弦支屋頂結構施工過程中安全性分析

屋頂層是一種將剛性單帶網(wǎng)殼和柔性索桿系統(tǒng)結合起來的新聯(lián)合氣泡預算編制的新結構。單層網(wǎng)殼結構整體穩(wěn)定性較差,而且對周邊構件產(chǎn)生較大的水平推力;而張拉整體索穹頂結構必須施加很大的預應力來保證結構的剛度,較高的預應力對周邊構件產(chǎn)生較大的水平力。弦支穹頂則通過在單層網(wǎng)殼下部設置張拉整體結構中的索撐體系引入預應力,使撐桿對單層網(wǎng)殼產(chǎn)生與豎向荷載作用相反的位移,對單層網(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)殼桿件應力,提高結構整體穩(wěn)定性;同時,徑向斜拉索(或拉桿)在預應力作用下對單層網(wǎng)殼產(chǎn)生水平徑向的拉力,抵消外荷載對單層網(wǎng)殼的水平推力,整個結構形成自平衡體系。對于弦支穹頂結構,結構成型過程中經(jīng)歷的初始幾何態(tài)、預應力態(tài)以及整個預應力加載過程中的結構受力狀態(tài)與結構最終設計狀態(tài)相差甚遠,因此設計、研究和施工人員要了解結構的最終設計狀態(tài)和預應力施工中的結構受力狀態(tài)。對于大跨度弦支穹頂結構在預應力施工過程中的諸多力學及技術問題需要進行深入研究,確保施工過程安全與安裝完成后結構可靠。本文以北京奧運會羽毛球館弦支穹頂屋蓋為對象,對弦支穹頂結構預應力施工過程進行仿真計算和分析。1建筑結構形式北京奧運會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,臨時席位2028席,將作為2008年奧運會羽毛球和藝術體操比賽的場館。建筑類別為甲類體育館,抗震設防烈度為8度,建筑工程類別為一級。其結構形式為下部鋼筋混凝土框架結構,上部屋蓋主體結構為直徑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構體系,懸挑部分由最大懸挑尺寸為15m的長度不等的平面桁架組成(見圖1)。弦支穹頂共設置5道環(huán)索,上部單層網(wǎng)殼節(jié)點采用焊接球節(jié)點及鑄鋼節(jié)點2種形式,環(huán)向索采用預應力鋼索規(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構部分的施工順序為先利用滿堂腳手架安裝上部單層網(wǎng)殼和懸挑部分,然后再進行預應力施工。對于預應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2種張拉方案比較如下:1)徑向拉桿的設計內(nèi)力為相應環(huán)向索設計拉力的(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)索力才能達到設計值,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)過對2種張拉方案的綜合比較,最后確定通過張拉環(huán)向索進行預應力施工。環(huán)向索和撐桿下節(jié)點間在預應力張拉時為可滑移連接,難免會產(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)向索設置4個張拉點,4點同時張拉。確定了通過張拉環(huán)向索施加預應力的方案后,還需要確定對環(huán)向索的張拉批次。由于張拉批次越多施工越復雜,因此只對單批次張拉和兩批次張拉進行了比較。對比單批次張拉和兩批次張拉施工,一次性施加索力至設計初應力,盡管張拉次數(shù)減少一半,但是張拉過程中,部分臨時支撐還起作用,由于支撐在施工過程中的變形難以準確模擬,對支撐的分析模型難免與實際有誤差;而且由于預應力施加后在結構體內(nèi)有一個應力自我平衡調(diào)整的過程,由于索和撐桿下節(jié)點間不可避免地存在摩擦力,在各張拉點張拉后會引起各段索環(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,除最外圈臨時支撐外,內(nèi)部各圈的臨時支撐都已脫離網(wǎng)殼,然后進行第2批次張拉時,由于沒有了臨時支撐影響,也就減少了分析模型中模擬臨時支撐的誤差,這樣能更準確地張拉到真正的預應力設計值。另外,第1批次張拉完成后再逆向進行第2批次張拉,有利于結構內(nèi)力重分布,有利于實現(xiàn)較為理想的結構預應力態(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荷載工況下索力設計值的70%,第2批次從最內(nèi)環(huán)索向外依次張拉索力至相應荷載工況下索力設計值的105%,其中超張拉5%是為了抵消各種預應力損失。3模擬分析3.1預應力施加單元在分析時將上部的弦支穹頂主體部分和懸挑部分作為一個整體進行分析,計算時考慮了結構大變形、應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單元,弦支穹頂?shù)倪吘壄h(huán)桁架上弦桿采用梁單元,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單元。預應力的施加是通過給索單元設置初始應變作為實常數(shù)?？紤]了在實際張拉施工時隔環(huán)設置的臨時支撐,計算出臨時支撐的豎向剛度,將其在模型中設置為變剛度單元,在受壓時給它設定為所計算的支撐剛度,受拉時給其一個極小剛度。在模擬逐環(huán)張拉時采用單元生死法,張拉最外環(huán)時,其它各環(huán)的索單元處于殺死狀態(tài),不對結構起作用,而在張拉時逐環(huán)激活,張拉到最內(nèi)環(huán)時各環(huán)均激活。3.2預應力張拉過程中主被動特征分析結果預應力分兩批次施加,第1批次從外至內(nèi)依次張拉各環(huán)索至70%初應力設計值,第2批次從內(nèi)至外依次張拉各環(huán)索至105%初應力設計值,總共分成10個張拉步進行預應力施工: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%的設計初應力及結構自重與施工荷載作用下得出的第1圈環(huán)索索力計算值。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%的設計初應力及結構自重與施工荷載作用下得出的第2圈環(huán)索索力計算值。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%的設計初應力及結構自重與施工荷載作用下得出的第3圈環(huán)索索力計算值。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%的設計初應力及結構自重與施工荷載作用下得出的第4圈環(huán)索索力計算值。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%的設計初應力以及結構自重與施工荷載作用下得出的第5圈環(huán)索索力計算值。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%的設計初應力和第5圈環(huán)索105%的設計初應力以及結構自重與施工荷載作用下得出的第5圈環(huán)索索力計算值。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%的設計初應力和第4、5圈環(huán)索105%的設計初應力以及結構自重與施工荷載作用下得出的第4圈環(huán)索索力計算值。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%的設計初應力和第3~5圈環(huán)索105%的設計初應力以及結構自重與施工荷載作用下得出的第3圈環(huán)索索力計算值。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%的設計初應力和第2~5圈環(huán)索105%的設計初應力以及結構自重與施工荷載作用下得出的第2圈環(huán)索索力計算值。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%的設計初應力以及結構自重與施工荷載作用下得出的第1圈環(huán)索索力計算值。對上面施工過程分為多個荷載步進行了仿真分析,從兩批次預應力張拉仿真分析結果來研究結構在整個張拉過程中的變化規(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)點力平衡,因此張拉過程對徑向拉桿和豎向撐桿的影響規(guī)律與張拉過程對環(huán)索的影響規(guī)律基本一致。3)張拉過程對支座反力的影響分析結果選取短跨方向最外緣的一個反力較大的支座作為研究對象。x方向為環(huán)桁架水平切線方向,y方向為水平徑向,z方向為豎直方向。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程中越來越大,尤其是第1圈和第2圈環(huán)索的張拉使其明顯增大,即在張拉過程中,上部網(wǎng)殼對支座產(chǎn)生向圓心的拉力。在每個張拉步結束后結構的變形如圖6所示。為了使變形對比更明顯,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,結構的主要起拱部位也由外環(huán)向內(nèi)逐漸轉移;第2批次張拉從內(nèi)向往依次張拉,結構由中心部位的明顯突起,逐漸向外擴散,到第10步張拉結束后,結構變形比較均勻,從3圈向內(nèi)稍微起拱。4施工過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,通過引入初應力設計值進行施工過程仿真分析,在張拉過程中索的內(nèi)力雖然變化但是從結構放樣態(tài)到結構最終設計狀態(tài)索的拉伸量是不變的,即給索施加的幾何初始缺陷不變,以此拉伸量計算各圈環(huán)索的初始應力設計值,將此作為索單元的輸入條件,同時充分考慮施工過程中臨時支撐和每個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確模擬施工過程計算,并能為施工提供索力張拉值、結構內(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,簡單有效。從仿真分析結果看,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,在被張拉索周圍的單層殼脫離支撐,中間和最外圈支撐仍起作用,隨著張拉向內(nèi)圈進行,單層殼也逐圈脫離