张弦梁张拉过程的平面外稳定问题研究

张弦梁张拉过程的平面外稳定问题研究

0施工应用前景张拉梁结构由上弦拉索、下弦拉索和连接上弦拉索组成，如图1所示。通过对下弦拉索施加预应力,使撑杆对上部刚性构件产生顶升力,上部构件产生与外荷载(竖向恒荷载或活荷载)作用相反的内力及变形,从而改善上部构件的内力分布与幅值,提高结构的承载效率,减少结构变形。作为一种自平衡体系,张弦梁结构受力合理、制作和施工方便,在航站楼、会议中心等大跨度屋盖结构中有良好的应用前景,如浦东国际机场T2航站楼钢屋盖采用Y形斜柱支承、上弦为变截面箱形梁的多跨连续张弦梁,广州国际会议展览中心展览大厅采用跨度126.6m、上弦为倒三角形断面的张弦立体钢管桁架,哈尔滨国际会议展览体育中心也采用了跨度128m的张弦立体钢管桁架。平面张弦梁结构面外刚度较弱,设计状态下一般通过檩条与屋面构件等阻止其面外失稳,但张拉过程与设计状态不同,需要设置临时面外支撑以避免张拉过程中张弦梁发生面外失稳。目前对张弦梁平面内受力性能的研究文献较多,而对张弦梁在使用阶段以及张拉过程中的面外稳定性研究较少。由于张弦梁是由上弦、撑杆与下弦拉索组成的杂交结构,其刚性构件的位形不仅受到结构自重、温度荷载的作用,还与拉索预应力的大小有关;反之,拉索两端与刚性构件连接,刚性构件的位移也会导致拉索预应力的变化。因此在施工过程中,结构的“力”与“形”相互影响。本文首先采用有限元方法对张弦梁结构张拉过程的面外稳定问题进行了参数研究,然后介绍张弦梁张拉方案以及应该注意的问题,最后通过一个张弦桁架算例分析张拉过程的受力情况。1拉索单元的设置如图2所示的平面张弦梁结构,跨度L取30m,上弦构件采用箱形截面钢拱,撑杆采用圆钢管,各构件的基本参数如表1所示。张弦梁一侧为固定铰支座,另一侧为滑动铰支座,撑杆与上弦钢拱、下弦拉索均为铰接。张拉过程中张弦梁不受其他外荷载作用。在ANSYS有限元模型中,上弦钢拱采用Beam188单元模拟,下弦拉索采用只拉不压的Link10单元模拟,撑杆采用Link8单元模拟。约束张弦梁左端3个方向的平动自由度,约束右端x方向和y方向的平动自由度,为避免张弦梁在平面外成为机构,约束两端绕z轴的转动自由度。给拉索施加预应力有3种常用方法:在拉索单元的实常数中设置初应变;设置拉索单元的线膨胀系数,对拉索降温;还可在拉索端部与支座间插入一个很短的千斤顶单元,并对千斤顶单元升温。这3种方法是等效的,本文采用降温法(即方法2)。1.1面外支撑的影响仅在跨中设置1个撑杆,不设面外支撑,索垂度s取1.5m,矢高a变化范围为0.5~5m。张弦梁仅在索力作用下屈曲,弹性屈曲分析求得的临界索力Tcr如图3所示。由图3可知,上弦钢拱矢高a对张弦梁在张拉过程中的面外稳定性有显著影响,随着矢高a的增加,发生面外失稳的临界索力Tcr逐渐增大。但随着矢高a的进一步增加,临界索力增长趋于平缓,即矢高对张弦梁面外稳定的有利影响逐渐减弱。对于矢高a分别取0.5,2,3,5m4个算例,沿跨度方向在面外分别均匀布置1~3个面外支撑,面外支撑仅约束节点的面外(x方向)平动自由度。张弦梁发生平面外失稳的临界索力与相应矢高下无面外支撑的临界索力之比,如图4所示。由图4可知,随着张弦梁面外支撑数的增加,平面外失稳的临界索力迅速增加,对于矢高较小的张弦梁,面外支撑对临界索力的提高作用更加明显。在没有面外支撑时,平面外失稳的临界索力很低,设置1个支撑时就能显著改善其平面外稳定性。在施工张拉过程中,应依据实际预张力确定需要设置的面外支撑数目,同时要保证预张力不会使上弦梁进入屈服。图4也给出了使上弦构件发生边缘屈服的拉索预张力,可见对于该组算例设置1个面外支撑可以保证张拉过程中平面外失稳不先于面内的边缘屈服发生。1.2着索垂度仅在跨中设置1个撑杆,不设面外支撑,上弦钢拱矢高a取1.0m,索垂度s变化范围0.5~5m。从图5给出的弹性屈曲临界索力可见,随着索垂度的增加,张弦梁结构在张拉过程更易发生面外失稳。索垂度的增加对张弦梁的设计和施工均有影响,一方面增加了索力的竖向分量,即用较小的预张力可达到上弦构件的起拱要求,不过也占用了更多的室内空间,施工张拉过程中面外屈曲荷载也更低。沿跨度方向在面外分别均匀布置1~2个面外支撑,弹性屈曲分析所得临界索力如图6所示。由图6可知,对于临界索力较低的大垂度张弦梁,面外支撑对面外稳定性的改善更为显著。1.3张弦梁张拉过程弹性屈曲分析仅在跨中设置1个撑杆,不设面外支撑,上弦钢拱矢高取1.0m,索垂度取1.5m,跨度L变化范围20~50m。从图7给出的有限元弹性屈曲临界索力可见,跨度的增加会大大降低张弦梁张拉过程中平面外稳定性,如跨度从20m增加到50m,临界索力降低了约80%。实际工程中,张弦梁的跨度一般根据建筑设计要求确定。对大跨度张弦梁在张拉过程中的面外稳定问题应特别予以重视,计算张拉过程中张弦梁不发生面外屈曲的支撑数量。沿跨度方向在面外分别均匀布置1~3个面外支撑,进行张拉过程的弹性屈曲分析,计算结果如图8所示。可见在不同跨度条件下,增加面外支撑对张拉过程面外稳定性的改善程度较接近。1.4面外支撑的设置为合理确定张拉过程的临时面外支撑数目,前文提出应保证平面外失稳不先于边缘屈服发生。张弦梁发生平面外失稳或者边缘屈服的临界索力,均与上弦截面的面外与面内惯性矩之比Iy/Ix有关。仅在跨中设置1个撑杆,上弦钢拱矢高a均取1.0m,索垂度s取1.5m。上弦钢拱采用箱形截面,截面高H不变,截面宽B取值范围200~600mm,则Iy/Ix变化范围为0.32~1.89,如表2所示。在不设置面外支撑时,弹性屈曲分析所得临界索力Tcr与Iy/Ix的关系如图9所示。由图9可见,Iy/Ix增大至5.9倍,临界索力可提高到11.3倍,但钢拱截面面积增加了70%。根据前面各小节的计算结果,设置2~3个面外支撑即可将临界索力提高10倍左右,因此通过增加面外惯性矩的方式提高张弦梁面外稳定性并不经济。对于Iy/Ix分别取0.32,1.00,1.893个算例,沿跨度方向在面外分别均匀布置1~3个面外支撑,弹性屈曲分析的临界索力如图10所示。由图10计算可知,当上弦截面平面外惯性矩很大时(Iy/Ix=1.89),设置1个面外支撑后张弦梁在张拉过程中却发生平面内失稳,此时进一步增加面外支撑数目无法改变张弦梁的失稳模态,临界索力保持不变。对于Iy/Ix=1的情况,设置2个或以上的面外支撑后,张弦梁也只发生平面内失稳。有限元弹性屈曲分析实际上是数学上求解特征值问题,对应于结构的平衡分岔失稳。对于张弦梁而言,上弦构件承受拉索轴力与撑杆的顶升力,属于压弯构件的极值点失稳。此处有限元屈曲分析获得的平面内屈曲模态尽管没有实际意义,但却说明此时的张弦梁由平面内失稳控制。1.5有限元弹性屈曲分析所得临界索力上弦钢拱矢高a均取1.0m,索垂度s均取1.5m,撑杆数取1~5个,变化面外支撑数,有限元弹性屈曲分析所得临界索力如图11所示。由图11可见,虽然撑杆数目改变了上弦钢拱中的内力分布,但由于张弦梁仍为面外单波整体失稳,撑杆数目对平面外失稳的临界索力Tcr影响不大。2张银梁张拉设计方案与比较2.1胎架承接张拉和吊装在张弦梁施工中,依据张弦梁结构形式以及场地条件,可选择在地面拼装与张拉后再整体吊装。如果张弦梁跨度较小,屋面荷载也不大,可依据计算结果在地面一次张拉到位。如果张弦梁跨度较大,或者屋面荷载较大,可依据计算结果先在地面张拉一次,然后吊装就位后再分级张拉。应用地面拼装与张拉后再整体吊装的施工方案时,在地面组装上弦刚性构件以及进行下弦索张拉时常采用立式拼装作业法,以避免起吊时的翻身过程。对于跨度较大的张弦梁结构,可先采用胎架支承法在设计位置拼装上弦梁,然后再穿索分级张拉。在安装撑杆、放索和穿索之后,预张拉索使上弦起拱,这时支承胎架逐步脱离。如果拉索的预张量考虑了张弦梁的自重及之后施加的屋面檩条、支撑系统以及屋面板等荷载作用,拉索可以一次张拉到位,屋面结构安装后仅需对索力局部调整,称为单步张拉法;如果拉索的预张量仅考虑张弦梁自重或自重及部分屋面荷载的作用,待屋面结构安装后再进一步张拉,称为分级张拉法。张弦梁采用单步张拉法还是分级张拉法,主要取决于张弦梁面内强度与面外稳定性。如果单步张拉不会使上弦梁边缘进入屈服,而且在张拉过程或者吊装过程中平面外稳定性能够得到保证,采用单步张拉是最经济的做法。分步张拉是最稳妥的张拉方法,可以依据每步张拉量计算张弦梁的平面内强度与平面外稳定性,并采取相应的应对措施。张弦梁不仅在张拉过程中存在面外失稳问题,在吊装过程中也存在面外失稳的可能。如果采用在地面拼装、施加预张力后整体吊装就位的施工方法,在张弦梁跨度较大的情况下,仅在支座处设置吊点的吊装方案最容易导致张弦梁的面外失稳。因此施工中应合理选择起吊位置与起吊机具,可增加吊点并严格控制起吊点之间的同步精度。在张弦梁张拉过程分析中,可采用倒拆法分别模拟单步张拉和分级张拉过程,得到不同施工方法中各施工步的预起拱量、上弦构件内力和拉索预张力大小,进而判断杆件截面强度以及整体面外稳定性是否满足要求,确定合理的临时面外支撑数目,对于分级张拉还可优化各张拉步的索力施加比例。2.2张弦桁架施工及张拉过程稳定性分析如图12所示,张弦桁架跨度130m,共设置11个撑杆,中间撑杆高11.4m。桁架为倒三角形截面,全部采用钢管,桁架跨中附近的上弦杆和下弦杆截面分别为ue788480×18和ue788480×12,侧面腹杆为ue78896×6,支座附近的上弦杆和下弦杆截面分别为ue788480×16和ue788480×24,侧面腹杆为ue78890×8。连接两个上弦杆的斜腹杆为ue788273×7。拉索与桁架连接处附近的桁架截面增大为ue788377×20。拉索选用ue7887×397,撑杆截面ue788325×8。桁架和撑杆均为Q345B钢材,拉索抗拉强度1570MPa。张弦桁架一端为固定铰支座,另一端为水平滑动铰支座。撑杆与桁架、拉索通过球铰连接。假设张弦桁架结构自重为1374.5kN,檩条荷载为0.4kN/m2,屋面板荷载0.2kN/m2,吊挂设备荷载0.4kN/m2,相邻两榀张弦桁架距离15m,则单榀张弦桁架承受竖向均布荷载为15kN/m。1)面外弹性屈曲分析对张弦桁架在张拉过程中的平面外稳定性进行弹性屈曲分析,仅考虑重力作用,桁架节点不施加其他外荷载。由于弹性屈曲分析的屈曲荷载系数对重力和索力都进行了缩放,需要迭代拉索预张力大小,使屈曲荷载系数等于1,以确保重力大小不变。计算结果表明,张弦桁架第一阶弹性屈曲模态为整体平面外的单波失稳,如图13所示,上弦桁架和下弦拉索向相反方向发生侧移。第一阶弹性屈曲对应的索拉力为9275.7kN,将其与施工张拉索力进行比较以决定是否设置面外支撑。2)张拉过程位移内力发展情况在张弦桁架的张拉施工过程中,需要对索拉力、受力较大的杆件内力以及关键节点的位移进行监控,以确保施工过程的安全以及竣工后结构位形、内力与设计值的偏差控制在合理范围之内。采用有限元法模拟单步张拉和分级张拉施工过程,观察图12b所示关键节点的位移发展,以及图12c所示关键杆件的内力发展。单步张拉法的施工过程为:①地面胎架上拼装桁架,张拉拉索至桁架达到目标起拱量Δ1;②吊装后安装檩条、屋面板及吊挂设备,即施加外荷载15kN/m,引起的跨中挠度与前一步起拱量Δ1抵消,此时回到张弦梁的设计位形。分级张拉将张拉过程分为两步,施工过程为:①地面胎架上拼装桁架,张拉拉索至桁架达到目标起拱量Δ21;②吊装后安装檩条即施加外荷载6kN/m,引起的跨中挠度与前一步起拱量Δ21抵消;③对拉索进行第2次张拉,至桁架达到目标起拱量Δ22;④安装屋面板、吊挂设备即再施加外荷载9kN/m,引起的跨中挠度与前一步起拱量Δ22抵消,此时回到设计位形。采用倒拆法计算各步目标起拱量和预张力大小,然后再采用正装法模拟整个施工过程,两种方法中的关键节点位移计算结果如表3所示,关键杆件和拉索的内力计算结果如图14所示。分析以上算例的计算结果,可得到以下结论。1)尽管计算结果表明,在张弦桁架张拉过程中不需要设置侧向临时支撑。但檩条安装后,实际上给张弦桁架提供了足够的面外支撑作用,大大增强了张拉过程中张弦桁架的面外稳定性。2)单步张拉中桁架最大起拱量207.9mm,发生在拉索张拉之后,为跨度的1/625。分级张拉中桁架最大起拱量124.8mm,发生在拉索第2次张拉之后,为跨度的1/1042,可见分级张拉由于不断与外荷载平衡而能有效减小最大起拱量。3)在张拉过程中滑动支座(节点4)发生明显水平位移,且分级张拉法的最大滑动量小于单步张拉。4)张拉过程中,由于桁架被起拱,跨中桁架下弦处杆件(杆件1)内力超过竣工后的设计内力,且单步张拉过程中杆件内力峰值高于分级张拉,但低于杆件的屈服轴力。5)两种张拉方法都是安全的,结构竣工后位形和内力基本相同。3张拉时