16王永泉-大型索承网壳张拉成形方法对比分析

中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文 2006 年 大型索承网壳张拉成形方法对比分析 王永泉 郭正兴 罗斌 东南大学土木工程学院 南京 210096 提 要 本文采用大型有限元分析软件对常州体育馆索承单层网壳的施工过程进行分析 并通过比较张 拉机具 张拉力误差及施工工艺的难易程度 选择了一种对于该结构而言较为优化的张拉成形方法 关键词 索承网壳 张拉成形方法 张拉机具 张拉力误差 随着社会的进步和人民生活水平的提高 人们对更加新颖 更大跨度的建筑物需求日 益增加 因此 新型的杂交空间结构便应运而生 各种空间杂交结构在大型体育场馆及展 览馆中的应用 已经体现了其较大的发展优势 杂交空间结构是将不同类型的结构进行组 合而得到的新型结构体系 它能够发挥不同类型结构的优点 起到扬长避短的作用 索承网壳 suspend dome 是由日本学者 M Kawaguchi 于 1993 年提出的一种新型的 杂交结构形式 1 系由上层网壳 撑杆及预应力拉索组成 是一种综合了网壳结构和索 穹顶优点的新颖的杂交结构 通过杂交而得到的索承成网壳一方面改善了网壳的稳定性 使该结构能够适应更大跨度建筑物的需求 另一方面也使得其在设计与施工方面相对于索 穹顶张拉整体结构显得较为简化 索承网壳结构体系作在空间结构领域已取得了一定的发展 并在国内外小规模的工程 实践 2 3 如日本的 Hikarigaoka 和 Fureai 体育馆 国内的昆明柏联广场采光中庭 天津开发区商务中心大堂 今年刚刚建成的武汉市体育馆又开创了大型索承网壳结构的工 程实践 这些结构的建成为索承网壳的设计与施工的研究积累了宝贵的工程经验 1 工程背景 本文以中国建筑西南设计研究院设计 的常州体育馆索承单层网壳为工程背景 对比分析了大型椭球型索承网壳各种张拉 成形方法的优缺点 常州市体育馆屋盖形状为椭球形索承 单层网壳 图 1 椭圆形平面的长轴 119 872m 图 1 常州体育馆钢屋盖 索成单层网壳 短轴 79 9147m 椭球形屋盖的矢高 21 45m 整个屋盖曲面面积为 9359 939m2 覆盖面积 为 7502 282m2 屋盖采用索承单层网壳结构 其由上部的网壳和下部的张拉索杆体系以及中间的撑杆 王永泉 男 1981 12 出生 博士研究生 中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文 2006 年 构成 是传统索穹顶与空间网壳结构的混合体 作为新型的杂交结构体系 该结构具有时 代气息 用钢量小 结构轻盈 钢结构杆件类型较少 节点构造简洁 施工方便等优点 该索承网壳的网壳为单层网壳 其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 网壳杆件采用圆钢管 径向杆与环向杆相交节点均采用相贯线节点 该索承单层网壳的索系为 Levy 索系 由环向索和径向索构成 共设 6 环 撑杆采用圆钢 管 上下端铰接 2 索承网壳的张拉成形方法对比分析 索承网壳的拉索张拉方法通常有三种 即张拉径向索 张拉环向索和调节撑杆张拉 1 环索张拉 即通过仅张拉环向索 从而在径向索和撑杆乃至整个结构中建立设计 所需的预应力 2 径向索张拉 即通过仅张拉径向索 从而在环向索和撑杆乃至整个结构中建立设 计所需的预应力 3 调节撑杆张拉 即预先缩短撑杆的长度 通过顶撑伸长撑杆 在环向索和撑杆乃 至整个结构中建立设计所需的预应力 对于预应力结构而言 人们最关心的往往是施工结束后的预应力态 希望结构施工完 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 也就是说 在张拉顺序一定的情况下 从最外环向最内环张拉 拉 索无论采用何种张拉方法 仅是相应的节点构造 张拉机具 施工工艺等不同 而对结构 本身的施工阶段和使用阶段的状况均没有影响 本文主要从张拉机具 张拉力误差分析及施工工艺这三个方面以常州市体育馆索承网 壳的张拉成形工艺进行对比分析 2 1 模型的计算分析 根据索承网壳的张拉成形顺序 从最外环向最内环张拉 分别计算该结构在张拉过 程中各环环向索和径向索索力 撑杆的顶撑力 计算分析可得 该结构的上层网壳刚度相 对较大 张拉过程中环与环之间的相互影响 较小 环向索和径向索索力及撑杆的轴力的 变化率均小于 8 据此 仅给出全部张拉结 束之后各环环索和径向索索力及撑杆的轴力 图 由于结构为椭球形 同一环内环向索索 力由短轴向长轴递减 图 2 而径向索索力 图 3 及撑杆轴力 图 4 则是由短轴向长 轴递增 即各环各个构件张拉力不等 为保 证结构在预应力施工结束之后 达到设计所 需的预应力态 需对该结构进行三种张拉成形方法的对比分析 以找出最合理的施工方法 中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文 2006 年 图 2 张拉结束后各环环索索力图 单位 N 图 3 张拉结束后各环径向索索力图 单位 N 图 4 张拉结束后各环撑杆轴力图 单位 N 2 2 张拉机具 根据理论计算结果 各张拉方法中不仅张拉的构件不同 而且张拉力 张拉点的位置 张拉机具类型及数量等都不同 见表 1 表 1 三种张拉方法张拉力及张拉机具表 张拉方法环向索张拉径向索张拉 撑杆张拉 施工张拉力 kN 77 66 118 9846 01 63 6227 52 27 63 张拉点 个 488 第一环 最内环 每点张拉设备2 台 100t 千斤顶2 台 20t 千斤顶1 台 20t 千斤顶 施工张拉力 kN 182 96 1225 5534 09 62 5918 06 22 09 张拉点 个 41616第二环 每点张拉设备1 台 100t 千斤顶2 台 20t 千斤顶1 台 20t 千斤顶 施工张拉力 kN 264 4 298 825 96 58 4212 14 17 04 张拉点 个 42424第三环 每点的张拉设备2 台 100t 千斤顶2 台 20t 千斤顶1 台 20t 千斤顶 施工张拉力 kN 569 3 629 680 42 134 2328 51 39 73 张拉点 个 42424第四环 每点的张拉设备2 台 100t 千斤顶2 台 20t 千斤顶1 台 20t 千斤顶 施工张拉力 kN 685 3 736 1131 49 177 3637 12 55 25 张拉点 个 42424第五环 每点张拉设备2 台 100t 千斤顶2 台 20t 千斤顶1 台 20t 千斤顶 施工张拉力 kN 1025 3 1137304 72 331 8369 5 97 68 张拉点 个 42424 第六环 最外环 每点的张拉设备2 台 100t 千斤顶2 台 20t 千斤顶1 台 20t 千斤顶 注 径向索张拉采用两根径向索同时张拉 如采用单根径向索张拉时张拉设备需翻倍 中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文 2006 年 从上表可见 在每环的同步张拉中环索张拉方法的张拉点数最少 4 个 所需张拉 千斤顶数量少 且千斤顶的张拉吨位要求也较易满足 而径向索和撑杆张拉方法的张拉点 数较多 8 24 个 所需张拉千斤顶数量多 2 3 张拉力误差分析 根据力的平衡条件 各环的环向索 径向索和撑杆的内力成一定的比例关系 根据理 论计算结果 表 2 列出了其比例关系 表 2 设计预应力状态下索力和撑杆内力表 构 件环向索径向索撑杆 内 力 kN 77 66 118 9847 34 63 6227 52 27 63 第一环 比 值10 560 28 内 力 kN 193 43 236 2253 98 66 2012 43 17 48 第二环 比 值10 280 07 内 力 kN 277 87 311 5537 54 58 9329 31 40 93 第三环 比 值10 160 12 内 力 kN 584 98 641 0596 05 124 8019 46 23 82 第四环 比 值10 180 04 内 力 kN 733 8 769 14143 86 187 4439 8 59 8 第五环 比 值10 220 07 内 力 kN 1068 9 1184 2321 58 345 4873 58 102 5 第六环 比 值10 300 08 从表中可以看出撑杆内力最小 与环向索的索力比值也最小 例如 最外环 第六环 撑杆内力仅为环索索力的 8 而环向索 径向索和撑杆内力的误差比例是相同的 即若 撑杆张拉时 撑杆张拉力误差 10 则在环索和径向索中也产生了 10 的索力误差 由于撑杆内力较小 张拉撑杆时较小的绝对误差 将在环向索 径向索中产生较大的 绝对误差值 即撑杆张拉法导致环向索和径向索索力误差放大 同理 正好相反 环向索 张拉方法将减小径向索和撑杆的内力误差 由于千斤顶缸体和活塞之间存在摩擦 大型空间结构工程高空张拉油管较长 千斤顶 和油泵之间落差较大 以及张拉节点的螺牙咬合等因素 引起张拉力误差 而且张拉力越 小 误差比例越大 即张拉撑杆比张拉环向索引起的误差比例大 一般小吨位千斤顶张拉力误差在 500kg 5kN 左右 例如 当采用撑杆张拉法张拉 第二环时 撑杆张拉力误差 5kN 将导致环向索索力误差 71 43kN 误差比例约为 33 2 4 张拉工艺 采用环向索张拉时 考虑环向拉索安装的方便 椭圆形索承网壳同环索索段力的差异 将每环环索分为四段进行张拉 在每个环索张拉点采用两台 100T 千斤顶进行同步张拉 中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文 2006 年 采用环向索张拉方法 实现同一环内环向索同步张拉的目标比较容易 同时也便于环索的 线形控制 采用径向索张拉时 按照径向索张拉之后预应力态与设计预应力态相同 确定出在张 拉过程每组径向索的调节量及张拉力 计算分析结果表明 每环内径向索的力大小不等 且同一点处两根径向索的索力也不等 同一环内径向索的数量多达 48 根 为保证椭圆形 环索的形状 要控制 48 根径向索实现同步张拉 所需的张拉设备及张拉控制方法比较复 杂 不便于结构的施工 采用撑杆顶撑时 为保证径向索和环向索的索力 撑杆顶升量约 21mm 844mm 特别 是最外环 第六环 顶升量较大 导致撑杆稳定性降低 而且同环内的撑杆顶升量差别较 大 易导致环向索不在一个水平高度上 影响环向索的线形型控制 此外 环向索为单索 时 在要求撑杆下端能够实现顶升的条件下 不易实现径向索 环向索和撑杆三轴线汇交 于一点 同时 要实现同环内撑杆的同步顶升 其所需的张拉设备也较多 操作难度较大 3 结论 本文通过对常州体育馆钢屋盖椭圆形索承网壳张拉成型方法分析对比 得出该结构形 式相对优化的张拉成形方法 其张拉对比分析结果见表 3 表 3 张拉方法对比表 张拉方法环向索张拉径向索张拉撑杆张拉 千斤顶吨位较 大一 般较 小 张拉点较 少较 多较 多 施工方便程度方 便一 般不方便 张拉误差控制较 好一 般较 差 根据张拉过程分析 以及三种施工方法的对比分析 采用环向索张拉成形的施工方法 能够比较准确地使该结构在张拉结束之后达到设计所需的预应力态 同时 采用环索张拉 所需张拉设备少 能够较好地控制张拉成形后环索的线形 本文所得出的结论是针对常州体育馆的椭圆形索承单层网壳这一特定的结构体系而言 的 在对不同的大型索承网壳进行张拉成方法比选时 应根据其具体的结构形式 索系的 疏密程度及索力的大小进行具