大跨度橢球形弦支懸架施工成形仿真分析

大跨度橢球形弦支懸架施工成形仿真分析

甲基拉-加固是日本科學(xué)家m.kawagu于1993年提出的一種新結(jié)構(gòu)形式。它由上部網(wǎng)絡(luò)殼、支撐桿和預(yù)測的牽引桿組成。這是一種新型預(yù)測鋼結(jié)構(gòu)，綜合了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。通過雜交而得到的弦支穹頂一方面改善了網(wǎng)殼的穩(wěn)定性,使該結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)更大跨度建筑物的需求。另一方面也使得其在設(shè)計(jì)與施工方面相對于索穹頂結(jié)構(gòu)顯得較為簡化。弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系在空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域已取得了一定的發(fā)展,并在國內(nèi)外有小規(guī)模的工程實(shí)踐,而剛建成的武漢市體育館又開創(chuàng)了大跨度弦支穹頂結(jié)構(gòu)的工程實(shí)踐,為大跨度弦支穹頂?shù)脑O(shè)計(jì)與施工研究積累了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn),同時(shí)該結(jié)構(gòu)在施工過程中的研究成果,為采用有限元手段對弦支穹頂進(jìn)行施工過程的計(jì)算分析提供了一定的理論基礎(chǔ),并提出了針對該結(jié)構(gòu)而言的3種預(yù)應(yīng)力施工方法。本文以常州體育館大跨度橢球形弦支穹頂為研究對象,分析了弦支穹頂?shù)?種預(yù)應(yīng)力拉索施工方法的可行性,并系統(tǒng)地對比分析了3種張拉成形方法的優(yōu)缺點(diǎn),得出了對于常州體育館這類結(jié)構(gòu)體系較為適用的拉索施工方法。1網(wǎng)殼及桿網(wǎng)特征常州市體育館屋蓋形狀為橢球形弦支穹頂(見圖1),橢圓長軸119.872m,短軸79.915m,屋蓋矢高21.45m。屋蓋曲面面積為9359.939m2,覆蓋面積為7502.282m2。該弦支穹頂?shù)木W(wǎng)殼為單層網(wǎng)殼,其中心部位的網(wǎng)格形式為凱威特型(K8)、外圍部位的網(wǎng)格形式為聯(lián)方型。網(wǎng)殼桿件采用圓鋼管,徑向桿與環(huán)向桿相交節(jié)點(diǎn)均采用相貫線節(jié)點(diǎn)。該弦支穹頂?shù)乃飨禐長evy索系,由環(huán)向索和徑向索構(gòu)成,共設(shè)6環(huán)。撐桿采用圓鋼管,上下端鉸接。2張拉過程的影響弦支穹頂?shù)睦鲝埨椒ㄍǔＳ?種:①張拉徑向索;②張拉環(huán)向索;③頂撐撐桿張拉。對于預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)而言,人們最關(guān)心的是施工結(jié)束后的預(yù)應(yīng)力態(tài),希望結(jié)構(gòu)施工完成后的實(shí)際預(yù)應(yīng)力態(tài)與設(shè)計(jì)一致,因此無論采用哪一種張拉方法,張拉結(jié)束后的最終狀態(tài)要與設(shè)計(jì)相符。也就是說,在張拉順序一定的情況下(從最外環(huán)向最內(nèi)環(huán)張拉),拉索無論采用何種張拉方法,僅是相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、張拉機(jī)具、施工工藝等不同,而對結(jié)構(gòu)本身的施工階段和使用階段的狀況均沒有影響。因此,本文主要從張拉機(jī)具、張拉力誤差分析及施工工藝3個(gè)方面,以常州市體育館為對象,進(jìn)行3種張拉成形方法的對比分析。2.1張拉過程中各環(huán)內(nèi)部索力及撐桿軸力變化規(guī)律根據(jù)常州體育館的張拉成形順序(從最外環(huán)向最內(nèi)環(huán)張拉),計(jì)算弦支穹頂結(jié)構(gòu)在張拉過程中各環(huán)環(huán)向索索力、徑向索索力和撐桿頂撐力。計(jì)算分析可得,該結(jié)構(gòu)的上層網(wǎng)殼剛度相對較大,張拉過程中環(huán)與環(huán)之間的相互影響較小,環(huán)向索和徑向索索力及撐桿軸力的變化均<5%。據(jù)此,僅給出全部張拉完成后各環(huán)環(huán)向索和徑向索索力及撐桿軸力圖(見圖2)。由于結(jié)構(gòu)的平面投影為橢圓形,同一環(huán)內(nèi)環(huán)向索索力由短軸向長軸遞減(見圖2a),而徑向索索力(見圖2b)及撐桿軸力(見圖2c)則是由短軸向長軸遞增,即各環(huán)各個(gè)構(gòu)件張拉力均不等。為保證結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力施工結(jié)束之后,達(dá)到設(shè)計(jì)所需的預(yù)應(yīng)力態(tài),需對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行3種張拉成形方法的對比分析,以找出最合理的施工方法。2.2每環(huán)張拉方法的張拉伸長根據(jù)模型分析結(jié)果,各張拉方法中不僅張拉的構(gòu)件不同,而且張拉力、張拉點(diǎn)的位置、張拉機(jī)具類型及數(shù)量等都不同,如表1所示。從表1可見,在每環(huán)同步張拉過程中環(huán)向索張拉方法的張拉點(diǎn)數(shù)最少(4或8個(gè)),所需張拉千斤頂數(shù)量少,且千斤頂?shù)膹埨瓏嵨灰笠草^易滿足。而徑向索和撐桿張拉方法的張拉點(diǎn)數(shù)較多(8~24個(gè)),所需張拉千斤頂數(shù)量多。2.3環(huán)向索、徑向索和撐桿軸力誤差根據(jù)力的平衡條件,各環(huán)的環(huán)向索、徑向索和撐桿的軸力成一定的比例關(guān)系,根據(jù)仿真分析計(jì)算結(jié)果,其比例關(guān)系如表2所示。從表中可以看出撐桿軸力最小,與環(huán)向索的索力比值也最小。例如:最外環(huán)(第6環(huán))撐桿軸力僅為環(huán)向索索力的8%。而環(huán)向索、徑向索和撐桿軸力的誤差比例相同,即若撐桿頂撐時(shí),撐桿頂撐力誤差為10%,則在環(huán)向索和徑向索中也產(chǎn)生了10%的索力誤差。由于撐桿軸力較小,張拉撐桿時(shí)較小的絕對誤差,將在環(huán)向索、徑向索中產(chǎn)生較大的絕對誤差值,即撐桿張拉法導(dǎo)致環(huán)向索和徑向索索力誤差放大。同理,正好相反,環(huán)向索張拉方法將減小徑向索和撐桿的軸力誤差。由于千斤頂缸體和活塞之間存在摩擦,大型空間結(jié)構(gòu)工程高空張拉油管較長,千斤頂和油泵之間落差較大,以及張拉節(jié)點(diǎn)的螺牙咬合等因素,引起張拉力誤差。而且張拉力越小,誤差比例越大,即頂撐撐桿比張拉環(huán)向索引起的誤差比例大。一般小噸位千斤頂張拉力誤差在5kN左右。例如:當(dāng)采用撐桿頂撐法張拉第2環(huán)時(shí),撐桿張拉力誤差5kN,將導(dǎo)致環(huán)向索索力誤差71.43kN,誤差比例約為33%。2.4張拉過程中徑向索的索力平衡采用環(huán)向索張拉時(shí),考慮環(huán)向拉索安裝的方便及橢球形弦支穹頂同環(huán)索段索力的差異,將每環(huán)環(huán)向索分為8段,在每個(gè)張拉點(diǎn)采用2臺100t千斤頂同步張拉。采用環(huán)向索張拉方法,實(shí)現(xiàn)同一環(huán)內(nèi)張拉點(diǎn)的同步張拉比較容易,同時(shí)也便于環(huán)向索的線形控制。采用徑向索張拉時(shí),按照索張拉之后預(yù)應(yīng)力態(tài)與設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力態(tài)相同,確定出在張拉過程每組徑向索的調(diào)節(jié)量及張拉力。計(jì)算分析結(jié)果表明,每環(huán)內(nèi)徑向索的索力大小不等,且同一點(diǎn)處2根徑向索的索力也不等。同一環(huán)內(nèi)徑向索的數(shù)量多達(dá)48根,為保證橢圓形環(huán)向索的形狀,要控制48根徑向索實(shí)現(xiàn)同步張拉,所需的張拉設(shè)備及張拉控制方法比較復(fù)雜,不便于結(jié)構(gòu)的施工。采用撐桿頂撐時(shí),為保證徑向索和環(huán)向索的索力,撐桿頂升量約21~844mm,特別是最外環(huán)(第6環(huán))頂升量較大,導(dǎo)致?lián)螚U穩(wěn)定性降低,而且同環(huán)內(nèi)的撐桿頂升量差別較大,易導(dǎo)致施工結(jié)束后環(huán)向索不在一個(gè)水平高度上,影響環(huán)向索的線形控制。此外,環(huán)向索為單索時(shí),在要求撐桿下端能夠?qū)崿F(xiàn)頂撐的條件下,不易實(shí)現(xiàn)徑向索,環(huán)向索和撐桿三軸線匯交于一點(diǎn)。同時(shí),要實(shí)現(xiàn)同環(huán)內(nèi)撐桿的同步頂升,其所需的張拉設(shè)備也較多,操作難度較大。3環(huán)向索張拉施工方法效果評價(jià)通過對常州體育館3種張拉成形方法的對比分析,得出該結(jié)構(gòu)形式相對優(yōu)化的張拉成形方法,其張拉方法對比結(jié)果如表3所示。根據(jù)張拉過程分析及3種施工工藝的對比分析,得出采用環(huán)向索張拉成形的施工方法能夠比較準(zhǔn)確地使該結(jié)構(gòu)在張拉結(jié)束之后達(dá)到設(shè)計(jì)所需的預(yù)應(yīng)力態(tài)。同時(shí),采用環(huán)索張拉所需張拉設(shè)備少,能夠較好地控制張拉