn)生的位移為Uk。迭代過程如下:1)假定設計態(tài)幾何坐標即為初始放樣態(tài)坐標,即(X,Y,Z)0k=(X,Y,Z)*;2)將設計預應力折算成降溫溫度,施加在4段主動索段,計算初始放樣態(tài)坐標為(X,Y,Z)0k的位移Uk(k=1);3)計算(X,Y,Z)k=(X,Y,Z)0k+Uk,令Δ=(X,Y,Z)*-(X,Y,Z)k;4)判斷Δ是否滿足精度要求(文中采用5mm作為控制精度)。若不滿足精度要求,則令(X,Y,Z)0,k+1=(X,Y,Z)0k+Δ,轉到第(2)步繼續(xù)進行迭代。但經(jīng)過多次迭代,Δ始終不能滿足精度要求,且得到的預應力與設計預應力有本質(zhì)的不同。圖8給出了設計預應力狀態(tài),環(huán)索拉力分布較為均勻且不存在零拉力拉桿。而圖9為正分析得到的預應力狀態(tài),可以看出,其環(huán)索預應力分布極其不均勻,張拉力以主動索段為起點向兩側迅速衰減,在橢圓的長、短軸頂端環(huán)索預應力僅為張拉力的50%左右;由于徑向拉桿的只受拉特性,張拉過程中出現(xiàn)了16根零拉力拉桿,為保證零拉力拉桿處受力平衡,環(huán)索索力出現(xiàn)了突變。由此可以看出,基于張力補償法思想的位移補償法(正分析)并不適合該類索桿體系的找形分析?？紤]到4段主動張拉索段索長可任意伸長,而被動索段原長不變,采用反分析方法進行施工初始放樣態(tài)找形,即在設計預應力狀態(tài)下對主動張拉索段升溫,使其自由伸長,最終主動索段拉力為零。經(jīng)過非線性迭代計算確定升溫溫度1198.5℃,升溫后拉索內(nèi)力分布見圖10。分析表明,即使主動環(huán)索主動索段內(nèi)力為零,被動索內(nèi)仍有內(nèi)力(最大內(nèi)力11.7kN),故不是最終施工放樣態(tài)。在此基礎之上,對非零內(nèi)力拉桿(圖10)升溫,獲得最終的施工放樣態(tài)。施工放樣態(tài)索桿體系節(jié)點坐標值見表2,從表中可看出,從放樣態(tài)到設計態(tài)以Y方向擺動為主,最大擺動量380mm;Z方向變化量最小,最大僅2mm。根據(jù)上述分析可知,整個張拉過程應分為兩個部分:徑向拉桿預緊和張拉環(huán)向索。正分析僅通過張拉環(huán)索進行找形計算,沒有考慮徑向拉桿預緊,故不能找到正確的放樣態(tài)。3.3網(wǎng)殼結構物權化預應力張拉遵循同步、分步對稱、多次張拉的原則,為減少張拉工裝、節(jié)約施工成本,采用7個子步完成張拉,分別為:1)依據(jù)分析得到的施工放樣態(tài)安裝索桿體系;2)徑向拉桿預緊,初張拉主動索;3)張拉至設計預應力值的50%;4)主動脫胎;5)張拉至設計預應力值的75%;6)張拉至設計預應力值的100%;7)超張拉5%。張拉過程模擬僅需要按照表2坐標修正索桿體系模型坐標至放樣態(tài),首先對相應徑向拉桿降溫,模擬徑向拉桿預緊,達到圖10所示預應力狀態(tài);然后對4段主動環(huán)索索段分級降溫,模擬環(huán)索分級張拉,最終達到圖8的設計預應力狀態(tài)。經(jīng)過計算,網(wǎng)殼結構在張拉至50%預應力值時已經(jīng)被動脫胎,但是考慮到施工過程中不確定因素,實際過程中可能不能完全脫胎,需要注意檢測實際脫胎狀態(tài),進行主動脫胎。張拉過程中網(wǎng)殼桿件整體應力水平較低,最大應力值為114MPa,出現(xiàn)在最外圈環(huán)索附近,如圖11所示。各張拉階段主動張拉點控制拉力如表3所示。各張拉點控制張拉力按照前述7個張拉步分別確定。在工程實際張拉過程中布置了7個位移監(jiān)控點,見圖12。采用全站儀針對上述測點監(jiān)測。各張拉階段控制點位移控制值見圖13。由圖13可知,張拉過程中控制點6#豎向起拱值最大,達27.61mm;網(wǎng)殼整體位移對長軸對稱性較好,對短軸對稱性較差,如監(jiān)測點5#和監(jiān)測點7#,張拉后期測點7#位移大于測點5#;隨著張拉力的增大,網(wǎng)殼豎向變形速率增大。圖14說明張拉過程中網(wǎng)殼實際位移均大于施工模擬值,但整體趨勢一致,其中監(jiān)測點6#誤差最大,達5%。4預應力張拉模擬計算分析目前東亞運動會團泊自行車館弦支穹頂結構已張拉完成,主動張拉索段各階段控制值與施工模擬一致,網(wǎng)殼實際起拱量與施工模擬值接近。通過對東亞運動會團泊自行車館弦支穹頂預應力張拉模擬計算分析,可得如下結論:1)東