弦支屋顶结构施工过程中安全性分析

弦支屋顶结构施工过程中安全性分析

屋顶层是一种将刚性单带网壳和柔性索杆系统结合起来的新联合气泡预算编制的新结构。单层网壳结构整体稳定性较差,而且对周边构件产生较大的水平推力;而张拉整体索穹顶结构必须施加很大的预应力来保证结构的刚度,较高的预应力对周边构件产生较大的水平力。弦支穹顶则通过在单层网壳下部设置张拉整体结构中的索撑体系引入预应力,使撑杆对单层网壳产生与竖向荷载作用相反的位移,对单层网壳起到了弹性支撑的作用,从而部分抵消了外荷载的作用,减小单层网壳杆件应力,提高结构整体稳定性;同时,径向斜拉索(或拉杆)在预应力作用下对单层网壳产生水平径向的拉力,抵消外荷载对单层网壳的水平推力,整个结构形成自平衡体系。对于弦支穹顶结构,结构成型过程中经历的初始几何态、预应力态以及整个预应力加载过程中的结构受力状态与结构最终设计状态相差甚远,因此设计、研究和施工人员要了解结构的最终设计状态和预应力施工中的结构受力状态。对于大跨度弦支穹顶结构在预应力施工过程中的诸多力学及技术问题需要进行深入研究,确保施工过程安全与安装完成后结构可靠。本文以北京奥运会羽毛球馆弦支穹顶屋盖为对象,对弦支穹顶结构预应力施工过程进行仿真计算和分析。1建筑结构形式北京奥运会羽毛球馆总建筑面积24383m2,总座席数7508席,其中永久席位5480席,临时席位2028席,将作为2008年奥运会羽毛球和艺术体操比赛的场馆。建筑类别为甲类体育馆,抗震设防烈度为8度,建筑工程类别为一级。其结构形式为下部钢筋混凝土框架结构,上部屋盖主体结构为直径93m、矢高11m的上弦单层球面网壳及撑杆、径向拉杆、环向索组成的弦支穹顶结构体系,悬挑部分由最大悬挑尺寸为15m的长度不等的平面桁架组成(见图1)。弦支穹顶共设置5道环索,上部单层网壳节点采用焊接球节点及铸钢节点2种形式,环向索采用预应力钢索规格为:ϕ7mm×199mm、ϕ5mm×139mm、ϕ5mm×61mm3种,径向索采用钢拉杆规格为:ϕ60mm和ϕ40mm。2确定张拉方案及张拉批次钢结构部分的施工顺序为先利用满堂脚手架安装上部单层网壳和悬挑部分,然后再进行预应力施工。对于预应力的施加主要考虑了张拉环向索和张拉径向索(拉杆)2种方案。对2种张拉方案比较如下:1)径向拉杆的设计内力为相应环向索设计拉力的(1/7)~(1/3),因此张拉径向索比张拉环向索施加的张拉力小很多。2)张拉径向索过程中,径向索之间的相互影响较大,要多次调节索力才能达到设计值,而环向索之间的相互影响比较小。3)径向索的数量远大于环向索,在张拉相同批次的情况下,张拉径向索需要的千斤顶数量、油泵数量、可调节索头的数量和人工数均比张拉环向索需要的多。经过对2种张拉方案的综合比较,最后确定通过张拉环向索进行预应力施工。环向索和撑杆下节点间在预应力张拉时为可滑移连接,难免会产生摩擦力,引起各段环索的索力差。为了减少环索中各段索力之差,在每圈环向索设置4个张拉点,4点同时张拉。确定了通过张拉环向索施加预应力的方案后,还需要确定对环向索的张拉批次。由于张拉批次越多施工越复杂,因此只对单批次张拉和两批次张拉进行了比较。对比单批次张拉和两批次张拉施工,一次性施加索力至设计初应力,尽管张拉次数减少一半,但是张拉过程中,部分临时支撑还起作用,由于支撑在施工过程中的变形难以准确模拟,对支撑的分析模型难免与实际有误差;而且由于预应力施加后在结构体内有一个应力自我平衡调整的过程,由于索和撑杆下节点间不可避免地存在摩擦力,在各张拉点张拉后会引起各段索环间、各拉杆间较大的内力差。如果采用两批次张拉施工方案,第1批次张拉完成后,上部单层网壳由于索的张拉而起拱变形,除最外圈临时支撑外,内部各圈的临时支撑都已脱离网壳,然后进行第2批次张拉时,由于没有了临时支撑影响,也就减少了分析模型中模拟临时支撑的误差,这样能更准确地张拉到真正的预应力设计值。另外,第1批次张拉完成后再逆向进行第2批次张拉,有利于结构内力重分布,有利于实现较为理想的结构预应力态。因此,确定选用两批次张拉施工方案。第1批次从最外环索向内依次张拉索力至相应荷载工况下索力设计值的70%,第2批次从最内环索向外依次张拉索力至相应荷载工况下索力设计值的105%,其中超张拉5%是为了抵消各种预应力损失。3模拟分析3.1预应力施加单元在分析时将上部的弦支穹顶主体部分和悬挑部分作为一个整体进行分析,计算时考虑了结构大变形、应力刚化和几何非线性。弦支穹顶的单层网壳部分均视为刚接,其环向杆和径向杆均采用梁单元,弦支穹顶的边缘环桁架上弦杆采用梁单元,下弦杆采用杆单元,环桁架与支撑柱为铰接,撑杆上端采用铰接,环向索和径向拉杆采用只拉不压的索单元,悬挑部分采用变截面梁单元。预应力的施加是通过给索单元设置初始应变作为实常数。考虑了在实际张拉施工时隔环设置的临时支撑,计算出临时支撑的竖向刚度,将其在模型中设置为变刚度单元,在受压时给它设定为所计算的支撑刚度,受拉时给其一个极小刚度。在模拟逐环张拉时采用单元生死法,张拉最外环时,其它各环的索单元处于杀死状态,不对结构起作用,而在张拉时逐环激活,张拉到最内环时各环均激活。3.2预应力张拉过程中主被动特征分析结果预应力分两批次施加,第1批次从外至内依次张拉各环索至70%初应力设计值,第2批次从内至外依次张拉各环索至105%初应力设计值,总共分成10个张拉步进行预应力施工:1)第1步张拉第1圈环索(最外圈)至T1,T1为在第1圈环索70%的设计初应力及结构自重与施工荷载作用下得出的第1圈环索索力计算值。2)第2步继续张拉第2圈环索至T2,T2为在第1、2圈环索70%的设计初应力及结构自重与施工荷载作用下得出的第2圈环索索力计算值。3)第3步继续张拉第3圈环索至T3,T3为在第1~3圈环索70%的设计初应力及结构自重与施工荷载作用下得出的第3圈环索索力计算值。4)第4步继续张拉第4圈环索至T4,T4为在第1~4圈环索70%的设计初应力及结构自重与施工荷载作用下得出的第4圈环索索力计算值。5)第5步继续张拉第5圈环索至T5,T5为在各圈环索70%的设计初应力以及结构自重与施工荷载作用下得出的第5圈环索索力计算值。6)第6步继续张拉第5圈环索至T6,T6为在第1~4圈环索70%的设计初应力和第5圈环索105%的设计初应力以及结构自重与施工荷载作用下得出的第5圈环索索力计算值。7)第7步继续张拉第4圈环索至T7,T7为在第1~3圈环索70%的设计初应力和第4、5圈环索105%的设计初应力以及结构自重与施工荷载作用下得出的第4圈环索索力计算值。8)第8步继续张拉第3圈环索至T8,T8为在第1、2圈环索70%的设计初应力和第3~5圈环索105%的设计初应力以及结构自重与施工荷载作用下得出的第3圈环索索力计算值。9)第9步继续张拉第2圈环索至T9,T9为在第1圈环索70%的设计初应力和第2~5圈环索105%的设计初应力以及结构自重与施工荷载作用下得出的第2圈环索索力计算值。10)第10步,继续张拉第1圈环索至T10,T10为在各圈环索105%的设计初应力以及结构自重与施工荷载作用下得出的第1圈环索索力计算值。对上面施工过程分为多个荷载步进行了仿真分析,从两批次预应力张拉仿真分析结果来研究结构在整个张拉过程中的变化规律和相互影响,图2~5分别为各环索索力、径向拉杆轴力、撑杆轴力和支座反力在张拉过程中的变化。从图2~5分析可得:1)环索间的影响在第1批次张拉中,第2圈和第3圈环索的张拉对第1圈环索影响较大,使第1圈环索索力分别增大11%和5%,而4、5圈环索的张拉对第1环索影响很小;第3、4圈环索的张拉分别使第2圈环索索力增加7%和3%,第5圈环索的张拉使第2圈索力增加0.3%,几乎没有影响;第4、5圈环索的张拉分别使第3圈索力增大5%和3.5%左右;张拉第5圈环索使第4圈环索索力增大11%左右。在第2批次从内到外张拉过程中,出现了使其它索力降低的情况,第4、3圈环索的2次张拉分别使第1环索索力降低1%和1.6%左右,使第2圈环索分别增加2%和1%左右,使第5圈环索均增加6%左右。2)张拉对径向拉杆和竖向撑杆的影响由于径向拉杆、竖向撑杆和环向索在撑杆下节点力平衡,因此张拉过程对径向拉杆和竖向撑杆的影响规律与张拉过程对环索的影响规律基本一致。3)张拉过程对支座反力的影响分析结果选取短跨方向最外缘的一个反力较大的支座作为研究对象。x方向为环桁架水平切线方向,y方向为水平径向,z方向为竖直方向。该支座竖向反力变化规律同环索的变化规律基本一致;水平切向反力较小且变化不大;径向水平反力在张拉过程中越来越大,尤其是第1圈和第2圈环索的张拉使其明显增大,即在张拉过程中,上部网壳对支座产生向圆心的拉力。在每个张拉步结束后结构的变形如图6所示。为了使变形对比更明显,将变形分别放大100倍,但是色度图的数值未变。从图中可以看出,随着从外圈向内圈的逐环张拉,结构的主要起拱部位也由外环向内逐渐转移;第2批次张拉从内向往依次张拉,结构由中心部位的明显突起,逐渐向外扩散,到第10步张拉结束后,结构变形比较均匀,从3圈向内稍微起拱。4施工过程模拟分析本文的仿真分析利用索的初始缺陷始终不变的特点,通过引入初应力设计值进行施工过程仿真分析,在张拉过程中索的内力虽然变化但是从结构放样态到结构最终设计状态索的拉伸量是不变的,即给索施加的几何初始缺陷不变,以此拉伸量计算各圈环索的初始应力设计值,将此作为索单元的输入条件,同时充分考虑施工过程中临时支撑和每个张拉步的具体荷载工况,利用单元生死法和多荷载步分析可以准确模拟施工过程计算,并能为施工提供索力张拉值、结构内力和变形的控制参考值,避免了各环索间相互影响的分析,简单有效。从仿真分析结果看,考虑脚手架支撑以后,支座水平反力有所减少,各杆件内力有所变化,而且从外圈环索张拉后,在被张拉索周围的单层壳脱离支撑,中间和最外圈支撑仍起作用,随着张拉向内圈进行,单层壳也逐圈脱离