弦支屋頂結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中安全性分析

弦支屋頂結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中安全性分析

屋頂層是一種將剛性單帶網(wǎng)殼和柔性索桿系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)的新聯(lián)合氣泡預(yù)算編制的新結(jié)構(gòu)。單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較差,而且對(duì)周邊構(gòu)件產(chǎn)生較大的水平推力;而張拉整體索穹頂結(jié)構(gòu)必須施加很大的預(yù)應(yīng)力來(lái)保證結(jié)構(gòu)的剛度,較高的預(yù)應(yīng)力對(duì)周邊構(gòu)件產(chǎn)生較大的水平力。弦支穹頂則通過(guò)在單層網(wǎng)殼下部設(shè)置張拉整體結(jié)構(gòu)中的索撐體系引入預(yù)應(yīng)力,使撐桿對(duì)單層網(wǎng)殼產(chǎn)生與豎向荷載作用相反的位移,對(duì)單層網(wǎng)殼起到了彈性支撐的作用,從而部分抵消了外荷載的作用,減小單層網(wǎng)殼桿件應(yīng)力,提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性;同時(shí),徑向斜拉索(或拉桿)在預(yù)應(yīng)力作用下對(duì)單層網(wǎng)殼產(chǎn)生水平徑向的拉力,抵消外荷載對(duì)單層網(wǎng)殼的水平推力,整個(gè)結(jié)構(gòu)形成自平衡體系。對(duì)于弦支穹頂結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)成型過(guò)程中經(jīng)歷的初始幾何態(tài)、預(yù)應(yīng)力態(tài)以及整個(gè)預(yù)應(yīng)力加載過(guò)程中的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)最終設(shè)計(jì)狀態(tài)相差甚遠(yuǎn),因此設(shè)計(jì)、研究和施工人員要了解結(jié)構(gòu)的最終設(shè)計(jì)狀態(tài)和預(yù)應(yīng)力施工中的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。對(duì)于大跨度弦支穹頂結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力施工過(guò)程中的諸多力學(xué)及技術(shù)問(wèn)題需要進(jìn)行深入研究,確保施工過(guò)程安全與安裝完成后結(jié)構(gòu)可靠。本文以北京奧運(yùn)會(huì)羽毛球館弦支穹頂屋蓋為對(duì)象,對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力施工過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算和分析。1建筑結(jié)構(gòu)形式北京奧運(yùn)會(huì)羽毛球館總建筑面積24383m2,總座席數(shù)7508席,其中永久席位5480席,臨時(shí)席位2028席,將作為2008年奧運(yùn)會(huì)羽毛球和藝術(shù)體操比賽的場(chǎng)館。建筑類(lèi)別為甲類(lèi)體育館,抗震設(shè)防烈度為8度,建筑工程類(lèi)別為一級(jí)。其結(jié)構(gòu)形式為下部鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),上部屋蓋主體結(jié)構(gòu)為直徑93m、矢高11m的上弦單層球面網(wǎng)殼及撐桿、徑向拉桿、環(huán)向索組成的弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系,懸挑部分由最大懸挑尺寸為15m的長(zhǎng)度不等的平面桁架組成(見(jiàn)圖1)。弦支穹頂共設(shè)置5道環(huán)索,上部單層網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)采用焊接球節(jié)點(diǎn)及鑄鋼節(jié)點(diǎn)2種形式,環(huán)向索采用預(yù)應(yīng)力鋼索規(guī)格為:?7mm×199mm、?5mm×139mm、?5mm×61mm3種,徑向索采用鋼拉桿規(guī)格為:?60mm和?40mm。2確定張拉方案及張拉批次鋼結(jié)構(gòu)部分的施工順序?yàn)橄壤脻M堂腳手架安裝上部單層網(wǎng)殼和懸挑部分,然后再進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施工。對(duì)于預(yù)應(yīng)力的施加主要考慮了張拉環(huán)向索和張拉徑向索(拉桿)2種方案。對(duì)2種張拉方案比較如下:1)徑向拉桿的設(shè)計(jì)內(nèi)力為相應(yīng)環(huán)向索設(shè)計(jì)拉力的(1/7)~(1/3),因此張拉徑向索比張拉環(huán)向索施加的張拉力小很多。2)張拉徑向索過(guò)程中,徑向索之間的相互影響較大,要多次調(diào)節(jié)索力才能達(dá)到設(shè)計(jì)值,而環(huán)向索之間的相互影響比較小。3)徑向索的數(shù)量遠(yuǎn)大于環(huán)向索,在張拉相同批次的情況下,張拉徑向索需要的千斤頂數(shù)量、油泵數(shù)量、可調(diào)節(jié)索頭的數(shù)量和人工數(shù)均比張拉環(huán)向索需要的多。經(jīng)過(guò)對(duì)2種張拉方案的綜合比較,最后確定通過(guò)張拉環(huán)向索進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施工。環(huán)向索和撐桿下節(jié)點(diǎn)間在預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)為可滑移連接,難免會(huì)產(chǎn)生摩擦力,引起各段環(huán)索的索力差。為了減少環(huán)索中各段索力之差,在每圈環(huán)向索設(shè)置4個(gè)張拉點(diǎn),4點(diǎn)同時(shí)張拉。確定了通過(guò)張拉環(huán)向索施加預(yù)應(yīng)力的方案后,還需要確定對(duì)環(huán)向索的張拉批次。由于張拉批次越多施工越復(fù)雜,因此只對(duì)單批次張拉和兩批次張拉進(jìn)行了比較。對(duì)比單批次張拉和兩批次張拉施工,一次性施加索力至設(shè)計(jì)初應(yīng)力,盡管張拉次數(shù)減少一半,但是張拉過(guò)程中,部分臨時(shí)支撐還起作用,由于支撐在施工過(guò)程中的變形難以準(zhǔn)確模擬,對(duì)支撐的分析模型難免與實(shí)際有誤差;而且由于預(yù)應(yīng)力施加后在結(jié)構(gòu)體內(nèi)有一個(gè)應(yīng)力自我平衡調(diào)整的過(guò)程,由于索和撐桿下節(jié)點(diǎn)間不可避免地存在摩擦力,在各張拉點(diǎn)張拉后會(huì)引起各段索環(huán)間、各拉桿間較大的內(nèi)力差。如果采用兩批次張拉施工方案,第1批次張拉完成后,上部單層網(wǎng)殼由于索的張拉而起拱變形,除最外圈臨時(shí)支撐外,內(nèi)部各圈的臨時(shí)支撐都已脫離網(wǎng)殼,然后進(jìn)行第2批次張拉時(shí),由于沒(méi)有了臨時(shí)支撐影響,也就減少了分析模型中模擬臨時(shí)支撐的誤差,這樣能更準(zhǔn)確地張拉到真正的預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值。另外,第1批次張拉完成后再逆向進(jìn)行第2批次張拉,有利于結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布,有利于實(shí)現(xiàn)較為理想的結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力態(tài)。因此,確定選用兩批次張拉施工方案。第1批次從最外環(huán)索向內(nèi)依次張拉索力至相應(yīng)荷載工況下索力設(shè)計(jì)值的70%,第2批次從最內(nèi)環(huán)索向外依次張拉索力至相應(yīng)荷載工況下索力設(shè)計(jì)值的105%,其中超張拉5%是為了抵消各種預(yù)應(yīng)力損失。3模擬分析3.1預(yù)應(yīng)力施加單元在分析時(shí)將上部的弦支穹頂主體部分和懸挑部分作為一個(gè)整體進(jìn)行分析,計(jì)算時(shí)考慮了結(jié)構(gòu)大變形、應(yīng)力剛化和幾何非線性。弦支穹頂?shù)膯螌泳W(wǎng)殼部分均視為剛接,其環(huán)向桿和徑向桿均采用梁?jiǎn)卧?弦支穹頂?shù)倪吘壄h(huán)桁架上弦桿采用梁?jiǎn)卧?下弦桿采用桿單元,環(huán)桁架與支撐柱為鉸接,撐桿上端采用鉸接,環(huán)向索和徑向拉桿采用只拉不壓的索單元,懸挑部分采用變截面梁?jiǎn)卧?。預(yù)應(yīng)力的施加是通過(guò)給索單元設(shè)置初始應(yīng)變作為實(shí)常數(shù)?？紤]了在實(shí)際張拉施工時(shí)隔環(huán)設(shè)置的臨時(shí)支撐,計(jì)算出臨時(shí)支撐的豎向剛度,將其在模型中設(shè)置為變剛度單元,在受壓時(shí)給它設(shè)定為所計(jì)算的支撐剛度,受拉時(shí)給其一個(gè)極小剛度。在模擬逐環(huán)張拉時(shí)采用單元生死法,張拉最外環(huán)時(shí),其它各環(huán)的索單元處于殺死狀態(tài),不對(duì)結(jié)構(gòu)起作用,而在張拉時(shí)逐環(huán)激活,張拉到最內(nèi)環(huán)時(shí)各環(huán)均激活。3.2預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中主被動(dòng)特征分析結(jié)果預(yù)應(yīng)力分兩批次施加,第1批次從外至內(nèi)依次張拉各環(huán)索至70%初應(yīng)力設(shè)計(jì)值,第2批次從內(nèi)至外依次張拉各環(huán)索至105%初應(yīng)力設(shè)計(jì)值,總共分成10個(gè)張拉步進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施工:1)第1步張拉第1圈環(huán)索(最外圈)至T1,T1為在第1圈環(huán)索70%的設(shè)計(jì)初應(yīng)力及結(jié)構(gòu)自重與施工荷載作用下得出的第1圈環(huán)索索力計(jì)算值。2)第2步繼續(xù)張拉第2圈環(huán)索至T2,T2為在第1、2圈環(huán)索70%的設(shè)計(jì)初應(yīng)力及結(jié)構(gòu)自重與施工荷載作用下得出的第2圈環(huán)索索力計(jì)算值。3)第3步繼續(xù)張拉第3圈環(huán)索至T3,T3為在第1~3圈環(huán)索70%的設(shè)計(jì)初應(yīng)力及結(jié)構(gòu)自重與施工荷載作用下得出的第3圈環(huán)索索力計(jì)算值。4)第4步繼續(xù)張拉第4圈環(huán)索至T4,T4為在第1~4圈環(huán)索70%的設(shè)計(jì)初應(yīng)力及結(jié)構(gòu)自重與施工荷載作用下得出的第4圈環(huán)索索力計(jì)算值。5)第5步繼續(xù)張拉第5圈環(huán)索至T5,T5為在各圈環(huán)索70%的設(shè)計(jì)初應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)自重與施工荷載作用下得出的第5圈環(huán)索索力計(jì)算值。6)第6步繼續(xù)張拉第5圈環(huán)索至T6,T6為在第1~4圈環(huán)索70%的設(shè)計(jì)初應(yīng)力和第5圈環(huán)索105%的設(shè)計(jì)初應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)自重與施工荷載作用下得出的第5圈環(huán)索索力計(jì)算值。7)第7步繼續(xù)張拉第4圈環(huán)索至T7,T7為在第1~3圈環(huán)索70%的設(shè)計(jì)初應(yīng)力和第4、5圈環(huán)索105%的設(shè)計(jì)初應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)自重與施工荷載作用下得出的第4圈環(huán)索索力計(jì)算值。8)第8步繼續(xù)張拉第3圈環(huán)索至T8,T8為在第1、2圈環(huán)索70%的設(shè)計(jì)初應(yīng)力和第3~5圈環(huán)索105%的設(shè)計(jì)初應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)自重與施工荷載作用下得出的第3圈環(huán)索索力計(jì)算值。9)第9步繼續(xù)張拉第2圈環(huán)索至T9,T9為在第1圈環(huán)索70%的設(shè)計(jì)初應(yīng)力和第2~5圈環(huán)索105%的設(shè)計(jì)初應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)自重與施工荷載作用下得出的第2圈環(huán)索索力計(jì)算值。10)第10步,繼續(xù)張拉第1圈環(huán)索至T10,T10為在各圈環(huán)索105%的設(shè)計(jì)初應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)自重與施工荷載作用下得出的第1圈環(huán)索索力計(jì)算值。對(duì)上面施工過(guò)程分為多個(gè)荷載步進(jìn)行了仿真分析,從兩批次預(yù)應(yīng)力張拉仿真分析結(jié)果來(lái)研究結(jié)構(gòu)在整個(gè)張拉過(guò)程中的變化規(guī)律和相互影響,圖2~5分別為各環(huán)索索力、徑向拉桿軸力、撐桿軸力和支座反力在張拉過(guò)程中的變化。從圖2~5分析可得:1)環(huán)索間的影響在第1批次張拉中,第2圈和第3圈環(huán)索的張拉對(duì)第1圈環(huán)索影響較大,使第1圈環(huán)索索力分別增大11%和5%,而4、5圈環(huán)索的張拉對(duì)第1環(huán)索影響很小;第3、4圈環(huán)索的張拉分別使第2圈環(huán)索索力增加7%和3%,第5圈環(huán)索的張拉使第2圈索力增加0.3%,幾乎沒(méi)有影響;第4、5圈環(huán)索的張拉分別使第3圈索力增大5%和3.5%左右;張拉第5圈環(huán)索使第4圈環(huán)索索力增大11%左右。在第2批次從內(nèi)到外張拉過(guò)程中,出現(xiàn)了使其它索力降低的情況,第4、3圈環(huán)索的2次張拉分別使第1環(huán)索索力降低1%和1.6%左右,使第2圈環(huán)索分別增加2%和1%左右,使第5圈環(huán)索均增加6%左右。2)張拉對(duì)徑向拉桿和豎向撐桿的影響由于徑向拉桿、豎向撐桿和環(huán)向索在撐桿下節(jié)點(diǎn)力平衡,因此張拉過(guò)程對(duì)徑向拉桿和豎向撐桿的影響規(guī)律與張拉過(guò)程對(duì)環(huán)索的影響規(guī)律基本一致。3)張拉過(guò)程對(duì)支座反力的影響分析結(jié)果選取短跨方向最外緣的一個(gè)反力較大的支座作為研究對(duì)象。x方向?yàn)榄h(huán)桁架水平切線方向,y方向?yàn)樗綇较?z方向?yàn)樨Q直方向。該支座豎向反力變化規(guī)律同環(huán)索的變化規(guī)律基本一致;水平切向反力較小且變化不大;徑向水平反力在張拉過(guò)程中越來(lái)越大,尤其是第1圈和第2圈環(huán)索的張拉使其明顯增大,即在張拉過(guò)程中,上部網(wǎng)殼對(duì)支座產(chǎn)生向圓心的拉力。在每個(gè)張拉步結(jié)束后結(jié)構(gòu)的變形如圖6所示。為了使變形對(duì)比更明顯,將變形分別放大100倍,但是色度圖的數(shù)值未變。從圖中可以看出,隨著從外圈向內(nèi)圈的逐環(huán)張拉,結(jié)構(gòu)的主要起拱部位也由外環(huán)向內(nèi)逐漸轉(zhuǎn)移;第2批次張拉從內(nèi)向往依次張拉,結(jié)構(gòu)由中心部位的明顯突起,逐漸向外擴(kuò)散,到第10步張拉結(jié)束后,結(jié)構(gòu)變形比較均勻,從3圈向內(nèi)稍微起拱。4施工過(guò)程模擬分析本文的仿真分析利用索的初始缺陷始終不變的特點(diǎn),通過(guò)引入初應(yīng)力設(shè)計(jì)值進(jìn)行施工過(guò)程仿真分析,在張拉過(guò)程中索的內(nèi)力雖然變化但是從結(jié)構(gòu)放樣態(tài)到結(jié)構(gòu)最終設(shè)計(jì)狀態(tài)索的拉伸量是不變的,即給索施加的幾何初始缺陷不變,以此拉伸量計(jì)算各圈環(huán)索的初始應(yīng)力設(shè)計(jì)值,將此作為索單元的輸入條件,同時(shí)充分考慮施工過(guò)程中臨時(shí)支撐和每個(gè)張拉步的具體荷載工況,利用單元生死法和多荷載步分析可以準(zhǔn)確模擬施工過(guò)程計(jì)算,并能為施工提供索力張拉值、結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的控制參考值,避免了各環(huán)索間相互影響的分析,簡(jiǎn)單有效。從仿真分析結(jié)果看,考慮腳手架支撐以后,支座水平反力有所減少,各桿件內(nèi)力有所變化,而且從外圈環(huán)索張拉后,在被張拉索周?chē)膯螌託っ撾x支撐,中間和最外圈支撐仍起作用,隨著張拉向內(nèi)圈進(jìn)行,單層殼也逐圈脫離