大跨空间预应力钢结构的施工方法

大跨空间预应力钢结构的施工方法

大跨空间钢结构的预制施工技术主要包括施工分析、施工方法和牵引装置。施工分析的内容包括等效预张力找力分析、零状态找形分析、环境温度影响分析、施工过程分析、刚构拼装分析、施工控制分析和拉索制作参数计算等;施工方法的内容包括安装方法和张拉方法;张拉装备包括千斤顶和工装等。在具体工程中,施工分析、施工方法和张拉装备须以有效地建立预应力和控制位形为目标,协调一致,配套使用。大跨空间预应力钢结构形式多样,力学特性差异大,工程特点和工程条件更是无一相同,因此需要根据不同的结构形式和工程特点,采取相应的施工技术。本文结合杂交结构和张力结构中的典型结构形式,介绍各结构的主要施工技术,并集成为大跨空间钢结构预应力施工成套技术。1风音石结构形式杂交结构是由索杆系和刚构杂交而成的大跨空间预应力钢结构类型,其典型结构形式有张弦结构、斜拉结构和弦支穹顶等。由于各结构形式中索、杆和刚构的构成(见表1)和空间拓扑关系、刚构和整体结构的力学性能等不同,因此各结构形式的拉索预应力施工技术也有所不同。1.1撑杆张拉及吊装张弦结构中的下弦索和撑杆为上弦刚构提供了弹性下支撑点,平衡刚构的侧推力。张弦结构整体具有桁架的力学特性,其中预应力可调控结构内力和形状。由于存在稳定的上弦刚构,因此拉索不是张弦结构的必要构件。根据张弦结构的力学特性,下弦索各索段的索力较为均匀,因此一般情况下,拉索连续贯通撑杆下端的索夹。下弦索的空间姿态为平索,为便于将拉索的索头与端部节点、索体与撑杆下端索夹分别连接,可采用“两端牵引、多点提升”的安装方法,从而减小拉索安装时的索端牵引力,易于调整拉索安装的空中姿态。宜先将索头与端部节点连接,并适当放长,然后将索体跨中与中间撑杆索夹连接,然后再将索体与其他索夹连接。单榀拉索宜两端张拉,便于调整撑杆沿跨度方向的偏摆,且一般仅张拉一次到位。若张弦结构在原位拼装,则一般逐榀依次的拼装刚构、安装和张拉拉索,两者流水施工,榀间索力有一定的相互影响,因此拉索张拉滞后刚构拼装2~3榀进行;若单榀张弦结构在地面拼装和张拉后吊装就位,则榀间索力无影响。但需更加关注单榀张拉后结构矢高和跨度,便于吊装后支座就位和榀间连系构件的安装。对于撑杆可摆动的张弦结构(如哈尔滨会展中心),通过撑杆的摆动将索端张拉力传递至各索段,因此拉索张拉前将索体与索夹固定连接;对于撑杆固定的张弦结构(如2010年上海世博会主题馆),索体应与索夹滑动连接,为克服索夹摩擦力,可边张拉边振动索夹附近的索体,采用“超张拉回松”技术,即通过索端超张拉来提高中间索段的索力,然后回松索端张拉力至正常值。张弦结构的索段较短,其预应力施工过程分析主要为张拉过程分析,因此索段模型一般采用两节点直线模型(如ANSYS软件中的只受拉、不受压的Link10模型)即可满足分析精度要求。在等效预张力的找力分析中,由于张弦结构中上弦刚构的刚度较弱,结构自重等外荷载在拉索中产生较大的索力,因此增量比值法较为适用,且同一根下弦索各索段的等效预张力一致。在环境温度影响分析中,由于上弦刚构的制作和拼装并不考虑环境温度影响,因此采用“基于拉索等效预张力的正算法”,在拉索的制作和张拉中考虑环境温度影响。在零状态找形分析和拉索制作长度方面,若张拉变形大,且设计图纸尺寸为张拉后位形,则必须进行全结构零状态找形分析,保证张拉后整个结构的位形,且宜以设计图纸尺寸和设计索力来确定拉索制作长度;否则,必要时可进行下弦索和撑杆子结构的零状态找形分析,保证张拉后撑杆的空间姿态,且宜以设计图纸尺寸和等效预张力来确定拉索制作长度。在刚构焊接分析方面,由于上弦刚构拼装焊接时一般处于自由状态,因此一般应采取构造和工艺措施保证焊接变形,而无需进行刚构焊接分析。在施工控制方面,一般以控制张拉力为主,以控制撑杆空间姿态为辅,但若上弦刚度弱,张拉变形大,结构跨度和矢高控制要求高,则需根据全结构零状态找形分析结果进行拼装,且张拉应以控制结构位形为主。1.2斜拉索张拉拉索斜拉结构中的前索为刚构提供弹性上支撑点,平衡竖向荷载,而背索和桅杆或塔柱为前索提供上支点,并平衡前索索力。由于独立的悬挑刚构会失稳倾覆,因此拉索是斜拉挑篷结构的必要构件,其预应力可调控悬挑刚构的内力和形状。斜拉索的空间姿态为直线形斜索,位于刚构(优先安装)的上方,索长,质量大,上索头位置高。可根据结构特点和工程条件,采用天轮循环和一端牵引的安装方法,实现无支架、少占用起重机、快速、方便地安装拉索。拉索安装过程中,须在桅杆或塔柱上设置缆风绳或斜撑,维持桅杆或塔柱的稳定。斜拉结构中悬挑刚构的纵向联系一般较强,以保证较好的整体性,因此均在刚构整体安装完成后进行拉索张拉。单根斜拉索仅需一端张拉,张拉调节端设置在低端便于张拉作业。由于桅杆底部为铰接支座,前索和背索的索力相互平衡,因此单桅杆上的斜拉索系一般采用被动张拉技术,考虑到张拉作业的安全性和方便性,一般选择背索作为主动张拉索,而前索精确组装、被动张拉。塔柱底部为固定支座,因此单塔柱上的斜拉索系均需主动张拉,且宜同批次协调同步张拉。同一结构上的各桅杆或塔柱的索系,一般对称分批次张拉。斜拉结构的预应力施工过程分析主要为张拉过程分析,尽管索长,但斜角大,张力大,因此索段模型一般采用两节点直线模型即可满足分析精度要求。在等效预张力的找力分析中,由于斜拉结构中各桅杆或塔柱的索系之间、前索系和背索系之间乃至前索或背索之间,各层面上的索力相互影响都较大,因此收敛稳定的退化补偿法较为适用。在环境温度影响分析中,由于刚构的制作和拼装并不考虑环境温度影响,因此采用“基于拉索等效预张力的正算法”,在拉索的制作和张拉中考虑环境温度影响。在零状态找形分析和拉索制作长度方面,由于斜拉结构的刚构一般按照设计图纸拼装,因此有必要时仅对斜拉索和桅杆进行子结构零状态找形分析,保证张拉后桅杆的空间姿态,且宜以设计图纸尺寸和等效预张力来确定拉索制作长度。在刚构焊接分析方面,由于斜拉挑篷结构的悬挑刚构拼装焊接时处于自由状态,因此一般应采取构造和工艺措施保证焊接变形,而无需进行刚构焊接分析。在施工控制方面,一般以控制张拉力为主,以控制桅杆空间姿态和刚构竖向位移为辅。1.3顶撑张拉统一张拉方案弦支穹顶由索穹顶下部的环索、斜索和撑杆与网壳杂交而成,其下部索杆系为上部网壳提供弹性下支撑点,平衡网壳的侧推力。由于存在稳定的上部网壳,因此拉索不是弦支穹顶的必要构件,其预应力主要调控结构内力和支座反力。与轮辐式张弦网壳相比,弦支穹顶净空高,环间索力差异大,同环斜索和环索的索力差异也大。设计时,斜索宜采用钢拉杆,便于索杆系安装时撑杆下端节点预偏定位;而环索索力大,同环环索索力均匀,宜采用钢丝束等软索,连续贯通撑杆下端索夹,节省环索索头费用。网壳杆件一般散拼,其下满铺支架,因此支架搭设应预留穿索通道,且支架不能阻碍斜索、环索和撑杆安装位置。网壳焊接量大,为控制焊接变形和内力,先焊接外围环杆,再焊接交叉形骨架杆件,形成稳定构架后再对称填补焊接其余杆件(见图1)。索杆系安装随网壳拼装流水施工,安装顺序与张拉方法密切相关。根据主动张拉构件类型,存在3种基本张拉方案:斜索张拉、环索张拉和撑杆顶撑张拉,如图2所示。在初始态相同的条件下,3种张拉方案的安装零状态的撑杆位置是不同的,而且施工张拉力值、张拉点数及相应投入张拉装备的能力和数量等均差异较大(见表2)。按照索力均匀性和撑杆垂直度的控制效果来排列,依次为斜索张拉、撑杆顶撑张拉和环索张拉。理论上来说,3种张拉方案均能应用于任何弦支穹顶,但综合拉索材料费用、节点构造、张拉施工费用及张拉效率等因素,3种张拉方案实际应用的适用条件是不同的,如表3所示。与斜索张拉和撑杆顶撑张拉相对应的索杆系安装顺序为撑杆、环索和斜索;与环索张拉相对应的为撑杆、斜索和环索。拉索安装后,尚需量取网壳安装误差调整索长,预紧主动张拉的索,使索杆系由无应力松弛状态进入有应力初紧状态,其关键是要保证同环撑杆下节点相对上节点的偏移量一致。在上部网壳安装成型、支座就位、各环拉索安装、调差且预紧后,进行拉索张拉作业。弦支穹顶为群索系杂交结构,不可能对其所有拉索同步张拉。不仅需要根据张拉方法将索系分为主动张拉索系和被动张拉索系,而且对主动张拉索系还需分两阶段、逐环分批张拉。为保证支架落架前结构的安全性,在拉索进行第1次循环张拉后方可拆除支架;为保证张拉最终不受支架的影响,在第2次循环张拉前,将支架主动脱离网壳;外环对结构重要性优于中环和内环,在第2次循环张拉顺序为从内环向外环,以保证最外环索力不受相邻环拉索张拉的影响。因此,第1阶段从外逐环向内,张拉至设计初始态索力的90%;第2阶段将支架主动脱离上部网壳,在无支架支撑的条件下,从内逐环向外张拉就位。采用环索张拉法时,为克服索夹摩擦力,可采用边张拉边振动及超张拉回松技术。弦支穹顶的索段较短,其预应力施工过程分析主要为张拉过程分析,因此索段模型一般采用两节点直线模型即可满足分析精度要求。在等效预张力的找力分析中,由于弦支穹顶存在稳定和大刚度的网壳,拉索为非必要构件,且结构自重等外荷载在拉索中产生的拉力与目标索力相比为小量,因此定量比值法较为适用,且同一根环索各索段的等效预张力一致。在环境温度影响分析中,由于网壳的制作和拼装并不考虑环境温度影响,因此采用“基于拉索等效预张力的正算法”,在拉索的制作和张拉中考虑环境温度影响。在零状态找形分析和拉索制作长度方面,由于网壳一般按照设计图纸拼装,因此有必要时仅对斜索、环索和撑杆进行子结构零状态找形分析,保证张拉后撑杆的空间姿态,且宜以设计图纸尺寸和等效预张力来确定拉索制作长度。在刚构焊接分析方面,由于网壳拼装焊接时一般处于约束状态,因此有必要时应进行网壳焊接分析,优化焊接拼装方案,并采取构造和工艺措施控制焊接变形和焊接应力。张拉控制实行“力”和“形”双控,其中在张拉第1阶段以控制撑杆垂直度为主,在张拉第2阶段以控制索力为主。2拉索安装及施工过程设计方法张力结构是主要由大量拉索和少量压杆构成的大跨空间预应力钢结构类型,其典型结构形式有索穹顶、索网和索桁架等。张力结构中的拉索不仅是结构的必要构件,而且其预应力是形成结构刚度、承受荷载和维持形状的必要条件,因此预应力是张力结构的灵魂。张力结构的施工方法与传统结构不同,其施工过程就是结构不断积累刚度和成型的过程。现场施工过程主要包括3个步骤:组装连接、牵引安装和张拉成型。(1)组装连接根据构件拓扑关系,将拉索和压杆在无应力状态下进行连接;(2)牵引安装通过牵引或提升等方法将组装的索杆系安装至设计位置附近;(3)张拉成型通过张拉拉索或顶撑压杆在结构中建立预应力使结构成型。施工阶段索杆系位形与结构成型状态差异较大,特别是在早期施工阶段的差异非常大,而随着牵引安装和张拉成型,索杆系位形逐渐趋向、接近和达到成型状态。在未张拉前索杆系为机构,主要呈现的是机构位移,而弹性位移是小量,另外钢丝束等柔性拉索仅能受拉,不能受压和受弯,因此张力结构施工过程中存在超大位移且包含机构位移和拉索松弛。张力结构的施工过程分析主要为牵引提升和张拉过程分析,为精确模拟索杆系的松垂状态,索段模拟须采用曲线模型或多折线模型。在等效预张力的找力分析中,由于张力结构为预应力自平衡体系,设计索力基于设计位形是基本平衡的,因此混合退化补偿的增量比值法较为适用。在环境温度影响分析中,由于张力结构中的索杆系均可按无应力长度组装,因此可直接采用“反算法“进行分析。在零状态找形分析和拉索制作长度方面,若张拉变形大,且设计图纸尺寸为张拉后位形,则必须进行全结构零状态找形分析,保证张拉后整个结构的位形,且宜以设计图纸尺寸和设计索力来确定拉索制作长度;在施工控制方面,地面组装时应主控被动张拉索系的无应力组装长度,张拉时应主控主动索系的张拉力。下面以索穹顶结构为例,介绍张力结构的创新施工技术。2.1顶空提升设备索穹顶是由环索、斜索、脊索、压杆及内拉环和外压环构成的张力结构。“索穹顶塔架提升索杆累积安装方法”包括低空组装、空中牵引提升和高空张拉3个阶段,施工过程为:①在场地中心设置略高于索穹顶中心点设计高度的提升塔架,在地面组装脊索网和中心受拉环(见图3a);②在塔架顶部设置多点提升设备来竖直提升中心受拉环,同时在受压外环梁处设置牵引设备来斜向牵引脊索网(见图3b);③在脊索网和中心受拉环牵引提升过程中,在接近地面和楼面的位置进行各环的环索、压杆和斜索的扩展累积安装,安装顺序可以根据提升过程中各安装点离地面或楼面高度进行调整(图3c);④提升牵引就位后,对最外环斜索进行张拉,使结构成型(见图3d);⑤拆除提升塔架(见图3e)。该施工方法的优点为:通过设置在场地中央的提升塔架和设置在外环梁的牵引设备,对中心拉力环和脊索网进行提升,可以方便地改变中心拉力环的高度,显著减小脊索牵引的距离和牵引力,降低脊索牵引安装到位的施工难度;随着中心拉力环和脊索网的提升,在接近地面或楼面的位置安装压杆、环索和斜索,可简便安装,减少高空安装工作量,增加施工安全性;仅主动张拉最外环的斜索使结构成型,提高了张拉效率。该方法与Geiger安装方法的比较如表4所示。2.2ndfem找形分析方法索杆系施工过程是动态的,但就某时刻的施工状态而言,索杆系处于静力平衡状态。因此可将索杆系施工过程分析划分为若干施工阶段静力平衡态的找形分析。“确定索杆系静力平衡态的非线性动力有限元法”(简称NDFEM),是基于非线性动力有限元,通过引入虚拟的惯性力和黏滞阻尼力,建立运动方程,将难以求解的静力问题转为易于求解的动力问题,并通过迭代更新索杆系位形,使索杆系的动力平衡状态逐渐收敛于静力平衡状态。索杆系在分析前处于静力不平衡状态,在分析中处于动力平衡状态,在收敛后达到静力平衡状态,即索杆系由初始的静力不平衡状态间断地运动(非连续运动)至稳定的静力平衡状态。NDFEM找形分析的主要内容是非线性动力平衡迭代和位形更新迭代,其总体步骤(见图4)为:①建立初始有限元模型;②进行非线性动力有限元分析,当总动能达到峰值时更新有限元模型,重新进行动力分析,直到位形迭代收敛;③最后对位形迭代收敛的有限元模型进行非线性静力分析,检验静力平衡状态;人,提取分析结果。NDFEM法找形分析,将难以静力平衡的有限元分析转化为容易平衡的动力分析,并通过迭代更新位形,使索杆系状态收敛于静力平衡,很好解决了存在超大位移和机构位移的索杆系找形问题。可直接将结构设计成型状态的位形作为初始位形,无需假定索杆的运动轨迹或者设定趋向平衡位置的初始位移,并从以下方面保证了分析的稳定性和高效性:①由于引入虚拟的惯性力和阻尼力,非线性动力有限元分析比非线性静力有限元分析更容易收敛;②基于整体有限元的非线性动力平衡方程求解,其总动能具有整体性;③对连续3个时间步的总动能进行曲线拟合来确定总动能峰值及其时间点,采用线性插值方法确定该时间点的位移,以此更新索杆系位形;④分析过程中自动调整动力分析的