張弦梁張拉過程的平面外穩(wěn)定問題研究

張弦梁張拉過程的平面外穩(wěn)定問題研究

0施工應用前景張拉梁結構由上弦拉索、下弦拉索和連接上弦拉索組成，如圖1所示。通過對下弦拉索施加預應力,使撐桿對上部剛性構件產(chǎn)生頂升力,上部構件產(chǎn)生與外荷載(豎向恒荷載或活荷載)作用相反的內(nèi)力及變形,從而改善上部構件的內(nèi)力分布與幅值,提高結構的承載效率,減少結構變形。作為一種自平衡體系,張弦梁結構受力合理、制作和施工方便,在航站樓、會議中心等大跨度屋蓋結構中有良好的應用前景,如浦東國際機場T2航站樓鋼屋蓋采用Y形斜柱支承、上弦為變截面箱形梁的多跨連續(xù)張弦梁,廣州國際會議展覽中心展覽大廳采用跨度126.6m、上弦為倒三角形斷面的張弦立體鋼管桁架,哈爾濱國際會議展覽體育中心也采用了跨度128m的張弦立體鋼管桁架。平面張弦梁結構面外剛度較弱,設計狀態(tài)下一般通過檁條與屋面構件等阻止其面外失穩(wěn),但張拉過程與設計狀態(tài)不同,需要設置臨時面外支撐以避免張拉過程中張弦梁發(fā)生面外失穩(wěn)。目前對張弦梁平面內(nèi)受力性能的研究文獻較多,而對張弦梁在使用階段以及張拉過程中的面外穩(wěn)定性研究較少。由于張弦梁是由上弦、撐桿與下弦拉索組成的雜交結構,其剛性構件的位形不僅受到結構自重、溫度荷載的作用,還與拉索預應力的大小有關;反之,拉索兩端與剛性構件連接,剛性構件的位移也會導致拉索預應力的變化。因此在施工過程中,結構的“力”與“形”相互影響。本文首先采用有限元方法對張弦梁結構張拉過程的面外穩(wěn)定問題進行了參數(shù)研究,然后介紹張弦梁張拉方案以及應該注意的問題,最后通過一個張弦桁架算例分析張拉過程的受力情況。1拉索單元的設置如圖2所示的平面張弦梁結構,跨度L取30m,上弦構件采用箱形截面鋼拱,撐桿采用圓鋼管,各構件的基本參數(shù)如表1所示。張弦梁一側為固定鉸支座,另一側為滑動鉸支座,撐桿與上弦鋼拱、下弦拉索均為鉸接。張拉過程中張弦梁不受其他外荷載作用。在ANSYS有限元模型中,上弦鋼拱采用Beam188單元模擬,下弦拉索采用只拉不壓的Link10單元模擬,撐桿采用Link8單元模擬。約束張弦梁左端3個方向的平動自由度,約束右端x方向和y方向的平動自由度,為避免張弦梁在平面外成為機構,約束兩端繞z軸的轉動自由度。給拉索施加預應力有3種常用方法:在拉索單元的實常數(shù)中設置初應變;設置拉索單元的線膨脹系數(shù),對拉索降溫;還可在拉索端部與支座間插入一個很短的千斤頂單元,并對千斤頂單元升溫。這3種方法是等效的,本文采用降溫法(即方法2)。1.1面外支撐的影響僅在跨中設置1個撐桿,不設面外支撐,索垂度s取1.5m,矢高a變化范圍為0.5~5m。張弦梁僅在索力作用下屈曲,彈性屈曲分析求得的臨界索力Tcr如圖3所示。由圖3可知,上弦鋼拱矢高a對張弦梁在張拉過程中的面外穩(wěn)定性有顯著影響,隨著矢高a的增加,發(fā)生面外失穩(wěn)的臨界索力Tcr逐漸增大。但隨著矢高a的進一步增加,臨界索力增長趨于平緩,即矢高對張弦梁面外穩(wěn)定的有利影響逐漸減弱。對于矢高a分別取0.5,2,3,5m4個算例,沿跨度方向在面外分別均勻布置1~3個面外支撐,面外支撐僅約束節(jié)點的面外(x方向)平動自由度。張弦梁發(fā)生平面外失穩(wěn)的臨界索力與相應矢高下無面外支撐的臨界索力之比,如圖4所示。由圖4可知,隨著張弦梁面外支撐數(shù)的增加,平面外失穩(wěn)的臨界索力迅速增加,對于矢高較小的張弦梁,面外支撐對臨界索力的提高作用更加明顯。在沒有面外支撐時,平面外失穩(wěn)的臨界索力很低,設置1個支撐時就能顯著改善其平面外穩(wěn)定性。在施工張拉過程中,應依據(jù)實際預張力確定需要設置的面外支撐數(shù)目,同時要保證預張力不會使上弦梁進入屈服。圖4也給出了使上弦構件發(fā)生邊緣屈服的拉索預張力,可見對于該組算例設置1個面外支撐可以保證張拉過程中平面外失穩(wěn)不先于面內(nèi)的邊緣屈服發(fā)生。1.2著索垂度僅在跨中設置1個撐桿,不設面外支撐,上弦鋼拱矢高a取1.0m,索垂度s變化范圍0.5~5m。從圖5給出的彈性屈曲臨界索力可見,隨著索垂度的增加,張弦梁結構在張拉過程更易發(fā)生面外失穩(wěn)。索垂度的增加對張弦梁的設計和施工均有影響,一方面增加了索力的豎向分量,即用較小的預張力可達到上弦構件的起拱要求,不過也占用了更多的室內(nèi)空間,施工張拉過程中面外屈曲荷載也更低。沿跨度方向在面外分別均勻布置1~2個面外支撐,彈性屈曲分析所得臨界索力如圖6所示。由圖6可知,對于臨界索力較低的大垂度張弦梁,面外支撐對面外穩(wěn)定性的改善更為顯著。1.3張弦梁張拉過程彈性屈曲分析僅在跨中設置1個撐桿,不設面外支撐,上弦鋼拱矢高取1.0m,索垂度取1.5m,跨度L變化范圍20~50m。從圖7給出的有限元彈性屈曲臨界索力可見,跨度的增加會大大降低張弦梁張拉過程中平面外穩(wěn)定性,如跨度從20m增加到50m,臨界索力降低了約80%。實際工程中,張弦梁的跨度一般根據(jù)建筑設計要求確定。對大跨度張弦梁在張拉過程中的面外穩(wěn)定問題應特別予以重視,計算張拉過程中張弦梁不發(fā)生面外屈曲的支撐數(shù)量。沿跨度方向在面外分別均勻布置1~3個面外支撐,進行張拉過程的彈性屈曲分析,計算結果如圖8所示?？梢娫诓煌缍葪l件下,增加面外支撐對張拉過程面外穩(wěn)定性的改善程度較接近。1.4面外支撐的設置為合理確定張拉過程的臨時面外支撐數(shù)目,前文提出應保證平面外失穩(wěn)不先于邊緣屈服發(fā)生。張弦梁發(fā)生平面外失穩(wěn)或者邊緣屈服的臨界索力,均與上弦截面的面外與面內(nèi)慣性矩之比Iy/Ix有關。僅在跨中設置1個撐桿,上弦鋼拱矢高a均取1.0m,索垂度s取1.5m。上弦鋼拱采用箱形截面,截面高H不變,截面寬B取值范圍200~600mm,則Iy/Ix變化范圍為0.32~1.89,如表2所示。在不設置面外支撐時,彈性屈曲分析所得臨界索力Tcr與Iy/Ix的關系如圖9所示。由圖9可見,Iy/Ix增大至5.9倍,臨界索力可提高到11.3倍,但鋼拱截面面積增加了70%。根據(jù)前面各小節(jié)的計算結果,設置2~3個面外支撐即可將臨界索力提高10倍左右,因此通過增加面外慣性矩的方式提高張弦梁面外穩(wěn)定性并不經(jīng)濟。對于Iy/Ix分別取0.32,1.00,1.893個算例,沿跨度方向在面外分別均勻布置1~3個面外支撐,彈性屈曲分析的臨界索力如圖10所示。由圖10計算可知,當上弦截面平面外慣性矩很大時(Iy/Ix=1.89),設置1個面外支撐后張弦梁在張拉過程中卻發(fā)生平面內(nèi)失穩(wěn),此時進一步增加面外支撐數(shù)目無法改變張弦梁的失穩(wěn)模態(tài),臨界索力保持不變。對于Iy/Ix=1的情況,設置2個或以上的面外支撐后,張弦梁也只發(fā)生平面內(nèi)失穩(wěn)。有限元彈性屈曲分析實際上是數(shù)學上求解特征值問題,對應于結構的平衡分岔失穩(wěn)。對于張弦梁而言,上弦構件承受拉索軸力與撐桿的頂升力,屬于壓彎構件的極值點失穩(wěn)。此處有限元屈曲分析獲得的平面內(nèi)屈曲模態(tài)盡管沒有實際意義,但卻說明此時的張弦梁由平面內(nèi)失穩(wěn)控制。1.5有限元彈性屈曲分析所得臨界索力上弦鋼拱矢高a均取1.0m,索垂度s均取1.5m,撐桿數(shù)取1~5個,變化面外支撐數(shù),有限元彈性屈曲分析所得臨界索力如圖11所示。由圖11可見,雖然撐桿數(shù)目改變了上弦鋼拱中的內(nèi)力分布,但由于張弦梁仍為面外單波整體失穩(wěn),撐桿數(shù)目對平面外失穩(wěn)的臨界索力Tcr影響不大。2張銀梁張拉設計方案與比較2.1胎架承接張拉和吊裝在張弦梁施工中,依據(jù)張弦梁結構形式以及場地條件,可選擇在地面拼裝與張拉后再整體吊裝。如果張弦梁跨度較小,屋面荷載也不大,可依據(jù)計算結果在地面一次張拉到位。如果張弦梁跨度較大,或者屋面荷載較大,可依據(jù)計算結果先在地面張拉一次,然后吊裝就位后再分級張拉。應用地面拼裝與張拉后再整體吊裝的施工方案時,在地面組裝上弦剛性構件以及進行下弦索張拉時常采用立式拼裝作業(yè)法,以避免起吊時的翻身過程。對于跨度較大的張弦梁結構,可先采用胎架支承法在設計位置拼裝上弦梁,然后再穿索分級張拉。在安裝撐桿、放索和穿索之后,預張拉索使上弦起拱,這時支承胎架逐步脫離。如果拉索的預張量考慮了張弦梁的自重及之后施加的屋面檁條、支撐系統(tǒng)以及屋面板等荷載作用,拉索可以一次張拉到位,屋面結構安裝后僅需對索力局部調整,稱為單步張拉法;如果拉索的預張量僅考慮張弦梁自重或自重及部分屋面荷載的作用,待屋面結構安裝后再進一步張拉,稱為分級張拉法。張弦梁采用單步張拉法還是分級張拉法,主要取決于張弦梁面內(nèi)強度與面外穩(wěn)定性。如果單步張拉不會使上弦梁邊緣進入屈服,而且在張拉過程或者吊裝過程中平面外穩(wěn)定性能夠得到保證,采用單步張拉是最經(jīng)濟的做法。分步張拉是最穩(wěn)妥的張拉方法,可以依據(jù)每步張拉量計算張弦梁的平面內(nèi)強度與平面外穩(wěn)定性,并采取相應的應對措施。張弦梁不僅在張拉過程中存在面外失穩(wěn)問題,在吊裝過程中也存在面外失穩(wěn)的可能。如果采用在地面拼裝、施加預張力后整體吊裝就位的施工方法,在張弦梁跨度較大的情況下,僅在支座處設置吊點的吊裝方案最容易導致張弦梁的面外失穩(wěn)。因此施工中應合理選擇起吊位置與起吊機具,可增加吊點并嚴格控制起吊點之間的同步精度。在張弦梁張拉過程分析中,可采用倒拆法分別模擬單步張拉和分級張拉過程,得到不同施工方法中各施工步的預起拱量、上弦構件內(nèi)力和拉索預張力大小,進而判斷桿件截面強度以及整體面外穩(wěn)定性是否滿足要求,確定合理的臨時面外支撐數(shù)目,對于分級張拉還可優(yōu)化各張拉步的索力施加比例。2.2張弦桁架施工及張拉過程穩(wěn)定性分析如圖12所示,張弦桁架跨度130m,共設置11個撐桿,中間撐桿高11.4m。桁架為倒三角形截面,全部采用鋼管,桁架跨中附近的上弦桿和下弦桿截面分別為ue788480×18和ue788480×12,側面腹桿為ue78896×6,支座附近的上弦桿和下弦桿截面分別為ue788480×16和ue788480×24,側面腹桿為ue78890×8。連接兩個上弦桿的斜腹桿為ue788273×7。拉索與桁架連接處附近的桁架截面增大為ue788377×20。拉索選用ue7887×397,撐桿截面ue788325×8。桁架和撐桿均為Q345B鋼材,拉索抗拉強度1570MPa。張弦桁架一端為固定鉸支座,另一端為水平滑動鉸支座。撐桿與桁架、拉索通過球鉸連接。假設張弦桁架結構自重為1374.5kN,檁條荷載為0.4kN/m2,屋面板荷載0.2kN/m2,吊掛設備荷載0.4kN/m2,相鄰兩榀張弦桁架距離15m,則單榀張弦桁架承受豎向均布荷載為15kN/m。1)面外彈性屈曲分析對張弦桁架在張拉過程中的平面外穩(wěn)定性進行彈性屈曲分析,僅考慮重力作用,桁架節(jié)點不施加其他外荷載。由于彈性屈曲分析的屈曲荷載系數(shù)對重力和索力都進行了縮放,需要迭代拉索預張力大小,使屈曲荷載系數(shù)等于1,以確保重力大小不變。計算結果表明,張弦桁架第一階彈性屈曲模態(tài)為整體平面外的單波失穩(wěn),如圖13所示,上弦桁架和下弦拉索向相反方向發(fā)生側移。第一階彈性屈曲對應的索拉力為9275.7kN,將其與施工張拉索力進行比較以決定是否設置面外支撐。2)張拉過程位移內(nèi)力發(fā)展情況在張弦桁架的張拉施工過程中,需要對索拉力、受力較大的桿件內(nèi)力以及關鍵節(jié)點的位移進行監(jiān)控,以確保施工過程的安全以及竣工后結構位形、內(nèi)力與設計值的偏差控制在合理范圍之內(nèi)。采用有限元法模擬單步張拉和分級張拉施工過程,觀察圖12b所示關鍵節(jié)點的位移發(fā)展,以及圖12c所示關鍵桿件的內(nèi)力發(fā)展。單步張拉法的施工過程為:①地面胎架上拼裝桁架,張拉拉索至桁架達到目標起拱量Δ1;②吊裝后安裝檁條、屋面板及吊掛設備,即施加外荷載15kN/m,引起的跨中撓度與前一步起拱量Δ1抵消,此時回到張弦梁的設計位形。分級張拉將張拉過程分為兩步,施工過程為:①地面胎架上拼裝桁架,張拉拉索至桁架達到目標起拱量Δ21;②吊裝后安裝檁條即施加外荷載6kN/m,引起的跨中撓度與前一步起拱量Δ21抵消;③對拉索進行第2次張拉,至桁架達到目標起拱量Δ22;④安裝屋面板、吊掛設備即再施加外荷載9kN/m,引起的跨中撓度與前一步起拱量Δ22抵消,此時回到設計位形。采用倒拆法計算各步目標起拱量和預張力大小,然后再采用正裝法模擬整個施工過程,兩種方法中的關鍵節(jié)點位移計算結果如表3所示,關鍵桿件和拉索的內(nèi)力計算結果如圖14所示。分析以上算例的計算結果,可得到以下結論。1)盡管計算結果表明,在張弦桁架張拉過程中不需要設置側向臨時支撐。但檁條安裝后,實際上給張弦桁架提供了足夠的面外支撐作用,大大增強了張拉過程中張弦桁架的面外穩(wěn)定性。2)單步張拉中桁架最大起拱量207.9mm,發(fā)生在拉索張拉之后,為跨度的1/625。分級張拉中桁架最大起拱量124.8mm,發(fā)生在拉索第2次張拉之后,為跨度的1/1042,可見分級張拉由于不斷與外荷載平衡而能有效減小最大起拱量。3)在張拉過程中滑動支座(節(jié)點4)發(fā)生明顯水平位移,且分級張拉法的最大滑動量小于單步張拉。4)張拉過程中,由于桁架被起拱,跨中桁架下弦處桿件(桿件1)內(nèi)力超過竣工后的設計內(nèi)力,且單步張拉過程中桿件內(nèi)力峰值高于分級張拉,但低于桿件的屈服軸力。5)兩種張拉方法都是安全的,結構竣工后位形和內(nèi)力基本相同。3張拉時