国家会议中心二期屋盖预应力拉索施工全过程仿真技术

国家会议中心二期主体结构屋盖采用张弦拱壳结构，该结构由屋面钢拱壳、拉索、拉杆组成，钢拱壳由矩形钢管型钢斜交和正交杂交的拱形网壳组成，拉索为上凸设置，拱壳和拉索之间为受拉的钢拉杆，拱壳为可开启的屋面结构，屋面结构跨度为72 m，长度方向超长，达252 m（图1）。图1屋盖结构三维图1、工程概况屋盖结构每隔6 m在拱壳下方设1根拉索，共41根拉索，拉索沿跨向为上凸布置，通过端部节点与钢结构相连，跨中用2根拉杆与钢拱壳相连，在此处拉索和拉杆通过索夹节点相连（图2）。图2单榀张弦拱壳结构索体采用Ø110和Ø95密闭索。跨中2根拉杆分别为Ø40和Ø45，其中Ø40钢拉杆对应Ø95索，Ø45钢拉杆对应Ø110索。2、钢结构安装及张拉国家会议中心二期主体结构屋盖钢结构安装，采用“累计滑移为主、吊装为辅、分级张拉”的施工方案，整个钢结构体系分3大块，其中，每块又分为3个区域（2个滑移区域和1个补缺区域），如图3所示。图3张拉区分块示意滑移部分在操作平台上安装完成后进行拉索第一级张拉，张拉位置在拼装胎架的外侧边缘悬挑部分，按端部跨向位移约为零来进行控制，使张拉完成后钢拱壳对滑轨的推力为零或最小，以保证滑移顺利进行。待滑移补缺完成后再进行二次张拉，达到设计索力。3、施工仿真计算施工仿真计算是张弦拱壳结构施工方案中极其重要的工作。首先建立屋盖结构的整体计算模型，按结构位形控制为主的原则，经反复调整最终确定每榀拉索的初拉力，根据该初拉力进行各施工阶段的仿真分析，得出各阶段屋盖结构的位形和张拉力并确定拉索的索长。仿真计算过程按实际安装张拉过程进行模拟，屋盖分为南北两区，其中北区再细分为两个块区，整个钢结构体系分成三大块，每块分3个区域，其中2个为滑移区域、1个为补缺区域。三大块均采用累积滑移安装方案，在屋盖结构的每块分区下方设1个拼装平台，在拼装平台上完成拱壳拼装，并将其安装在环梁的临时滑轨上，滑移部分安装完成后即可安装拉索，并进行拉索第一级张拉，张拉时，应保证张弦拱壳结构的跨向位移接近零。采用累积滑移法将拱壳从拼装平台向南北方向对称滑移，滑移完成后安装中间补缺区域的拱壳结构及中间的拉索并进行初张拉，保证拉索的跨向水平位移接近于零，完成补缺区域的施工。待2个滑移区域和1个补缺区域安装完成后将三大块进行合龙，并将固定支座固定。支座固定后进行二次张拉，以达到设计索力。第二次张拉时跨向位移需满足支座y向最大水平滑动位移要求，其中19个支座的y向滑移量为120 mm，其余支座为150 mm。第二次张拉从张弦拱壳的中部往两边对称张拉。仿真计算模型中以只受压节点弹性支承模拟拼装滑移胎架。计算模型如图4~图6所示。图4计算模型图5滑移完成后拱壳端部支座约束图6支座y向滑移最大允许值通过仿真计算分析，第一级张拉时每榀张弦拱壳拉索张拉后端部位移最大值为4 mm，接近于零，满足施工控制跨向位移基本为零的要求。按施工顺序仿真计算的每榀张弦拱壳端部位移和拉索施工张拉力值为现场施工提供了准确的数据依据。从计算结果可看出，张弦拱壳结构水平位移Dy和竖向位移Dz随着其他拉索第一级张拉变化不大，拉索进行第二级张拉后位移显著增加，且随其他拉索第二级张拉位移增加。在拉索张拉完成后安装屋盖，Dy和Dz均显著下降，屋盖安装完成后跨向位移Dy接近零；Dz从上拱变成下挠。Dy在整个预应力施工过程中最大值不超过100 mm，满足支座的y向最大允许值，Dz的最大值不超过200 mm，为拱壳结构跨度的1/414，满足要求。对比仿真计算的拉索内力值最终结果与设计整体模型计算结果可看出，按实际施工顺序进行仿真计算确定的拉索内力值与原设计整体方案相差很小，基本在3%内，也验证了屋盖钢结构安装采用“累计滑移为主、吊装为辅”方案的可行性。以北区最北侧1根Ø95拉索和北区最南侧1根Ø110拉索为例，从其拉索内力值随其他拉索安装和张拉的变化可看出拉索内力值随其他拉索的安装呈减小趋势，其中41榀拉索第一级张拉结束后进行第二级张拉时，力值明显增大，随其他拉索第二级张拉结束该拉索内力值减小。4、结束语本文对国家会议中心二期屋盖结构进行仿真计算分析，以结构位形控制为主按施