大跨度橢球形弦支展開頂預應力拉索施工技術

大跨度橢球形弦支展開頂預應力拉索施工技術

常州體育博覽會位于南京市新北區(qū)黃山路與城北路交匯處東北角，建筑面積79632米。其中鋼結構工程由體育用品商店入口屋蓋、會展中心屋蓋、體育館屋蓋3部分組成,且相對獨立。體育館鋼屋蓋采用了新型雜交空間結構體系——弦支穹頂,整個鋼屋蓋形狀在空間上呈橢球體(見圖1),鋼屋蓋投影的橢圓長軸119.872m,短軸79.915m,結構矢高21.45m,整個結構通過24個支座固定于下部混凝土環(huán)梁上。弦支穹頂單層網殼中心部位的網格形式為凱威特型(K8)、外圍部位的網格形式為聯(lián)方型。網殼均采用鑄鋼節(jié)點,桿件采用圓鋼管,規(guī)格為?273mm×10mm、?273mm×12mm、?273mm×16mm。預應力拉索索系為Levy索系,由環(huán)向索和徑向索構成,共設6環(huán)。撐桿采用圓鋼管(?180mm×10mm),上下端鉸接,撐桿與索系之間采用鑄鋼節(jié)點連接。1環(huán)向索、徑向索和撐桿的索夾耳板角度及構造橢球形索系的特性決定了該弦支穹頂?shù)睦魉飨禈嬙旒笆芰τ袆e于球形弦支穹頂。主要表現(xiàn)為:①索系的平面投影為橢圓形,1/4區(qū)域內每段環(huán)向索和每根徑向索的軸線長度各不相同;②連接環(huán)向索、徑向索和撐桿的索夾耳板角度及構造在1/2區(qū)域內各不相同;③1/4區(qū)域內每段環(huán)向索和每根徑向索的索力以及撐桿的軸力存在差異。主要由于索系中環(huán)向索在長軸向曲率半徑小、短軸向曲率半徑大,各索夾節(jié)點處的2根徑向索夾角也不斷變化,而對于弦支穹頂,預應力施工完成后各索夾節(jié)點均為平衡力系。2牽引結構的特點2.1半平行鋼拉索常州體育館預應力拉索采用1670級?5mm鍍鋅鋼絲雙護層扭絞型半平行鋼拉索,內層PE為黑色耐老化高密度聚乙烯(HDPE),外層為銀灰色PE,如表1所示。2.2仿真分析及安裝精度大跨度橢球形弦支穹頂施工難點在于結合拉索索系的結構特點,在預應力拉索施工前,進行預應力拉索施工的仿真分析,其中包括張拉方法選擇、零狀態(tài)找形分析、張拉力的確定和施工全過程仿真分析等,保證各施工階段的安全性及施工完成后結構達到設計狀態(tài)。同時,控制大跨度橢球形弦支穹頂拉索索系的安裝精度也是拉索施工中的難點,即預應力拉索索系安裝時,索夾耳板的角度定位應準確,徑向索索長和撐桿的偏擺量等均應控制在一定的誤差范圍以內,保證預應力的有效建立。針對常州體育館,在選擇環(huán)向索各索段之間的連接方式(T螺桿或正反牙螺桿)時,應結合所采用的環(huán)向索張拉法,并考慮盡量減小預應力損失和便于張拉操作等因素。另外,常州體育館環(huán)向索的索夾節(jié)點在施工階段為可滑動狀態(tài),可滑動索夾節(jié)點的構造設計也是拉索施工的難點。3拉索施工分析3.1預應力拉索施工方法的選擇弦支穹頂?shù)睦鲝埨椒ㄍǔＳ?種,即張拉徑向索、張拉環(huán)向索和調節(jié)撐桿張拉。對于預應力結構而言,人們希望施工完成后的實際預應力態(tài)與設計一致。因此無論采用哪一種張拉方法,張拉結束后的最終狀態(tài)要與設計要求相符。常州體育館鋼屋蓋由于具有橢球的特性,預應力拉索施工方法選擇相比于球形弦支穹頂較為困難。在預應力張拉方案確定前,需從張拉機具、張力誤差和施工工藝等方面進行3種張拉方法的比選,選擇一種更加適合于橢球形弦支穹頂?shù)膹埨椒?。常州體育館鋼屋蓋外4環(huán)的每環(huán)撐桿數(shù)量為24根,徑向索為48根且環(huán)向索又為單索。對上述控制要點進行對比分析,最終決定采用環(huán)向索張拉法,該張拉方法所需的張拉設備少,張力誤差易于控制,實現(xiàn)同一環(huán)內環(huán)向索同步張拉的目標比較容易,同時也便于環(huán)向索的線形控制。3.2無應力狀態(tài)下結構安裝索力確定弦支穹頂預應力拉索索力隨著施工過程的變化,索力一般要經歷兩種狀態(tài):①零狀態(tài)結構不存在任何荷載和內力,拉索索力均為零,該狀態(tài)為非平衡態(tài);②預應力態(tài)在拉索初始預張力和結構自重作用下,結構發(fā)生變形,達到平衡。此時索力為預應力態(tài)下的索力,即預應力拉索施工完成之后的索力或稱為設計預應力態(tài)下的索力。常州體育館的零狀態(tài)找形分析,主要是指下部索桿體系中撐桿垂直度找形分析。若弦支穹頂按照未進行撐桿垂直度找形分析的空間幾何形狀進行安裝,則安裝時撐桿是垂直的,環(huán)向索張拉后由于撐桿上下節(jié)點變形不一致,導致?lián)螚U下節(jié)點向內傾斜,影響建筑美觀性,如圖2a所示。因此,考慮環(huán)向索張拉對撐桿垂直度有影響,在預應力拉索索系安裝前,需對弦支穹頂進行撐桿垂直度找形分析,確定出無應力狀態(tài)下結構安裝的尺寸,即根據(jù)設計提供的預應力態(tài)形狀,結合施工工藝、張拉方式確定出構件加工、放樣和初始坐標等。按照撐桿垂直度找形分析結果進行結構安裝,能夠保證預應力張拉完畢后,撐桿垂直度偏差控制在許可范圍以內,如圖2b所示。3.3環(huán)向索夾節(jié)點確定根據(jù)施工過程仿真分析,采用環(huán)向索張拉法施工時,若索夾固定,則每環(huán)環(huán)向索兩索夾之間的索段長度需滿足較高的安裝精度,才能保證張拉之后的索力值與設計值相符,否則偏差較大?？紤]到環(huán)向索各索段存在下料長度和索夾標記位置的偏差以及實際施工過程無法保證較高的安裝精度等不利因素,為確保張拉完成后在各環(huán)向索索段中建立有效預張力,張拉時需將環(huán)向索索夾節(jié)點設計為可滑動索夾,張拉完成之后再將索夾固定?？苫瑒铀鲓A即表示預應力拉索張拉時,索體與索夾之間可相對滑動,采用該節(jié)點形式便于環(huán)向索索力的傳遞,并降低安裝誤差帶來的索力損失。施工張拉力確定分為如下步驟:①第1步根據(jù)設計單位提供的拉索初始預張力,且將索夾固定,計算結構在設計預應力態(tài)下張拉點索段的索力;②第2步考慮到實際施工時索夾與環(huán)向索索體之間允許滑動,因此將索夾設定為滑動,重新計算預應力態(tài),得到施工預應力態(tài);③第3步采用“倒拆法”計算各環(huán)環(huán)向索張拉中各張拉點的理論張拉力,以保證張拉結束后達到第2步的施工預應力態(tài);④第4步考慮到索夾摩擦損失(根據(jù)試驗結果,每個索夾節(jié)點的預應力損失為10%),將各張拉點的理論張拉力提高5%,得到實際施工的張拉力(見表2)。3.4張拉過程模擬結果常州體育館拉索施工時,為減少支撐胎架對預應力建立效果的影響,使得仿真分析模型與實際施工狀態(tài)下的結構模型更加相符,待網殼焊接完畢后,進行結構的主動落架,僅保留12個剛性支撐塔架,以保證張拉階段結構的安全性。根據(jù)施工方案對預應力拉索施工的全過程進行仿真模擬分析,確定出拉索張拉之間的相互影響,并驗算結構的安全性。根據(jù)模擬實際張拉施工全過程的計算分析結果,各環(huán)環(huán)向索索力隨張拉順序的變化曲線如圖3所示,各環(huán)徑向索索力隨張拉順序的變化曲線如圖4所示,變化曲線均較為平緩,可得出張拉過程中環(huán)與環(huán)之間的相互影響較小,環(huán)向索及徑向索索力之間的相互影響最大僅為5%。同時,根據(jù)施工全過程分析的計算結果,查看各個施工階段桿件的應力及結構位形,可以得出在各施工階段桿件應力和結構變形較小,整個結構安全可靠。4張拉精度的影響弦支穹頂?shù)念A應力拉索施工包括拉索的安裝和張拉。拉索安裝是張拉的前提,安裝精度能否滿足要求,直接決定了拉索張拉之后預應力的建立效果。當然,拉索的張拉才是在結構體系內建立預應力的根本,切實可行的張拉方法更顯其重要性。4.1徑向索安裝的安裝1)弦支穹頂上部單層網殼全部安裝焊接完成之后,依次由內而外進行拉索和撐桿的安裝。2)在同一環(huán)內,考慮到環(huán)向索的安裝方便,安裝完撐桿之后,先安裝環(huán)向索和下索夾,然后再安裝徑向索。3)為保證在橢球形弦支穹頂內建立有效預應力并達到設計狀態(tài),需嚴格按照零狀態(tài)找形結果進行安裝。4)安裝撐桿時,應仔細核對鑄鋼節(jié)點的位置和方向,特別要注意與徑向索相連的鑄鋼節(jié)點上的耳板方向。5)徑向索安裝前應測定徑向索索長的生產誤差以及撐桿上、下節(jié)點的安裝誤差。根據(jù)這些誤差值,調整徑向索索長,確保撐桿下節(jié)點位置的準確。4.2環(huán)向索張拉法1)模擬張拉過程,進行施工全過程力學仿真分析,把握該結構在張拉過程中的特性。2)采用環(huán)向索張拉法,即拉索張拉主要是張拉環(huán)向索,有必要時局部調整徑向索索力。3)網殼主體鋼結構和拉索全部安裝完成后進行張拉,張拉前網殼主動脫離支撐胎架,去除張拉過程中支撐胎架對索力的影響,張拉過程中支座固定。4)預應力拉索張拉時,同一環(huán)拉索同步分級張拉。4.3千斤頂張拉設置預應力拉索外4環(huán)每環(huán)環(huán)向索設置8個張拉點,每個張拉點2臺千斤頂并聯(lián),張拉千斤頂采用60t和100t千斤頂。張拉點分布在長軸、短軸和45°方向附近,內2環(huán)每環(huán)環(huán)向索設置4個張拉點,分布在長軸和短軸附近,每個張拉點位于該索段的中心。盡管中心環(huán)向索較短,但考慮到該環(huán)向索段之間折角大、索力不均勻,因此也設置4個張拉點。環(huán)向索張拉點、張拉分區(qū)如圖5所示及張拉工裝如圖6所示。4.4環(huán)向索張拉控制為控制環(huán)向索的線形,保證撐桿垂直度和環(huán)向索索力的均勻性,同環(huán)環(huán)向索須同步分級張拉,并對環(huán)向索張拉實行雙控,即控制張拉力和張拉索段的長度。每環(huán)環(huán)向索的同步張拉程序分4級:初張拉0→25%→50%,精調50%→75%→100%。其中0→25%→50%階段,以控制張拉索段長度為主;而50%→75%→100%階段,以控制環(huán)向索索力為主。5結構預應力張拉與預應力張拉張拉階段拉索應力及結構變形的實測結果,是判別結構有效預應力建立、預應力張拉對相鄰結構構件影響的重要依據(jù),也是進行有效施工控制的重要條件。5.1隔環(huán)焊接技術拉索正式張拉施工前進行了詳細的理論計算分析,由分析可知:因屋蓋鋼網殼采取了先固定鑄鋼節(jié)點,然后采用隔環(huán)焊接技術進行拼裝。最終安裝完畢后,由于焊接變形,屋蓋結構幾何位形與理論設計狀態(tài)并不一致,而且難以調整至理想狀態(tài)。因此,拉索張拉前的屋蓋初始態(tài)只能參考實際施工過程的分析結果,以此為依據(jù),對拉索張拉進行施工控制。5.2柔性索膜結構設計根據(jù)理論分析結果,屋蓋張拉完成前后中心點豎向位移為16.3mm,與短軸支座跨度80m之比約為1/4908,說明結構剛度相對很大,與柔性索膜結構相比,在張拉成形過程中結構變形不敏感,幾何非線性很不明顯。因此,張拉過程中采取索力控制為主,變形控制為輔的雙控原則。5.3施工監(jiān)控1環(huán)向索張拉力主動控制環(huán)向索張拉力的控制主要根據(jù)各環(huán)各分區(qū)精密油壓表的讀數(shù)進行主動控制,嚴格按照環(huán)向索施工張拉力表計算所得環(huán)向索實際施工張拉力大小進行控制,實際施工過程中,油壓表控制的張拉力誤差≤5%。2屋頂位移對比由于焊接收縮量的影響,屋蓋結構幾何形狀在張拉前的實際標準態(tài)與理論設計狀態(tài)不符。因此拉索張拉完成后也難以調整至屋蓋最終成形后的標準設計狀態(tài)。因此依據(jù)施工分析結果,對屋蓋關鍵點(如網殼中心點、長短軸支座點)的位移進行實時監(jiān)控。實際張拉過程中,網殼中心點最大變形為17mm,符合設計要求。同時,建設單位指定了第三方對常州體育館鋼屋蓋拉索施工過程進行監(jiān)