47罗斌-烟台世贸中心张弦梁零状态找形分析和预应力施工技术

烟台世贸中心张弦梁零状态找形分析和预应力施工技术罗斌1陈岳1罗明2（东南高校土木工程学院，南京210096）（南京东大现代预应力工程有限责任公司，南京210018）摘要烟台世贸中心张弦梁采纳分单元累积滑移法安装，在运用阶段两端支座铰接固定，设计图纸的尺寸为拉索张拉完成后的结构形态，须进行零状态找形分析，以确定结构的安装尺寸。本文先以迭代法确定模拟拉索预张力的初始应变值，然后实行逆迭代法进行零状态找形。另外预应力施工实行以限制结构跨度为主的方案，确保预应力态下的结构状况满意设计要求。关键词张弦梁，找形，预应力，施工技术1工程概况烟台世贸中心共有五个分区，其中一至四区的钢屋盖为预应力张弦梁结构，每个分区有15榀张弦梁，总共60榀，总覆盖面积为131mm×288m。该工程的张弦梁上部为倒三角形桁架，下部为外包双层PE的1670级扭绞型半平行高强钢丝束拉索（PESC5-163），桁架和拉索之间为撑杆（ф180×10）,见图1。每榀张弦梁的支座跨度为65m，桁架矢高5.86m，拉索垂度1.14m，跨中总高度为7m。拉索施工张拉力为600kN。由于桁架构件规格不同，张弦梁共有三种类型，即ZXL1、ZXL2、ZXL3。图1张弦梁三维图罗斌，男，1977年诞生，工学博士2总体施工方案张弦梁总体施工方案为：①搭设拼装胎架，在张弦梁两端的混凝土柱顶及纵向混凝土连梁上铺设滑移轨道；②在胎架上拼装和张拉张弦梁（张拉支座允许滑移），然后分单元累积滑移就位；③固定支座后安装屋面板。由于该工程张弦梁由多家钢结构施工单位负责安装，因此在总体方案一样的基础上，各单位依据自身和现场条件，实行了多种的安装方案。1）在屋盖一端的外侧地面上搭设单榀的拼装胎架（图2），张弦梁在胎架上安装和张拉完毕后，吊装至混凝土柱顶的滑移轨道上，然后分单元用卷扬机在两端支座处同步牵引、累积滑移就位。图22）在屋盖一端的两榀张弦梁下搭设两榀拼装胎架（图3）。两榀张弦梁各自由胎架上分别安装和张拉后，安装两者之间的纵向连系钢桁架，然后以两榀为一滑移单元，用卷扬机牵引滑移就位。图3图43）在屋盖一端的二层混凝土搂面上搭设单榀胎架（图4），该胎架两端的格构支撑与混凝土柱在同一条轴线上，且顶标高一样，两者之间用临时型钢梁连系。滑移钢轨在混凝土柱顶、纵向混凝土连系梁、临时型钢梁及胎架两端的格构支撑上贯穿。张弦梁在胎架上安装和张拉后，用两台顶推器分单元累积顶推就位。3构件制作和结构安装的尺寸问题该工程三种类型的张弦梁，若依据设计图纸供应的尺寸进行制作和安装（即零状态），在施加600kN的张拉力后，结构在自重和预张力作用下（即初始态），结构变形后的尺寸见表1。表1按设计图纸尺寸安装后结构初始态的尺寸编号状态跨度桁架矢高拉索垂度零状态（mm）6500058601140ZXL1初始态（mm）649056057945Δ（mm）-95197-195ZXL2初始态（mm）648706121882Δ（mm）-130261-258ZXL3初始态（mm）649286003999Δ（mm）-72143-141由于张弦梁滑移就位后，其支座与下部混凝土结构固定。而张弦梁两端的混凝土柱顶预埋件之间以及滑移轨道之间的中心距离为65m。依据《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）规定，该工程张弦梁安装跨度以及支座中心允许最大偏差为±30mm。依据表1中的数据，三种张弦梁在初始态下的结构跨度偏差均超过了允许值。另外三者矢高的不同也影响了纵向连系桁架和檩条的安装。因此，须进行零状态找形分析，即确定结构的制作和安装尺寸，保证在自重和预应力作用下，结构外形和索力达到设计图纸的尺寸和要求。这样，三种张弦梁依据不同的尺寸安装，但在初始态下具有相同的尺寸和索力，结构跨度和矢高问题都能很好地解决。4零状态找形分析方法和计算结果零状态即无应力状态。该状态下结构不存在任何外载（包括自重等），构件中也不存在任何内力，对应于施工阶段在支架上拼装完后的结构状况。在拉索初始预张力和结构自重作用下，结构发生变形，达到平衡，此时结构处于初始态，对应于施工阶段预应力张拉完毕，支架拆除后的结构状况，初始态为平衡态。（1）零状态找形分析方法已知初始态下的结构尺寸、节点坐标以及索力，须确定零状态下结构安装尺寸和各节点的安装坐标。因此采纳逆迭代法进行零状态找形，其中用初始应变来模拟拉索的初始预张力。在零状态找形前，尚须先采纳迭代法确定拉索中的初始应变值。1）迭代法确定拉索的初始应变值已知拉索的预张力（）、弹性模量（E）和截面积（A），建立包含拉索的有限元模型。迭代步骤如下：①拉索初始应变的初值取：。②将初始应变（）施加在拉索上，在结构自重共同作用下，分析得到索力（），则：。重复②，直到迭代次数达到预定值（N）或者索力（）满意收敛准则，则停止迭代。对于预应力柔性结构，分析时采纳Newton—Raphson求解，并考虑结构大变形和应力刚化效应，拉索可采纳杆单元（可受拉和受压）。迭代的收敛准则可采纳公式：，收敛标准（）可取5%。若满意收敛准则，则即为拉索预张力模拟所需的初始应变值。2）零状态找形的逆迭代法已知初始态下结构各节点的坐标，以及模拟初始预张力的拉索初始应变值，逆迭代法的迭代步骤如下：①依据初始态下结构各节点的坐标（X0）建立有限元模型，并令X1＝X0。②将结构自重和拉索的初始应变值施加在结构中，进行有限元分析，求得各节点的位移（△k）。若（Xk+△k）与X0偏差满意收敛条件，则迭代收敛；否则，调整节点坐标为：Xk+1＝X0-△k。重复步骤②，直至迭代收敛或迭代次数达到预定值（N）。若迭代收敛，则Xk为所要确定的零状态节点坐标。张弦梁形态变更后，在同样结构自重和拉索初始应变作用下，索力也有所变更。由于该工程张弦梁跨度较大，结构尺寸变更量对于整个结构尺寸来说特别小，因此，在满意精度的基础上，为简化分析，在零状态找形分析迭代过程中，拉索初始应变取固定值（经对比分析，索力误差仅为1％）。（2）零状态找形分析结果依据表2零状态尺寸建立有限元模型，施加结构自重和拉索初始应变值后，结构变形达到初始态，此时结构尺寸与设计图纸是一样的，且索力也达到设计索力600kN，证明白找形方法的正确性和结果的精确性。表2零状态找形分析结果（单位：mm）编号状态跨度桁架矢高拉索垂度ZXL1零状态6509256621336Δ-92198-196ZXL2零状态6512155981399Δ-121262-259ZXL3零状态6506757171282Δ-67143-142初始态65000586011405预应力施工方案依据本工程的结构特点和总体施工方案，实行以下的预应力施工方案。（1）预应力张拉主要限制内容为：索力、结构跨度和桁架矢高。图5以ZXL1为例，说明结构跨度和跨中竖向位移随张拉力线性变更的规律。这三者的限制优先依次为：首先应限制结构跨度，其次为索力，最终为桁架矢高。图5ZXL1结构跨度和跨中竖向位移随张拉力变更曲线图（2）拉索制作长度、索夹位置等均须依据零状态下的节点坐标来确定。（3）拉索制作时，依据拉索初始应变值依据有应力长度生产拉索，且在有应力长度下标记索夹位置。（4）拉索安装时严格依据标记位置将拉索与撑杆相连。（5）由于胎架上两端张拉支座是允许滑移的，且存在肯定的摩擦力，因此在张拉支座前设置挡板，以便于限制张拉后结构的跨度，并保证张拉后张弦梁两端支座均位于滑移轨道中心。（6）由于张弦梁跨度较大，为防止撑杆下端向一侧倾斜，采纳两端同步张拉，且一次张拉到位。（7）为限制两端张拉的同步性，张拉分5级：0－>25％－>5