基于正装迭代找形的悬吊结构体系位形设计

基于正装迭代找形的悬吊结构体系位形设计

0主体结构的目标位形安装完成后，结构中不可避免地会发生“形状”和“力”的变化。“形”的变化来源于结构自重的作用、环境温度的影响以拉索预应力的作用等。“力”的变化可以按其组成分解成两部分,一是在安装过程中形成的初始装配内力或残余应力,二是在结构自身重量、温度作用以及拉索预应力张拉产生的内力。前者产生的原因以及大小的评估比较复杂,目前很少在结构设计中考虑,除非重大结构工程。后者在结构分析与设计过程中已经包含在内,如包含在荷载组合以及作用分析中。对于刚性屋盖的施工安装,目前的重点在于“形”的控制,即结构在制作过程中尺寸偏差与安装过程中位形偏差的控制。形的控制按照设计要求可以分为两类:①对结构目标位形的控制不做任何要求,例如围护结构易于安装且能适应较大的位移变化,不依赖于主体结构的目标位形,这时可以按照设计位形作为安装位形进行主结构的制作与安装,落架后的位形“自由”发展,不做任何要求;②由于主体结构的变形对于围护结构的安装或者其它建筑与使用功能要求比较敏感,要求主体结构安装完成的位形刚好落在目标位形(包括自重的作用等)上,这就存在对原结构设计位形进行修改,寻找安装完成后能够满足目标位形的设计位形,这个过程就叫结构施工变形预调值的确定。由钢结构与拉索形成的杂交结构,如张弦梁、弦支穹顶等结构,单从结构受力性能考察,在施工过程中一般以预应力控制为主,变形控制为辅。对于全柔性结构体系,如索穹顶结构、车辐式张拉屋盖,则力与形的控制同样重要,因为对于这类结构,形与力相互依存的程度很高。本文将针对悬吊结构体系,研究其安装位形的确定以及预应力张拉控制方法。图1就是其中一典型的悬吊结构体系,这种结构由两种刚性结构与连接二者之间的拉索组成,两个刚性结构是巨型钢拱与屋面桁架结构,拉索则施加预应力以提高整体结构的刚度。对于这种结构,在安装过程中的位形控制有两种要求,一是屋盖与巨型钢拱结构可以按照结构设计位形进行加工与安装,而拉索可以通过施工张拉满足对设计内力的要求。按照这种制作与安装方法完成的结构,尽管可以满足设计内力的要求,但位形在自重以及预应力作用下发生了较大的变化,会远远偏离结构的设计位形。如果主承重结构的这种变形不影响其使用功能,且屋面围护结构的安装与使用要求对主体结构位形的变化不十分敏感,同时这种位形的变化对结构外形的影响可以忽略的话,则完全可以按照这样形成的位形验收。如果结构的使用功能要求对主体结构安装完成后的位形变化有严格要求与控制,假如屋盖是一个开合顶,则活动屋盖对固定屋盖的位形变化比较敏感。因为固定屋盖作为活动屋盖的支承,在结构使用阶段其位形直接影响到活动屋盖滑移时的顺畅程度。不妨先约定结构设计位形为结构设计图纸确定的位形,而目标位形是依据使用功能确定的位形。因此,要求整体结构在安装完成后,固定屋盖的目标位形必须满足一定的要求,即要求固定屋盖在临时支撑拆除、巨型钢拱的安装以及拉索预应力张拉完成后的目标位形满足设计位形,即要求设计位形与目标位形一致。因而本文要解决的关键问题之一就是要寻找固定屋盖的安装位形(在胎架支承下),使其在落架后以及预应力拉索张拉到位后正好落在目标位形上。这就是本文要解决的主要问题,即确定结构的安装位形。1元模型和施工方案的描述1.1高尔夫球场模型本文以鄂尔多斯体育场为例,结构模型如图1所示。该体育场由中国建筑设计研究院设计,为开合屋盖体育场,其体育场固定屋盖投影为椭圆形,短轴为220m,长轴为268m,几何形态为球面,外径359.5m,以满足屋面排水与活动屋盖台车运行的需求;钢拱高度129m,两拱脚之间的中心距离约335m,拱所在平面与地面垂线并不重合,向西倾斜6.1°(见图1);整体结构南北对称。模型主要显示了体育场钢结构部分,没有考虑混凝土柱以及环梁。由于实际工程中,钢结构环梁置于混凝土环梁上,连接采用抗震球形支座,所以在钢环梁下部设置抗震球形支座处,近似按铰接处理。图2表示该体育场结构的组成,其主要包括巨拱、拉索、固定屋盖和活动屋盖等,施工过程中还包括临时支撑。固定屋盖由主桁架、次桁架和环向桁架组成,主桁架通过拉索与巨拱相连,其上铺设有活动屋盖台车轨道;活动屋盖与钢拱同样由桁架组成。模型坐标系为:两拱脚中心连线为x轴,正向指南,竖直方向为z轴。拉索及临时支撑编号如图2所示,索1～23在体育场东侧,索24～46在西侧。在ANSYS有限元模型中,拉索采用link8单元模拟;临时支撑采用link10单元模拟(只压不拉);桁架构件采用beam188单元模拟。1.2胎架和斜拉索安装设计单位提出了体育场钢结构安装方案及顺序如下:①施工看台混凝土结构;②对应拉索位置设置临时施工支撑塔架,安装固定屋盖;③安装巨型钢拱,可以采用胎架支承分段提升或整体起扳滑移方案等;④安装钢吊索,进行第1阶段索力调整;⑤固定屋盖临时施工支撑塔架分步卸载;⑥安装活动屋盖轨道、分片安装活动屋盖等;⑦第2阶段索力调整;⑧活动屋盖结构合拢、将临时支撑替换为台车、安装活动屋盖屋面板;⑨第3阶段索力调整。该施工方案中,预应力索分阶段分级张拉,第1级张拉索力的50%,第2级张拉到索力的90%,第3级张拉到索力的105%,其中超张拉5%。2固定屋顶的安装位形的确定和控制—固定屋盖初始安装位形的确定与控制——安装变形预调值的计算2.1安装变形预调值本项目固定屋盖的目标位形定义为结构的设计位形,即必须寻找一种位形,在固定屋盖卸载后,其在自重与主拱预应力等作用下达到结构的设计位形。寻找的这种位形,就是固定屋盖的安装位形与加工位形。就计算方法而言,实际就是钢结构安装变形预调值的计算问题。钢结构施工变形预调值计算主要有正装迭代法、倒拆迭代法等。正装法按施工顺序逐步安装构件、施加荷载,从而模拟施工过程、分析结构的受力和变形情况;倒拆法则通过逆序拆除构件来分析被拆除的构件对剩余结构变形和内力的影响,通常情况下两种方法均有较好效果。本文采用正装迭代法结合ANSYS生死单元技术进行施工全过程模拟,从而确定变形预调值,计算流程如图3所示。2.2轨道桁架与钢拱之间的垂直变形根据设计单位提供的资料,活动屋盖的驱动控制系统对于主体结构安装偏差、极端气象温度、风荷载、雪荷载等作用下结构变形应具有充分的适应能力。在活动屋盖运行过程中,驱动控制系统可适应轨道桁架的水平变形量不小于±100mm,垂直变形量不小于±120mm,以及两侧轨道存在的不对称变形,并容许活动屋盖支点与固定屋盖出现相对转动变形(见图4)。基于此,结构安装完成后的位形相对设计位形可以有一定偏离,但仍应通过调整安装位形使该偏离尽可能减小。由于篇幅所限,本文仅给出拉索在主桁架以及钢拱上节点的坐标预调值,作为位形控制点。体育场共有46根拉索,南北对称,如图2所示,主桁架上的索节点编号与索号对应,依次编为1～46;钢拱上的索节点编号则从南往北依次编为47～69。当结构安装位形取为设计位形时,竣工后主桁架、钢拱控制点相对设计位形的偏差如图5所示。由图5a可以看到:主桁架控制点24～46在z方向即竖直方向,与设计位形的偏差明显比点1～23要大,即西侧主桁架(见图1)竖向变形更大。这是由于钢拱向西倾斜,从而导致西侧索与固定屋盖的夹角增大,因此在索力相当的情况下,体育场西侧主桁架所受的竖向力更大,从而导致其竖向偏差位形较大。主桁架竖向最大位形偏差值在点35取得,达到193mm;水平变形量最大达到50mm。由以上数据可知,按设计位形制作构件时,轨道桁架垂直变形量很难满足驱动系统要求;水平变形量虽然可以满足,但仍然过大。设计位形中钢拱顶部倾斜的水平距离为129×sin6.10=13.71m。由图5b可知,施工完成后钢拱水平方向(即y方向)偏位达到652mm,约占设计倾斜水平距离的1/20,因此安装钢拱也需要设置变形预调值。图6给出了结构控制点的坐标预调值,分析结果可得到如下结论。1)主桁架的坐标预调主要在z方向,跨中预调值最大,并向两端递减。这可以从实际施工中主桁架变形得到解释:拉索最终张拉成型后主桁架主要变形在z方向,跨中变形最大,并多数为正值,因此按相反方向预调可以达到目标位形;同理,钢拱坐标应该往上预调。2)由于钢拱向西倾斜,因此西侧拉索与竖直方向的夹角较小,而东侧拉索与竖直方向的夹角较大,所以在索力相当的情况下,钢拱水平方向受力向东,即y正方向。而钢拱平面外刚度又较小,这也解释了钢拱y方向预调值较大的现象。考虑变形预调值后,结构竣工时主桁架、钢拱偏离设计位形的位移最大值不超过0.35mm,满足设计要求。2.3预应力锚索及张拉索位置拉索的下料长度是指钢丝的无应力长度,首先应计算每根拉索的长度基数L0,即拉索两个索孔出口处在拉索张拉完成后锚固面的空间距离,再对这一长度基数进行若干项修正,即可得到下料长度。修正内容为:①初拉力作用下拉索弹性伸长修正ΔLe(初拉力是指结构竣工后仅承受自重和拉索预应力状态下的索力);②初拉力作用下拉索垂度修正ΔLf;③张拉端锚具位置修正ΔLML;④固定端锚具位置修正ΔLMD;⑤下料时的温度与设计温度不一致时,考虑温度修正;⑥受应力状态下料时,应考虑应力下料的修正;⑦采用冷铸锚时,应计入钢丝墩头所需长度,一般取为1.5d,采用拉丝式锚具时,应计入张拉千斤顶工作所需长度。本文主要考虑前两项,其余各项须结合施工具体情况确定。拉索在设计温度时的无应力下料长度计算公式如下:L=L0−ΔLe+ΔLf+ΔLML+ΔLMD+2LD+3d(1)L=L0-ΔLe+ΔLf+ΔLΜL+ΔLΜD+2LD+3d(1)式中:LD为锚固板厚度。弹性伸长量和垂度修正值可分别按式(2)、(3)计算:ΔLe=L0σE(2)ΔLf=W2L2xL024T2(3)ΔLe=L0σE(2)ΔLf=W2Lx2L024Τ2(3)式中:σ为拉索实际应力;E为拉索弹性模量;T为拉索实际张力;L0为拉索长度基数;Lx为L0的水平投影;W为拉索单位长度重量。本文结合有限元模型计算长度基数,即结构竣工后拉索的长度,然后采用式(2)、(3)计算前两项修正值,从而确定拉索下料长度。计算结果如图7和表1所示。由图7可以看到,修正项①远远大于修正项②,前者最大值约170mm,后者最大值仅0.87mm,原因在于索的长度较小,重力对索长影响不大。3预测方程法的研究3.1张拉过程控制应力预应力索可以采用单步张拉方案,也可以采用分级张拉。单步张拉的主要优点是施工方便、一次性张拉到位,缺点是张拉过程中构件可能屈服;而分级张拉一般情况下可以防止施工过程中局部构件应力过大,同时也利于索力调整,但效率不高。本节及后续内容将研究单步张拉方案,并与分级张拉方案进行比较。单步张拉方案的施工步骤:①施工混凝土看台结构;②对应拉索位置设置临时施工支撑胎架,安装固定屋盖;③安装活动屋盖轨道、分片安装活动屋盖等;④活动屋盖结构合拢、将其支撑替换为台车、安装活动屋盖屋面板;⑤安装钢拱,采用整体起扳施工技术;⑥安装钢吊索,单步张拉;⑦拆除临时支撑,此时由于吊索已经张拉完成,支撑胎架可能已经脱离胎架。施工过程中张拉预应力索有先后顺序,后张索对已张索的索力会有影响。这就要求在张拉施工时,对当前张拉索进行预应力调整;另外,预应力索张拉完成后一般还有后续施工步,这也会导致索力发生变化。因此预应力索张拉时的控制应力必须在设计态应力的基础上进行调整。在当前施工状态下,考虑后续施工步的影响,才能保证结构竣工后索力满足设计要求。当前施工状态下的索力值可以通过倒拆法计算,即从结构竣工状态(仅自重与预应力作用)倒拆后续几个施工步获得对应于当前施工状态的拉索内力。预应力索张拉控制应力的计算通过“正装-倒拆法”来实现:首先依照施工顺序正装预调后的结构到当前施工状态,正装完成后索力及结构位形均达到设计值,再按索张拉的逆向顺序“杀死”索单元,来模拟施工的每一状态(包括索力、结构应力等),从而确定索的张拉控制应力和张拉顺序。3.2力索张拉顺序采用3.1节给出的单步张拉方案且张拉施工状态是结构的最终施工步,不存在后续施工步骤,因而不存在拉索预应力值的确定问题。最佳张拉顺序的确定原则是:①张拉过程中索的超张拉以及当前张拉索对已张索的索力增大作用最小,即预应力需要调整的幅度最小;②张拉过程中结构应力保持较低水平,确保结构在弹性范围内。考虑到结构南北对称以及“分级、对称、均匀”的张拉原则,预应力索张拉顺序有以下选择:①从两端往中间张拉,每次同时张拉两端各两根索,即索1、24→…→(索12、35)←…←索23、46;②从中间往两端张拉,与顺序①相反。两种顺序均需张拉12步。两种张拉顺序的结果比较如图8所示,定义“拉索预应力预调值=张拉控制应力-设计态应力”,若为正值,则当前索需要超张拉;反之,则当前索无须张拉到设计态应力。由图8a可以看到,张拉顺序①对应于预应力调整幅度比较平缓,超张拉幅度较小;张拉顺序②的超张拉现象则比较突出,其中索12超张拉约530MPa,张拉控制应力远远超过了其设计态应力。图8b表示两种张拉顺序下钢拱以及主桁架的等效应力随张拉步数的变化。可以看到,由于张拉顺序②实施过程中先张拉索12、35,而索12所需控制应力很大,且其作用点在拱和主桁架的跨中位置,因此主桁架局部构件的等效应力在第一步张拉时就过大,发生屈服;按张拉顺序①施工,结构最大等效应力则一直在屈服面以下,满足安全要求。综上所述,结构预应力索采用张拉顺序①,即“从两端往中间张拉”的方案较好。为了验证倒拆法结果的准确性,取张拉顺序①倒拆确定的张拉控制应力进行张拉,施工完成后索应力与目标应力的最大差别约为7MPa,误差不超过3%,因此倒拆法结果满足精度要求。3.3张拉及张拉方案研究在确定阶段的应用分级张拉方案参见1.2节,分3级张拉,并采用3.2节所确定的张拉顺序,即“从两端往中间张拉”。下面对单步张拉和分级张拉这两种方案进行比较。单步张拉时,施工步1～7为:①设置临时施工支撑塔架,安装固定屋盖;②安装活动屋盖轨道;③分片安装活动屋盖;④安装活动屋盖屋面板;⑤安装巨型钢拱;⑥安装钢吊索,单步张拉完成;⑦固定屋盖临时施工支撑塔架分步卸载。分级张拉时施工步1～9为