上海市新国际博览中心钢结构设计

上海市新国际博览中心钢结构设计

上海新国际博览会中心位于浦东龙阳路地铁站附近，有14个展厅。一期工程包括4个展厅及入口大厅,每个展厅的平面尺寸为72m×192m,总面积约90000m2(图1),结构形式为钢结构,屋面采用骨架支撑膜结构。总体结构设计思路新颖大胆,结构设计由德国WERNERSOBEKINGENIEUREGMBH公司承担,上海建筑设计研究院配合设计。该工程的预应力抗侧力支撑形式为国内首次采用,预应力钢支撑的张拉是整个展厅钢结构工程施工中的重要内容,技术要求高、难度大,安装与张拉质量对整个工程的安全至关重要。1幕墙柱式钢框架结构本工程钢结构设计概念清晰,传力途径明确。屋盖钢结构承力单元采用跨度72m的纺锤形桁架,每单元两端支承在上下均为铰接的摇摆圆柱上,该柱仅承受竖向荷载,屋盖横向两端有刚度较大的钢板式抗侧力支撑。圆柱内侧为幕墙柱,每排幕墙柱中间有两道预应力垂直抗侧力支撑,顶部水平方向用预应力拉杆将垂直支撑、钢桁架、圆柱连接在一起。该结构的受力特点是刚度很大的屋盖支承在上下铰接的圆柱上,用横向两端的抗侧力支撑与纵向幕墙中部的预应力抗侧力支撑保证结构的稳定。因圆柱外露,为防止使用阶段铰接点受到碰撞引起灾难性后果,每个圆柱底部设置防撞护栏。2结构体系及张拉控制预应力抗侧力支撑中的预应力拉杆采用英国Macalloy公司的系列产品,拉杆材料为热处理钢材,标准抗拉强度fptk=610MPa。水平拉杆与垂直拉杆每组为3个区格,水平拉杆为M42,每区格2根,各需建立267kN的预应力。垂直拉杆每区格为3根,1根M76拉杆需建立900kN的预应力,2根M56拉杆各需建立450kN的预应力。单根预应力拉杆的张拉对其他构件有影响,对整个结构的变形亦有影响。为满足设计所要求的张拉力,同时尽量减少张拉对结构产生不利的变形,在张拉前进行了分析。分析采用局部模型及整体模型。局部模型为每组3个区格垂直支撑组成的平面结构;整体模型为包括屋盖、圆柱、幕墙柱及支撑的三维结构。经计算分析,得出主要结论如下(1)根据局部模型的分析,局部垂直斜拉杆一次张拉到位顶端位移为8.4mm。根据整体模型计算最大顶点位移为3.7mm,且端部柱顶位移有2.4mm,说明拉杆的张拉对整体结构的影响相当大。根据整体结构分析结果,确定分三次张拉,总原则是将垂直拉杆张拉引起的柱顶变形控制在2mm以内。(2)由于单根拉杆的张拉对相邻杆件有影响,若直接用设计要求的张拉力作为控制张拉力,最终得到的每根拉杆的拉力误差较大。为此根据不同的张拉顺序,以最终各杆达到设计张拉力为目标,通过大量的计算,确定了每根拉杆分3批按不同顺序各自的张拉控制应力。3张拉伸长杆件的设计本工程结构较柔,对安装过程中的结构变形及稳定性控制要求很高,张拉阶段过大的变形可能引起结构垮塌。另外幕墙安装对柱变形要求高于钢结构的安装精度,因此预应力拉杆的张拉施工难度很大,主要难点如下。(1)预应力拉杆的张拉影响到相邻杆件乃至整个结构安装。必须考虑合理的张拉顺序以控制柱顶位移,同时必须考虑分批张拉,以保证每个杆件有效预应力的建立(2)考虑拉杆规格及连接条件的不同,需对水平拉杆与垂直拉杆采用不同的张拉方法。垂直拉杆两端销接,中间用两端正反牙的套筒连接,在张拉拉杆的同时旋转套筒,由于国内尚无该种拉杆的张拉设备,故需研制。水平拉杆较短,两端销头内分别有正反螺牙。千斤顶首先通过耳板作用在结构上,结构变形后旋转中间拉杆体收紧销头,放松千斤顶,结构回弹在杆件中建立预应力。4莎拉方案4.1/拉到位后,对所有的杆件进行张拉,保证方案由于工期的限制,结构安装必须与其他工种交叉施工,拉杆张拉引起的变形肯定会对其他部分的施工造成不利影响。为尽量减小这种不利影响,经充分商讨,采取分批张拉的方法:第一次将所有的杆件拉到σcon/3,保证结构基本稳定;第二次将所有的杆件拉到2σcon/3,降下拼装胎架;最后将所有的杆件拉到设计要求的σcon。每组杆件张拉时先张拉水平杆,后张拉垂直杆。4.2有限元分析确定合理的张拉次序目的是保证幕墙柱在张拉过程中的垂直度。通过有限元程序ANSYS的分析,提出了合理的张拉次序。其原则是采用对称张拉,先拉中间区格中的杆件,然后对称张拉端部区格的杆件(图2)。4.3第二,c33前卡式千斤顶联动水平拉杆的张拉是在拉杆两端销头上安装工具式夹板,然后利用2台YC23前卡式千斤顶联动,用钢绞线作临时拉杆进行张拉图垂直拉杆采用新研制的四缸千斤顶进行张拉(图4),其关键的技术参数为额定张拉力1130kN,额定油压60MPa,最大行程50mm。4.4牵引杆的张力4.4.1吊装千斤顶的安装(1)拉杆安装就位,检查拉杆边帽及套筒安装是否正确。吊装M76与M56杆件时,必须在正反牙的调节套筒内涂适量黄油,以便于润滑拧动套筒。吊装M56杆件时,双杆的套筒需上下错开,以留出千斤顶位置便于张拉。吊装M76、M56杆件时,在锥形锁紧螺母外侧安装张拉专用临时圆环形卡块。螺杆旋入螺母的长度应符合设计要求。(2)安装千斤顶,使上下卡块卡住调节套筒外侧的锁紧螺母。(3)开动油泵,小心加压,由卡块带动套筒两侧的锁紧螺母,使拉杆产生拉力。边加压边用卡链式扳手拧动调节套筒,使之跟进。(4)利用手拉葫芦卸下千斤顶,移至另一杆件对称张拉。4.4.2卡式千斤顶联动(1)在拉杆销头夹上工具式夹板。(2)用2台前卡式千斤顶联动,用钢绞线作临时拉杆进行张拉(3)边加压边用卡链式扳手拧动中间拉杆。(4)千斤顶回油,结构回弹,在杆件中建立预应力,卸下千斤顶。5拉伸过程的控制和检测5.1温度对结构的影响采用电测和机械测量相结合的方法对每根拉杆有效预应力的建立进行监测,包括杆件自身张拉的应力变化及对相邻杆件的影响。电测时每个杆件取1个截面(4个测点),张拉前读初读数,测试至全部张拉结束。因施工期间的温度变化大,应特别重视温度对结构受力的影响。机械测试时每个杆件取1个截面(2个测点),用机械式应变仪测读。测试结果表明,通过适当的调整,应力控制可达到较高的精度,如4号展厅支撑单元1的测试结果为最大943kN,最小886kN,与设计要求的900kN非常接近。5.2变形监测每组拉杆张拉时,监测与拉杆杆端相连钢柱的顶部侧移量。采用精度较高的DJ2光学经纬仪进行,每组拉杆均需进行全程监测。6千斤顶及预应力张拉(1)预应力拉杆的张拉对结构的影响较大,对结构要有充分的了解,通过细致的分析,确定合理的分批张拉程序和张拉次序,对减小这种不利影响至关重要。(2)新研制的四缸千斤顶解决了大吨位预应力拉杆的张拉技术问题,填补了国内空白,达到了国际同类产品水平。(3)张拉过程中,四缸千斤顶对拉杆