大跨度椭球形弦支展开顶预应力拉索施工技术

大跨度椭球形弦支展开顶预应力拉索施工技术

常州体育博览会位于南京市新北区黄山路与城北路交汇处东北角，建筑面积79632米。其中钢结构工程由体育用品商店入口屋盖、会展中心屋盖、体育馆屋盖3部分组成,且相对独立。体育馆钢屋盖采用了新型杂交空间结构体系——弦支穹顶,整个钢屋盖形状在空间上呈椭球体(见图1),钢屋盖投影的椭圆长轴119.872m,短轴79.915m,结构矢高21.45m,整个结构通过24个支座固定于下部混凝土环梁上。弦支穹顶单层网壳中心部位的网格形式为凯威特型(K8)、外围部位的网格形式为联方型。网壳均采用铸钢节点,杆件采用圆钢管,规格为ϕ273mm×10mm、ϕ273mm×12mm、ϕ273mm×16mm。预应力拉索索系为Levy索系,由环向索和径向索构成,共设6环。撑杆采用圆钢管(ϕ180mm×10mm),上下端铰接,撑杆与索系之间采用铸钢节点连接。1环向索、径向索和撑杆的索夹耳板角度及构造椭球形索系的特性决定了该弦支穹顶的拉索索系构造及受力有别于球形弦支穹顶。主要表现为:①索系的平面投影为椭圆形,1/4区域内每段环向索和每根径向索的轴线长度各不相同;②连接环向索、径向索和撑杆的索夹耳板角度及构造在1/2区域内各不相同;③1/4区域内每段环向索和每根径向索的索力以及撑杆的轴力存在差异。主要由于索系中环向索在长轴向曲率半径小、短轴向曲率半径大,各索夹节点处的2根径向索夹角也不断变化,而对于弦支穹顶,预应力施工完成后各索夹节点均为平衡力系。2牵引结构的特点2.1半平行钢拉索常州体育馆预应力拉索采用1670级ϕ5mm镀锌钢丝双护层扭绞型半平行钢拉索,内层PE为黑色耐老化高密度聚乙烯(HDPE),外层为银灰色PE,如表1所示。2.2仿真分析及安装精度大跨度椭球形弦支穹顶施工难点在于结合拉索索系的结构特点,在预应力拉索施工前,进行预应力拉索施工的仿真分析,其中包括张拉方法选择、零状态找形分析、张拉力的确定和施工全过程仿真分析等,保证各施工阶段的安全性及施工完成后结构达到设计状态。同时,控制大跨度椭球形弦支穹顶拉索索系的安装精度也是拉索施工中的难点,即预应力拉索索系安装时,索夹耳板的角度定位应准确,径向索索长和撑杆的偏摆量等均应控制在一定的误差范围以内,保证预应力的有效建立。针对常州体育馆,在选择环向索各索段之间的连接方式(T螺杆或正反牙螺杆)时,应结合所采用的环向索张拉法,并考虑尽量减小预应力损失和便于张拉操作等因素。另外,常州体育馆环向索的索夹节点在施工阶段为可滑动状态,可滑动索夹节点的构造设计也是拉索施工的难点。3拉索施工分析3.1预应力拉索施工方法的选择弦支穹顶的拉索张拉方法通常有3种,即张拉径向索、张拉环向索和调节撑杆张拉。对于预应力结构而言,人们希望施工完成后的实际预应力态与设计一致。因此无论采用哪一种张拉方法,张拉结束后的最终状态要与设计要求相符。常州体育馆钢屋盖由于具有椭球的特性,预应力拉索施工方法选择相比于球形弦支穹顶较为困难。在预应力张拉方案确定前,需从张拉机具、张力误差和施工工艺等方面进行3种张拉方法的比选,选择一种更加适合于椭球形弦支穹顶的张拉方法。常州体育馆钢屋盖外4环的每环撑杆数量为24根,径向索为48根且环向索又为单索。对上述控制要点进行对比分析,最终决定采用环向索张拉法,该张拉方法所需的张拉设备少,张力误差易于控制,实现同一环内环向索同步张拉的目标比较容易,同时也便于环向索的线形控制。3.2无应力状态下结构安装索力确定弦支穹顶预应力拉索索力随着施工过程的变化,索力一般要经历两种状态:①零状态结构不存在任何荷载和内力,拉索索力均为零,该状态为非平衡态;②预应力态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。此时索力为预应力态下的索力,即预应力拉索施工完成之后的索力或称为设计预应力态下的索力。常州体育馆的零状态找形分析,主要是指下部索杆体系中撑杆垂直度找形分析。若弦支穹顶按照未进行撑杆垂直度找形分析的空间几何形状进行安装,则安装时撑杆是垂直的,环向索张拉后由于撑杆上下节点变形不一致,导致撑杆下节点向内倾斜,影响建筑美观性,如图2a所示。因此,考虑环向索张拉对撑杆垂直度有影响,在预应力拉索索系安装前,需对弦支穹顶进行撑杆垂直度找形分析,确定出无应力状态下结构安装的尺寸,即根据设计提供的预应力态形状,结合施工工艺、张拉方式确定出构件加工、放样和初始坐标等。按照撑杆垂直度找形分析结果进行结构安装,能够保证预应力张拉完毕后,撑杆垂直度偏差控制在许可范围以内,如图2b所示。3.3环向索夹节点确定根据施工过程仿真分析,采用环向索张拉法施工时,若索夹固定,则每环环向索两索夹之间的索段长度需满足较高的安装精度,才能保证张拉之后的索力值与设计值相符,否则偏差较大。考虑到环向索各索段存在下料长度和索夹标记位置的偏差以及实际施工过程无法保证较高的安装精度等不利因素,为确保张拉完成后在各环向索索段中建立有效预张力,张拉时需将环向索索夹节点设计为可滑动索夹,张拉完成之后再将索夹固定。可滑动索夹即表示预应力拉索张拉时,索体与索夹之间可相对滑动,采用该节点形式便于环向索索力的传递,并降低安装误差带来的索力损失。施工张拉力确定分为如下步骤:①第1步根据设计单位提供的拉索初始预张力,且将索夹固定,计算结构在设计预应力态下张拉点索段的索力;②第2步考虑到实际施工时索夹与环向索索体之间允许滑动,因此将索夹设定为滑动,重新计算预应力态,得到施工预应力态;③第3步采用“倒拆法”计算各环环向索张拉中各张拉点的理论张拉力,以保证张拉结束后达到第2步的施工预应力态;④第4步考虑到索夹摩擦损失(根据试验结果,每个索夹节点的预应力损失为10%),将各张拉点的理论张拉力提高5%,得到实际施工的张拉力(见表2)。3.4张拉过程模拟结果常州体育馆拉索施工时,为减少支撑胎架对预应力建立效果的影响,使得仿真分析模型与实际施工状态下的结构模型更加相符,待网壳焊接完毕后,进行结构的主动落架,仅保留12个刚性支撑塔架,以保证张拉阶段结构的安全性。根据施工方案对预应力拉索施工的全过程进行仿真模拟分析,确定出拉索张拉之间的相互影响,并验算结构的安全性。根据模拟实际张拉施工全过程的计算分析结果,各环环向索索力随张拉顺序的变化曲线如图3所示,各环径向索索力随张拉顺序的变化曲线如图4所示,变化曲线均较为平缓,可得出张拉过程中环与环之间的相互影响较小,环向索及径向索索力之间的相互影响最大仅为5%。同时,根据施工全过程分析的计算结果,查看各个施工阶段杆件的应力及结构位形,可以得出在各施工阶段杆件应力和结构变形较小,整个结构安全可靠。4张拉精度的影响弦支穹顶的预应力拉索施工包括拉索的安装和张拉。拉索安装是张拉的前提,安装精度能否满足要求,直接决定了拉索张拉之后预应力的建立效果。当然,拉索的张拉才是在结构体系内建立预应力的根本,切实可行的张拉方法更显其重要性。4.1径向索安装的安装1)弦支穹顶上部单层网壳全部安装焊接完成之后,依次由内而外进行拉索和撑杆的安装。2)在同一环内,考虑到环向索的安装方便,安装完撑杆之后,先安装环向索和下索夹,然后再安装径向索。3)为保证在椭球形弦支穹顶内建立有效预应力并达到设计状态,需严格按照零状态找形结果进行安装。4)安装撑杆时,应仔细核对铸钢节点的位置和方向,特别要注意与径向索相连的铸钢节点上的耳板方向。5)径向索安装前应测定径向索索长的生产误差以及撑杆上、下节点的安装误差。根据这些误差值,调整径向索索长,确保撑杆下节点位置的准确。4.2环向索张拉法1)模拟张拉过程,进行施工全过程力学仿真分析,把握该结构在张拉过程中的特性。2)采用环向索张拉法,即拉索张拉主要是张拉环向索,有必要时局部调整径向索索力。3)网壳主体钢结构和拉索全部安装完成后进行张拉,张拉前网壳主动脱离支撑胎架,去除张拉过程中支撑胎架对索力的影响,张拉过程中支座固定。4)预应力拉索张拉时,同一环拉索同步分级张拉。4.3千斤顶张拉设置预应力拉索外4环每环环向索设置8个张拉点,每个张拉点2台千斤顶并联,张拉千斤顶采用60t和100t千斤顶。张拉点分布在长轴、短轴和45°方向附近,内2环每环环向索设置4个张拉点,分布在长轴和短轴附近,每个张拉点位于该索段的中心。尽管中心环向索较短,但考虑到该环向索段之间折角大、索力不均匀,因此也设置4个张拉点。环向索张拉点、张拉分区如图5所示及张拉工装如图6所示。4.4环向索张拉控制为控制环向索的线形,保证撑杆垂直度和环向索索力的均匀性,同环环向索须同步分级张拉,并对环向索张拉实行双控,即控制张拉力和张拉索段的长度。每环环向索的同步张拉程序分4级:初张拉0→25%→50%,精调50%→75%→100%。其中0→25%→50%阶段,以控制张拉索段长度为主;而50%→75%→100%阶段,以控制环向索索力为主。5结构预应力张拉与预应力张拉张拉阶段拉索应力及结构变形的实测结果,是判别结构有效预应力建立、预应力张拉对相邻结构构件影响的重要依据,也是进行有效施工控制的重要条件。5.1隔环焊接技术拉索正式张拉施工前进行了详细的理论计算分析,由分析可知:因屋盖钢网壳采取了先固定铸钢节点,然后采用隔环焊接技术进行拼装。最终安装完毕后,由于焊接变形,屋盖结构几何位形与理论设计状态并不一致,而且难以调整至理想状态。因此,拉索张拉前的屋盖初始态只能参考实际施工过程的分析结果,以此为依据,对拉索张拉进行施工控制。5.2柔性索膜结构设计根据理论分析结果,屋盖张拉完成前后中心点竖向位移为16.3mm,与短轴支座跨度80m之比约为1/4908,说明结构刚度相对很大,与柔性索膜结构相比,在张拉成形过程中结构变形不敏感,几何非线性很不明显。因此,张拉过程中采取索力控制为主,变形控制为辅的双控原则。5.3施工监控1环向索张拉力主动控制环向索张拉力的控制主要根据各环各分区精密油压表的读数进行主动控制,严格按照环向索施工张拉力表计算所得环向索实际施工张拉力大小进行控制,实际施工过程中,油压表控制的张拉力误差≤5%。2屋顶位移对比由于焊接收缩量的影响,屋盖结构几何形状在张拉前的实际标准态与理论设计状态不符。因此拉索张拉完成后也难以调整至屋盖最终成形后的标准设计状态。因此依据施工分析结果,对屋盖关键点(如网壳中心点、长短轴支座点)的位移进行实时监控。实际张拉过程中,网壳中心点最大变形为17mm,符合设计要求。同时,建设单位指定了第三方对常州体育馆钢屋盖拉索施工过程进行监