第六届全国预应力结构理论与工程应用学术会议论文集_部分2.pdf

c f 混凝土的单轴抗压强度 ck f c f或 cm f c 与 c f相应的混凝土峰值压应变 按表1采用 图 2 单轴受压应力 应变曲线 表 3 1 混凝土单轴受压应力 应变曲线的参数值 2 N mm c f 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 6 10 c 1370 1470 1560 1640 1720 1790 1850 1920 1980 2030 a 2 21 2 15 2 09 2 03 1 96 1 90 1 84 1 78 1 71 1 65 d 0 41 0 74 1 06 1 36 1 65 1 94 2 21 2 48 2 74 3 00 uc 4 2 3 0 2 6 2 3 2 1 2 0 1 9 1 9 1 8 1 8 注 u 为应力 应变曲线下降段上应力等于 0 5 c f时的混凝土压应变 在分析中理论上还要给出屈服准则 但考虑 到混凝土更倾向于表现出脆性的特征 屈服点不 够明确 破坏点却比较明显 实际结构是不允许 有很大塑性变形的 工程上常将屈服准则和破坏 准则等同 所以只要给出破坏准则 就能依此确 定混凝土从开始加载到破坏全过程各个阶段的 应力 应变矩阵 从而进行有限元分析 由于混凝土抗拉强度低 约为抗压强度的1 10 且变形很小 通常认为混凝土受拉时 应 力 应变关系基本上是线性的 达到极限拉应力 t f以后 强度迅速降低 分析中采用了ANSYS 中默认的混凝土单轴受拉应力应变模型 2 2 钢骨材料 3 4 本文采用ANSYS单元库中的SOLID45 图 3 单元 来模拟梁端设钢骨预应力混凝土梁中 的钢骨 SOLID45单元用于三维实体结构模型 单元由8个结点结合而成 每个结点有X Y Z共3个方向的自由度 该单元具有塑性 蠕变 膨胀 应力强化 大变形和大应变的特征 本文中 钢骨屈服强度和极限强度按国家标 准规范取值 为理想弹塑性模型 其单轴应力 应变关系如图4 2 3 钢骨材料 3 4 本文采用ANSYS单元库中的LINK8单元 来模拟梁端设钢骨预应力混凝土梁中的普通钢 筋和预应力筋 普通钢筋和预应力钢筋采用2 结点LINK8单元 该单元每个结点也有X Y Z方向的3个自由度并具有塑性变形的能力 LINK8单元的几何形状和结点位置如图5所示 153 图 1 SOLID65 单元 图 5 LINK8 杆单元 图 3 SOLID45 单元 本文为保证普通钢筋和预应力筋的单轴应 力 应变关系的广泛意义 其屈服强度和极限强 度按国家标准规范取值 普通钢筋为理想弹塑性 模型 预应力筋为二折线弹塑性模型 其单轴应 力 应变关系如图6 图8 图6 非预应力纵筋单轴应力 应变关系 图7 箍筋单轴应力 应变关系 图8 预应力筋单轴应力 应变关系 图4 钢骨单轴应力 应变关系 3 网格划分 在有限元分析过程中 模型单元网格的划分 至关重要 单元网格划分的优劣直接关系着最后 非线性求解的成败 如果网格过于粗糙 那么结 果可能包含严重的错误 但如果网格过于细致将 花费过多的计算时间 浪费计算机资源 而且模 型可能过大以致不能在普通的计算机上运行 因 此在生成模型前要认真考虑网格密度的问题 本 154 文对混凝土单元划分是 单元尺寸采用50mm 为了使单元划分均匀 保证六面体的单元形状 钢骨单元尺寸也采用50mm 建模中 对计算结果收敛影响很大的是预应 力筋约束方程的建立 约束方程的基本方法是让 预应力筋单元结点与最近的混凝土单元节点耦 合 由于本文采用梁端固支 预应力筋端点的位 置须与梁端混凝土单元结点位置 该点自由度 Ux Uy Uz均限制 尽量接近 以防止单元内 部出现过大应力而导致不收敛 因此 在混凝土 单元划分时 应考虑预应力筋在梁端的位置 两 者单元划分相协调 4 收敛控制与策略 钢筋混凝土结构计算的最大困难在正常收 敛 不收敛分为正常不收敛和非正常不收敛 当 结构接近失效时 正常收敛将会很困难 这是正 常不收敛 但有时在荷载很小的情况下 也会不 收敛 这就是不正常收敛 为了处理非正常收敛 本文考虑了以下因素 1 OLID65单元的KEYOPT选项 取 KEYOPT 1 1 不考虑形函数的附加项 和 KEYOPT 7 1 考虑拉应力释放 易于收敛 2 网格密度对收敛影响很大 网格密度的 选取已在上节进行了论述 在此不多赘述 3 子步数 ANSYS中子步数的设置很重要 子步数 NSUBST 设置太大或者太小都不能达 到正常的收敛 这点可以应用ANSYS图形求解 追踪特性来观察收敛过程图 根据F范数曲线在 F 收敛准则曲线上走形的长短来判断子步数的 设置是否得当 4 收敛精度和准则 改变收敛准则对正常 收敛及结果影响均是很大的 缺省时采用位移收 敛准则和力收敛准则 当收敛困难时 可以考虑 改变收敛准则 但一定要谨慎 由于采用力加载 本文采用位移收敛准则 其好处是在出现应力软 化或计算下降段时有很好的收敛性 收敛条件为 1 5 这种方式会引起荷载 跨中挠度曲线末端 不正常 但易于收敛 5 混凝粘土压碎的设置 当不考虑混凝土 压碎时 计算容易收敛 而考虑压碎时 即使还 未达到压碎应力 也比较难收敛 同时 在定义 了混凝土的应力应变曲线后 该选项对结果的影 响并不是很大 因此 在分析时选择关闭压碎 5 计算模型及参数 图9 图11 图 9 梁端无设钢骨预应力框架 KJ2 155 图 10 梁端无设钢骨预应力框架 KJ1 图 11 梁端无设钢骨预应力框架 释放次轴力 KJ3 注 KJ1 KJ3 截面参数除 2 2 截面无钢骨外 同 KJ2 KJ3 在柱脚处向上 100mm 处留设后浇带 待预应 力张拉完成后进行后浇 钢骨采用材料Q235 混凝土为C35 预应 力筋采用强度标准值为1860MPa的钢绞线 试 验中预应力张拉应力为1295MPa 有效预应力 平均值为999 1MPa 6 有限元计算结果 6 1 位移 荷载曲线 图12 图 12 三种框架梁跨中荷载 位移曲线 对模型施加预应力后 梁端无钢骨预应力混 凝土框架梁跨中的反拱值为3 01mm 梁端设钢 骨 预 应 力 混 凝 土 框 架 梁 跨 中 的 反 拱 值 为 2 43mm 增加钢骨后反拱值减小19 3 梁端无钢骨预应力混凝土框架梁 KJ1和 KJ3 跨中位移荷载曲线大值可以分为3段 第 一段 自受载至梁截面开裂 荷载位移曲线接近 直线 第二段 随着荷载的增加 梁端无钢骨预 应力混凝土框架梁跨中荷载位移曲线出现明显 的非线性 相同的荷载增量下位移增量加大 第 三段 在200kN左右时 荷载位移曲线接近水 平 即将到达极限荷载 极限破坏时 跨中位移 值为70 67mm 梁端设钢骨预应力混凝土框架梁 KJ2 跨 中位移荷载曲线同梁端无钢骨情况类似 也可大 致可以分为3段 第一段 自受载至梁截面开裂 荷载位移曲线接近直线 第二段 随着荷载的增 加 框架梁荷载位移曲线出现不太明显非线性 相比梁端无钢骨情况 梁端设钢骨的位移荷载曲 线更接近直线 通过这个阶段的荷载位移曲线可 以看出 相同荷载下梁端增设钢骨的框架梁跨中 位移值较小 表现出其良好的使用性能 第三段 这个阶段的特点是钢骨部分截面屈服 随荷载的 增加 位移值迅速增加 很小的荷载增量后 结 构到达极限状态破坏 极限破坏时 跨中位移值 为98 18mm 6 2 梁端无设钢骨预应力混凝土单层单跨框架 释放次轴力 KJ3受力性能分析 本文中KJ1与KJ3均在东方体育中心项目 中进行过预应力框架梁试验 由于试验技术原 因 仅有KJ3获得了实验数据 因此 本文对 框架KJ3的试验结果和ANSYS计算结果进行对 156 比分析 来验证本文模型建立的可靠性 见表2 表3及图13 表2 KJ3跨中开裂荷载 框架种类 理论开裂荷载 kN ANSYS 分析荷载 kN 试验值 kN KJ3 81 8 67 7 85 表3 KJ3极限承载力 框架种类 理论极限荷载 kN ANSYS 分析极限荷载 kN 试验极限荷载 kN KJ3 202 1 199 2 180 图 13 KJ3 荷载 位移曲线 从荷载位移曲线可以看出 本文建立的模型 同试验得到的位移荷载曲线整体趋势上比较相 近 极限承载力也基本相同 开裂荷载比试验值 低 一方面刚产生裂缝时 不易观察 另一方面 裂缝产生于集中荷载处 有应力集中现象 图 14 KJ1 次弯矩图 kN m 图 15 KJ3 次弯矩图 kN m 通过分析图14 图15 可以看出KJ3与 KJ1的位移荷载曲线基本一致 两者的截面相 同 仅由于KJ3释放掉次轴力 引起次内力变 化 对于框架梁而言 两者次弯矩相差不大 当 荷载较大时 次内力的值相对截面的外力作用 影响较小 在相同边界条件下 两者荷载位移曲 线接近是必然的结果 通过以上分析 本文建立 的模型与试验结果基本一致 是可靠的 6 3 梁开裂分析 由表4中理论和有限元计算得到的开裂荷载 可以看出 梁端增设钢骨对框架梁跨中截面开裂 影响不大 有限元分析比理论分析得到的开裂荷 载低 在梁跨中截面开裂时 框架柱和框架节点 均以发生破坏 此时部分截面已经出现比较明显 的非线性 构件刚度发生变化 引起跨中截面开 裂荷载降低 另外 裂缝最先出现于加载点下方 理论上跨中应处以等弯矩区段 因此集中荷载产 生的局部应力集中也对混凝土裂生影响 157 表 4 梁端有无钢骨框架梁跨中开裂荷载 框架种类 理论开裂荷载 kN ANSYS 分析荷载 kN KJ1 无钢骨 76 2 61 4 KJ2 设钢骨 77 6 61 4 6 4 正常使用极限状态 正常使用极限状态见表5 表 5 梁端有无钢骨框架正常使用极限状态 荷载 kN 梁端无钢骨 KJ1 mm 梁端设钢骨 KJ2 mm 差值比 86 4 11 74 9 00 23 1 98 9 14 58 11 07 24 1 125 0 21 10 15 51 26 5 148 9 27 60 19 75 28 4 167 7 33 50 23 39 30 2 198 9 56 08 29 96 46 6 211 4 32 86 取梁的计算跨度为8 2m 根据混凝土结构设 计规范 GB50010 2002 其跨中允许挠度为 0 250 8200 25032 8mml 梁端无钢骨预应力框架梁到达正常使用极 限状态时 设钢骨的梁尚未到达这一状态 其挠 度仅为无钢骨情况的70 因此还有较大的承 载能力 当梁端设钢骨预应力框架梁到达正常极 限状态时 梁端无钢骨框剪梁已经到达承载力极 限状态 7 5 承载力极限状态 承载力极限状态见表6 表6 梁端有无钢骨框架极限承载力 框架种类 理论极限荷载 kN ANSYS 分析极限荷载 kN误差 1 梁端无钢骨 KJ1 208 2 205 2 1 4 梁端设钢骨 KJ2 247 8 300 0 21 相差 19 0 46 0 从理论和有限元分析结果均可看出 梁端增 设钢骨能有效地提高框架的承载能力 其主要还 是通过增加钢骨 提高梁端和节点的承载能力 并有效的增加节点的延性 本文所建立的模型 钢骨的增设提高了框架46 0 的承载能力 对于 大跨和重载结构来说是相当可观的数值 梁端设钢骨预应力框架承载力的误差 主要 有以下几个方面的影响 1 截面承载力计算方 法 目前还没有规范给出预应力钢骨混凝土截面 的承载力计算方法 众多学者采用的方法各有所 长 2 截面开裂和塑性铰的影响 随着截面开裂 构件的刚度发生变化 内力发生变化 塑性铰的 形成 将使结构内力发生重分配 7 结 语 在预应力混凝土梁端增设钢骨 能有效减小 梁的变形 提升结构的正常使用性能 对于大跨 度梁 这种性能是决定性的 还能够提高材料的 利用率 梁端增设钢骨 对本文建立的预应力混 凝土框架模型中梁截面的开裂影响不大 从理论 分析和有限元分析均可得出梁端有无钢骨 其开 裂弯矩均大致相同 极限状态时 梁端增设钢骨 的预应力混凝土框架开裂程度较梁端无钢骨情 况大 梁端设钢骨能够提高梁的承载能力 梁端 设钢骨预应力混凝土框架梁跨中位移荷载曲线 大质可以分为三段 第一段 自受载至梁截面开 裂 荷载位移曲线接近直线 第二段 随着荷载 158 的增加 框架梁荷载位移曲线出现不太明显非线 性 直至钢骨出现屈服 第三段 这个阶段的特 点是钢骨部分截面屈服 随荷载上升 位移值迅 速增加 直至极限荷载 目前 我国经济飞速发展 城市化趋势进一 步加速 土木工程领域 其明显特征就是巨型建 筑大量兴起涌现 建筑结构不断向大跨度 超高 层趋势发展 体现了人们对住房各项功能要求日 益的提高 梁端设钢骨预应力混凝土梁 作为一 类较特殊的构件 拥有跨度大 自重轻 节省材 料 截面尺寸小及改善结构功能等突出优点 能 够有效解决钢结构柱或钢骨混凝土柱与预应力 梁连接问题 并减小挠度 提高结构的使用性能 目前国内外对梁端设钢骨预应力混凝土梁的研 究不多 但其在工程实践中已有一定程度的应 用 可以预见不远的将来其必然有广阔的发展应 用前景 参考文献 1 傅传国 娄宇 预应力型钢混凝土结构试验研究及 工程应用 M 北京 科学出版社 2007 2 王新敏 ANSYS 工程结构数值分析 M 北京 人 民交通出版社 2007 3 美国 ANSYS 公司 Theory Reference Z 北京 美国 ANSYS 公司北京办事处 2007 4 美国 ANSYS 公司 ANSYS 结构分析指南 中 结构非线性 Z 北京 美国 ANSYS 公司北京办事处 5 中华人民共和国国家标准 混凝土结构设计规范 GB50010 2002 S 159 在考虑 5 ll5 和 Epc 后 对 混凝土结构设计规范 的两个推导的补充 杨华雄 北京中建建筑科学研究院有限公司 北京 100076 摘 要 在考虑 5 ll5 及 Epc 后 对等效不带次弯矩的预应力混凝土梁的承载力公式的推导进行了补充说明 关键词 预应力混凝土梁 不带次弯矩的公式 5 ll5 Epc ADDITIONAL REMARKS OF TWO DERIVATION TO CODE FOR DESING OF CONCRETE STRUCTURES AFTER CONSIDER 5 ll5 AND Epc Yang Huaxiong Beijing Building Research Institute Co Ltd of CSCEC Beijing 100076 Abstract After consider 5 ll5 and Epc additional ramarks of the derivation for equivalent formula without secondary moments of load carrying capacity in P C beam Keywords P C beam formula without secondary moments 5 ll5 Epc 0 引 言 为了避免次弯矩的计算 作者在 对的两个推导 1 一文中 推导了等效 不带次弯矩的预应力混凝土梁的承载力公式 本文在考虑 5 ll5 和 Epc 后 对公式推导进 行了补充说明 1 在考虑 5 ll5 和 Epc 后的补充说明 根据 对的两个推导 1 rp pnyssysspypppopypp 2222 xxxx MMN ef A hf A af A hfA a 1 式中在考虑 5 ll5 及 Epc 后 popeEpc ss pppeppe pp l5l5 AA NAA AA ss p pnppepnppepnspnsnspnsn pp l5l5l5l5 AA N eAyAyA yyA yy AA pepeconcon123455 llllllll 3l 为结构弹性压缩引起预应力损失 对式 1 继续推导如下 160 ryssyss ss pype5pppe5pp pp ss peEpc55pypp pp ss ppe5pnppe5pn5spnsn5 pp 22 22 2 ll ll llll xx MMf A hf A a AxAx fA hA h AA AAx fA a AA AA AyAyA yy AA spnsn yssyss ss pype5pppe5pppn pp ss pe5pppnEpc5pypp pp 5spnsn5spnsn 22 22 22 ll ll ll A yy xx f A hf A a AxAx fA hA hy AA AxAx A ayfA a AA A yyA yy 由于 ppnppnN hyayh ss ppeppep pp l5l5 AA AAN AA 故有 ryssyss ss pype5ppEpc5pypp pp pN5spnsn5spnsn 22 22 2 ll ll xx MMf A hf A a AxAx fA hfA a AA x NhA yyA yy 由于 s a p 2 x a 最终有 ryssyss ss pype5pppy5Epcpp pp pN5spnsn5spnsn 22 22 2 ll ll xx MMf A hf Aa AxAx fA hffAa AA x NhA yyA yy 2 根据以上推导可见 1 在假定力筋合力中心与普通钢筋合力中心 重合后 式 2 中最后两项为零 可不考虑 而 对于超静定结构 若两中心不重合 出现两个预应 力迹线 力筋 pn y与普通钢筋 sn y 的作用力 则计 算过于复杂 也只宜按重合简化处理 2 5l 5l 的影响主要是降低了素混凝土截 面有效预应力值 降低为 s 5 p l A A s 5 p l A A 它实质 是一种约束内力 次内力 即力筋的有效预应力 未完全传递给素混凝土截面 而被普通钢筋分散掉 的那一部分 它对素混凝土截面抗裂有一定降低 但对承载力影响不大 因为 py f中又增加了 s 5 p l A A 而 py f项中虽然有降低 但由于 p 2 x a 值一般 很小 可不考虑 3 Epc 对整个计算只影响 py f 影响很小 可不予考虑 161 2 结 论 在考虑 5l 5l 及 Epc 后 可只简单将 5l 5l 值分别乘一个放大系数 s p 1 A A s p 1 A A 计算素混凝土截面 p N ppn N e值 即 并以 p N ppn N e去计算超静定结构在素混凝 土截面上的综合轴力 r N及综合弯矩 r M 并进行抗 裂验算及承载力计算 当 s p A A s p A A 很小时 比如在整体预应力装配式 板柱结构 IMS 体系 中 此放大系数可取为 1 在考虑其它约束轴力之后 式 2 最后应为 s ryssyssrNpype5pppypp p 22222 l xxxAxx MMf A hf AaN hfA hf Aa A 3 参考文献 1 杨华雄 对混凝土结构设计规范的两个推导 建筑科技情报 2009 年第 2 期 建筑杂志 2009 15 期 17 期 ss ppcon12pcon12 pp 1 1 lll3l4l5lll3l4l5 AA NAA AA ss p pnpcon12pnpcon12pn pp 1 1 lll3l4l5lll3l4l5 AA N eAyAy AA 162 对 P C 结构的结构重要性系数0 及次弯矩调幅的讨论 杨华雄 北京中建建筑科学研究院有限公司 北京 100076 摘 要 讨论了在预应力混凝土结构中 p 与 o 与 的关系 关键词 o 结构重要性系数 p 预应力作用的分项系数 次弯矩的调幅系数 综合弯矩的调幅系数 THE DISCUSSION TO STRUCTURAL SAFETY IMPORTANCE FACTOR o AND SECONDARY MOMENT MODIFIED Yang Huaxiong Beijing Building Research Institute Co Ltd of CSCEC Beijing 100076 Abstract This paper discusses the ralations between p and o and in P C structure Keywords o structural safety importance factor p partial safety factor for action of prestress secondary moment modified factor total moment modified factor 0 引言 目前 在预应力混凝土结构规范修订中 对 p 与 o 与 之间关系存在争论 本文参加 讨论 1 讨论 1 1 按力筋两重性 将力筋作用进行分解 pyppppypppp f AAfASR 式中 p S 预应力荷载 可分为外荷载和内 荷载两种 p R 力筋富余抗拉材料 则 GB50153 8 2 4 2 式可精确如下 当 p S对结构不利时 p S是外荷载 破坏荷 载 pcon 0dppdp SSRR 1 当 p S对结构有利时 p S是内荷载 平衡荷 载 抵消荷载 ppe 0dppdp SSRR 2 式中 dGG SS 其它 不含P项 P代表 预应力作用 说明 1 对结构不利时 p S 是外荷载 属 破坏荷载 如端局压 张拉阶段反向荷载 应 乘 0 也应乘 p 2 P S 对结构有利时 p S 是内荷载 平 衡荷载 抵消荷载 不是外荷载 不乘 0 但 应乘 p 3 p R 是材料 不乘 0 也不乘 p 内荷载和材料都是抵抗项 都不能乘 0 163 1 2 关于次弯矩 2 M调幅 公式 r12 MMM r M 总弯矩 1 M 主弯矩 2 M 次弯矩 由于 1 M主弯矩是静定结构上的弯矩 不存 在调幅 也不可能调幅 2 M次弯矩 在结构截 面上并不单独存在 单独存在的只是 r M总弯 矩 不可能对一个不单独存在的弯矩进行调幅 调幅应遵循以下原则 调幅前 2 M 总弯矩弹性值 主弯矩恒值 调幅后 2 M 总弯矩调幅值 主弯矩恒值 总弯矩调幅值应与常规等效荷载一样 跨 中的均布上抬力等效于均布荷载调幅 而柱端的 端偏弯不能调幅 现在许多次弯矩直接调幅公式都把次弯矩 当作真实总弯矩去调幅 这是出问题的根源 他 们把预应力次弯矩与许多结构上次生弯矩 如桁 架 相混淆 那些次生弯矩是真实存在的 也是 单独存在的 另外 预应力总弯矩的调幅与许多 荷载弯矩的调幅一样不必在大规范中进行规定 因为很复杂 原来的 GBJ10 89 GB50010 2002 中就是这样处理的 特别是不要给调幅公式 有一个六角柱网板柱结构 图 1 通过试 验 梁 2 支座弯矩主要向 1 3 支座上调幅 并 不是向跨中调幅 则调幅公式都不能用 图 1 六角钢网板柱结构示意 164 天津梅江会展中心张弦桁架的施工 朱奕锋 1 张利军 1 姚松凯2 吴向东1 徐泰光1 1 中冶建筑研究总院有限公司 北京 100088 2 北京炎黄联合国际建筑设计有限公司 北京 100081 摘 要 天津梅江会展中心钢屋盖由 32 榀张弦桁架组成 跨度为 89m 柱距为 15m 该工程工期紧 索的重量大 放索和张拉的难度大 根据该工程的难点 制定相应的张拉方案和施工顺序 圆满的完成了施工任务 同时介绍了 张弦桁架放索 安装和张拉等施工工艺 关键词 张弦桁架 钢索 张拉 监测 CONSTRUCTION OF STRING TRUSS IN CONFERENCE EXIBITION CENTER OF TIANJIN MEIJING Zhu Yifeng1 Zhang Lijun1 Yao Songkai2 Wu Xiangdong1 Xu Taiguang1 1 Central Research Institute of Building 2 Beijing Yanhuang United International Engineering Co Ltd Beijing 100081 Abstract The steel proof in Conference Exibition Center of Tianjin Meijing is made up of 32 string trusses its column spacing is 15 meters and span is 89 meters Not only time limit for the project was short but also the cable had great weightness and it was hard to place cable and tense according to difficulty of the project tensing scheme was shaped and the task was accomplished satisfactorily the technology of place installation and tensing cable was introduced meanwhile Keywords truss string structure steel cable tension monitoring 1 概 述 天津梅江会展中心是 2010 年 9 月夏季达沃 斯论坛的主会场 面积大 工期紧 建筑面积约 9 8 万 m2 有四个主展厅和一 些小展厅组成 其中主展厅长 120m 宽 105m 柱高最低为 20m 最高为 30m 主展厅的钢屋盖 承重结构采用张弦桁架 屋面为轻型复合屋面 张弦桁架的主跨度为 89m 主跨两侧各悬挑 7 5m 柱距 15m 一侧柱顶比另一侧高 2 25m 张弦桁架采用剖面呈倒三角形的空间管桁架 图 1 图 3 钢桁架的高度为 2 5m 跨中撑杆的高 度为 8m 撑杆采用圆钢管 均匀地布置 9 根 下弦索采用的是 7 265 半平行钢丝束 垂直于 张弦桁架的方向 每隔 18m 采用三角形管桁架 把每榀张弦桁架连成整体 张弦桁架的构件选以 下截面 除拉索外 钢材均采用 Q345B 下弦支 座 处 选 用 圆 钢 管 480 24 下 弦 跨 中 选 用 457 19 上弦支座处选用 377 14 上弦跨中选 用 406 16 支座处腹杆选用 245 8 跨中腹杆 选用 203 8 上弦水平拉杆和水平斜拉杆选用 180 8 撑杆选用圆钢管 325 8 2 整体张拉思路 2 1 索的安装和张拉难点 1 由于索的重量大 每延米达 80kg 单根 索达 8 5t 含索头 因此放索和索的安装就位 难度大 2 由于索头采用墩头锚具 单个索头 图 4 约 400kg 需穿过桁架铸钢支座 图 5 的孔 锚固 因此索头的安装非常困难 3 索的张拉难度大 由于张弦桁架的最高 端位于 29m 高的柱顶 且在设计荷载作用下索 力达到 540t 张拉力大 相应的千斤顶和张拉工 装都很大 165 图 1 工程效果图 图 2 三维空间模型 图 3 单榀张弦桁架示意 图 4 墩头锚具 图 5 铸钢节点 2 2 索的安装和张拉思路 根据以上难点 为避免高空安装和张拉的困 难 采取如下的安装和张拉思路 首先 按照理想模型在地面拼装完单榀张弦 桁架后 一次张拉到位 该阶段为通过千斤顶对 张弦桁架主动施加力的过程 其次 把该榀张弦桁架吊装到柱顶就位 此 时桁架支座允许滑移 安装完次桁架和屋面结构 后 固定桁架支座 并对张弦桁架的上弦变形进 行监测 该阶段为张弦桁架通过外荷载被动受力 的过程 2 3 施工过程验算 根据以上施工思路 进行下列施工过程验 算 1 单榀张弦桁架的张拉验算 荷载为 桁架自重和张拉力 支座为一端固定 另一 端滑动 2 单榀张弦桁架的吊装验算 荷载为桁架 自重和张拉力 两端各有四个吊点 3 整体张弦桁架的施工验算 荷载为桁架 自重 张拉力和次桁架及屋面自重 支座为一端 固定 另一端滑动 这些计算过程的模拟完全与实际施工过程 一致 同时要求胎架的制作与计算假定吻合 计 算结果完全符合规范要求 因此该施工方案可 行 3 张弦桁架施工流程 张弦桁架采用图 6 所示的施工流程 166 图 6 张弦桁架的施工流程 3 1 胎架布置及索安装和张拉平台 1 胎架布置 张弦桁架放在图 7 所示的胎架上 中间 的胎架高约 12m 高端胎架高 8m 低端胎 架高 6m 两端的胎架高差约 2m 与实际柱 顶高差一致 胎架与桁架接触面之间放置光 滑的钢板 并涂上黄油 以减轻张拉时桁架 与胎架之间的摩擦力 由于端部胎架受到的 摩擦力较大 增加斜杆抗倾覆 2 索安装和张拉平台 每个区第一榀张弦桁架采用双端张拉 其它采用一端的低端张拉 张拉端设置在低 端 滑动端设在高端 在张拉端和固定端都 应设置操作平台 操作平台考虑千斤顶 张 拉工装和 3 4 名操作人员的空间 操作平 台主要采用扣件式脚手架 按照 建筑施工 扣件式钢管脚手架技术规范 搭设 具体设 置见图 8 图 7 胎架布置 167 图 8 临时脚手架布置示意 3 2 放 索 索在地面开盘 索头放在预先制作的小 车上 借助导链牵引放索 图 9 为防止索体在移动过程中与地面接触 损坏拉索防护层或损伤索股 在地面沿放索 方向间距 2 5m 左右铺设一些圆钢管 以保 证索体不与底面接触 同时减少了与底面的 摩擦力 图 10 由于索的长度要长于跨度 索展开后应 与轴线倾斜一定角度才能放下 因此牵引方 向要与轴线倾斜一定角度 并牵引时使索基 本保持直线状移动 图 9 索的牵引 图 10 放索示意 3 3 索头安装 将牵引端的索头安装就位 再安装另一 端 在索体未进节点孔时用一只 2t 导链将 索头位置吊起 微调至节点孔内 同时用另 一只5t牵引导链或60t千斤顶通过牵引绳牵 引索头 由于节点洞口离索头位置有约 4m 距离 另一端索头要向内移动才能穿入 采 用一只5t导链在钢桁架跨中将索尽量吊起 吊起后索体成抛物线状 克服 4m 的长度 整个索头的安装过程中采用一台吊机随时 辅助配合 图 11 图 13 为索头的安装过程 图 11 索牵引头安装 图 12 索头吊起 图 13 索头穿过铸钢孔 3 4 索体就位及索球安装 1 索的下料 索的下料长度要充分考虑张拉力值 索 的加工误差 钢结构的误差 温度 预张拉 等综合因素 要求必须保证相关误差标准如 下 索的长度应是出厂前预拉伸后的长度 加工误差小于 20mm 按 1 5000 误差要 求 钢结构拼装后误差满足钢结构相关规 范要求 整个张弦桁架长度方向误差不超过 20mm 索的下料长度为 92223 mm 考虑 到索张拉时的变形 经过计算 在出厂前在 索体上标识好索球的位置 图 14 以方便 施工 钢索 圆钢管 牵引 168 图 14 拉索标识位置 2 索球安装 索两头引入铸钢支座后 螺母拧紧至两端索 体拉杆最边缘到支座的距离相等 沿索体设置若 干个 2t 导链 具体位置在相应撑杆附近 利用 导链将索吊起至各撑杆节点下 组织施工人员按 索体上标识的位置进行索体就位并安装索下半 球 图 15 图 15 索球安装示意 图 16 张拉工装详图 3 索球安装考虑以下两个方面 a 索张拉时 必须保证索球能细微的转动 如果撑杆与索球结点上半部分在张拉安装前固 定死 往往会出现与索的角度出现细微的差别而 产生局部不均匀受力 b 球形索夹用来夹持钢索 但钢索外层有 PE 层 而且由整个张弦桁架的形状可知撑杆并 不是垂直 这造成索夹部位要传递一部分索的不 平衡力 因此索球螺栓拧紧的程度很关键最终根 据球形索夹及钢索厂家提供摩擦力等相关参数 由设计或相关计算人员共同确定索球螺栓的拧 紧力值 索在安装索球前剥去索夹段的缠裹包 装 这时索球螺母第一次拧紧 用测力扳手监控 拧紧力矩 因为索体在安装和张拉时有变形 索球螺栓会变松 还需拧紧两次 第二次拧紧是 张拉结束 3 5 张拉设备及工装 经计算 索的张拉力约 140t 左右 单端张 拉 考虑四个展厅故选用 4 台 250t 千斤顶 根 据千斤顶型号 设计相应的张拉设备 该张拉设 备既要考虑承载力的要求 又要能够方便张拉和 锚固 根据本工程设计如图 16 所示的张拉工装 张拉时 千斤顶通过张拉杆带动索头端部 同时 拧紧索头螺母以实现张拉 索头螺母的拧紧主要 通过张拉撑脚的侧面预留孔进行操作 如图 17 所示 图 18 为张拉完展厅的全景图 图 17 张拉示意 图 18 张拉完展厅全景图 169 3 6 张拉时的技术参数及控制原则 控制原则 索力控制为主 变形控制为辅 主要技术参数 索力 P 杆件内力 桁架端 部水平位移 L 控制节点和跨中矢高 f 选择第一榀张弦桁架作为试验架 施工前用 仿真模拟张拉工况 以此作为指导试张拉的依 据 计算表明索拱达到变形控制点时所需张拉索 力为 137t 试张拉逐级加载分成 5 级 分别为 0 2 0 4 0 6 0 8 1 05 con 即 274 548 822 1096 1439kN 先测定张弦桁架中点的矢高 依次测定桁架端部水平位移 以及其他测点的位 移和内力 并及时在现场进行计算机辅助分析 调整下部张拉 试张拉完成后 整理出各张拉技术参数的控 制指标值 形成技术文件 用于指导正式张拉 正式张拉前 张拉设备和工具等辅助设备全部准 备及加工到位运至现场 张拉设备在有资质试验单位的试验机上进 行标定 千斤顶与油压表配套校验 并作主被动 标定 标定数据的有效期在 6 个月以内 张拉时 服从统一指挥 按张拉给定的控制 技术参数进行精确控制张拉 4 钢索的张拉监测 为保证结构在施工期的安全 并使预应力钢 索张拉与设计相符 必须进行预应力钢索张拉阶 段的监测 包括索拉力监测和变形监测 本工程施工阶段监测包括两部分内容 一部 分为预应力钢索的受拉应力监测 一部分为结构 的变形监测 在预应力钢索进行张拉时 钢结构部分 会随之变形 钢结构的位移与预应力钢索的 拉力是相辅相成的 即可以通过钢结构的变 形计算出预应力钢索的应力 基于此 在预 应力钢索张拉的过程中 结合施工仿真计算 结果 对钢结构变形监测保证预应力施工安 全 有效 施工完成后 监测实测值与理论计算比 较如下 张拉伸长量与理论误差在 5 以内 桁架跨中反拱位移测量值与理论值相差 10 以内 这些结果表明本工程的张拉比较 理想 符合施工验收规范和设计要求 5 结 论 由于对张弦桁架进行科学的施工过程 分析 制定合理的施工方案 从进场到离场 总共花费 55d 时间 四个展厅的 32 榀张弦 桁架 22d 内完成放索和张拉 并配合总包安 装到位 创造了 三天四榀 的钢结构张拉安 装新速度 参考文献 1 黄明鑫 大型张弦梁结构的设计与施工 M 山 东科学技术出版社 2005 3 2 卫东 王志刚 刘季康 等 全国农业展览馆中 西广场展厅张弦桁架屋盖设计 J 建筑结构 2006 36 6 76 79 3 中冶集团建筑研究总院建筑工程检测中心 天 津梅江会展中心张弦桁架施工监测检测报告 R 北京 2009 170 贵阳奥林匹克体育中心主体育场 预应力施工技术 王泽强 1 蔡兴东1 王 丰1 贺振科2 尹昌洪2 1 北京市建筑工程研究院 北京 100039 2 中建钢构有限公司 武汉 武汉 430064 摘 要 贵阳奥林匹克体育中心体育场为大悬挑预应力钢结构 西看台屋盖桁架上部有 16 根预应力拉索 本文详细 介绍了该工程的预应力施工过程 采取分级对称张拉方法 第 1 级张拉完成后拆除支撑 对张拉过程中钢结构应力 拉索索力 结构竖向变形等进行施工监测 结合施工仿真计算结果 提出了监测结果的合理性和正确性 关键词 大悬挑预应力钢结构 仿真计算 施工监测 施工技术 PRESTRESSED CONSTRUCTION TECHNOLOGY OF THE MAIN STADIUM IN GUIYANG OLYMPIC SPORTS CENTER Wang Ze qiang Cai Xingdong Wang Feng He Zhen ke Yin Chang hong 1 Beijing Building Construction Research Institute Beijing 100039 China 2 China Construction Steel Structure Co Ltd Wanhan Abstract The main stadium in Guiyang Olympic Sports Center is large cantilever prestressed steel structure There are sixte en cables in the top of west roof truss The process of prestressed construction is introduced in the article The symmetrical and grading methods of tension are used The support is moved after the first grade 1 of completion The steel stress the cable force and the distortion in the prestressing process were monitored According to the construction simulation results the rationality and correctness of monitoring results were proved Keywords large cantilever prestressed steel structure simulation calculation construction monitoring construction technology 1 工程概况 贵阳奥体中心主体育场工程为贵阳奥体中 心一期建设工程 已被列为全省重点项目和贵阳 市 2008 年 十件实事 之一 工程占地 465 亩 建筑面积 78392 项目建设工期为两年半 工 程投资7 9亿元 贵阳奥体中心不仅将作为2011 年第九届全国少数民族传统体育运动会的举办 场馆 而且也为将来承办 全运会 城运 会 等全国性综合比赛及部分项目的国际单项 比赛奠定了基础 整体结构效果图及实物照片如 下图 1 所示 本工程西边看台屋顶采用双向弯曲桁架交 错组成 屋盖钢结构沿环向长度约为 410m 沿 径向长度约为 69m 在屋面中部区段设置屋面支 撑 屋面桁架最大悬臂长度为 49m 为满足结构 刚度及控制结构位移要求 使结构造型得以实 现 在屋面桁架上弦设置了 16 根预应力拉索 预应力拉索规格为 5 127 缆索材料采用包 双层 PE 保护套 锚具采用外露式的索头和调节 套筒 钢索内钢丝直径 5mm 采用高强度低松弛 冷拔镀锌钢丝 抗拉强度不小于 1670MPa 屈服 强度不小于 1410MPa 钢索抗拉弹性模量 E 不小于 1 9 10 5MPa 西看台结构拉索布置及剖 面图见图 2 所示 171 图 1 贵阳奥林匹克体育中心体育场效果图及实物照片 图 2 结构三维图及剖面 2 施工流程 施工流程见图 3 搭设支撑塔架 小块地面拼装 高空对接 完成钢结构安装 在钢结构上搭设放索马道 安装拉索 搭设张拉操作平台 拉索在工厂制作 运至现场安装地面 施 工 仿 真 计 算 校 核 第一级张拉 40 初张力 调整索力 全站仪监测结构变形 振弦应变计监测结构应力 第二级张拉 70 初张力 第三级张拉 100 初张力 拆除支撑 图 3 施工流程 172 3 施工仿真计算分析 3 1 施工仿真计算的目的 施工仿真计算实际上是预应力钢结构施工 方案中及其重要的工作 因为施工过程会使结构 经历不同的初始几何态和预应力态 这样实际施 工过程必须和结构设计初衷吻合 加载方式 加 载次序及加载量级应充分考虑 且在实际施工中 严格遵守 在施工中严格地组织施工顺序 确定 加载 提升方式 准确实施加载量 提升量等是 必要的 1 验证张拉方案的可行性 确保张拉过程 的安全 2 给出每步张拉的钢索张拉力大小 为实际张拉时的张拉力值的确定提供理论依据 3 给出每步张拉的结构变形及应力分布 为张 拉过程中的变形及应力监测提供理论依据 4 根据计算出来的张拉力的大小 选择合适的张拉 机具 并设计合理的张拉工装 5 确定合理的 张拉顺序 3 2 施工仿真的计算方法 为准确模拟预应力实际施工过程 本次计算 采用 Midas 进行施工仿真计算模拟分析 按照设 计提出的累积加载法 进行预应力施加过程计 算 具体计算边界及其它条件如下 1 按照设计图纸建立 Midas 有限元计算模 型 支座约束形式按照设计图纸及设计要求进行 建立 并建立施工过程中的脚手架支撑 2 计 算过程中使用累积加载方法进行施工过程计算 分析 采用 Midas 自带施工阶段分析 计算过程 每步计算过程都是在前一步计算基础上进行的 即每步都考虑了前一步计算的影响 3 计算模 型跟实际情况相同 在拉索两张拉端施加初张 力 计算模型考虑节点摩擦等预应力损失 按照 2 预应力损失 3 3 施工仿真的计结果分析 本工程采用有限元计算软件 midas 为计算 工具 对该结构施工过程进行仿真计算 计算模 型如图 4 示 全部张拉完成后结构竖向变形 钢 索轴力 钢结构应力见图 5 7 示 midas Gen POST PROCESSOR DISPLACEMENT Z 方向 6 0 10 17 25 33 40 48 56 63 71 79 STAGE 第3级张拉8 CS 合计 最后 MAX 2143 MIN 2789 文件 屋面屋条 荷载 单位 mm 日期 07 10 2010 表示 方向 X 0 321 Y 0 689 Z 0 649 图 4 有限元计算模型 图 5 结构竖向位移 mm midas Gen POST PROCESSOR TRUSS FORCE 只只拉 只只只 1221 1203 1186 1168 1151 1133 1116 1099 1081 1064 1046 1029 STAGE 第3级张拉8 CS 合计 最后 MAX 85846 MIN 85920 文件 屋面屋条 荷载 单位 kN 日期 07 10 2010 表示 方向 X 0 000 Y 0 000 Z 1 000 midas Gen POST PROCESSOR BEAM STRESS 组合 最大值 102 83 64 45 26 0 12 31 50 69 88 107 STAGE 第3级张拉8 CS 合计 最后 MAX 85353 MIN 25468 文件 屋面屋条 荷载 单位 N mm 2 日期 07 10 2010 表示 方向 X 0 371 Y 0 644 Z 0 669 图 6 拉索索力 kN 图 7 钢结构应力 MPa 173 通过施工仿真计算结果得出如下结论 1 第 1 级张拉过程中结构竖向位移变化 比较小 拆除支撑后 结构最大向下位移