郭正兴绍兴山水馆弦支穹顶结构施工技术2014

绍兴金沙东方山水国际商务休闲中心弦支穹顶结构施工技术,东南大学国家预应力工程技术中心郭正兴罗斌,东南大学土木工程施工研究所2014年7月,一、工程概况,1.工程概况,绍兴金沙东方山水国际商务休闲中心位于绍兴鉴湖柯岩旅游度假区，总投资约80亿元，总用地面积约39万平方米，总建筑面积约100万平方米。,由以商务办公、酒店式公寓和五星级酒店为主的商业区，以室内山馆和水馆为主题的旅游区，和以高档低层住宅和高层住宅为主的住宅区三个功能区块组成。,1.工程概况,以室内山馆和水馆为主题的旅游区包括A、B、C、D、E、F六个场馆，其中A、B、C三馆钢结构主体部分结构形式类似，都为钢桁架弦支穹顶组合网壳结构，即结构外围区域为钢桁架组合网壳，而中心区域为弦支穹顶。,二、结构特点,2.结构特点,以C馆为例：屋盖结构体系采用“钢桁架弦支穹顶组合网壳结构”。,由上部弦支穹顶、中央环桁架、径向桁架、下部屋面网壳组成。借鉴巨型结构体系概念，采用“主骨架+次结构”的结构形式。,2.结构特点,径向主桁架+环桁架,联方型支撑,环梁,径向脊梁+环梁+屋面斜杆,索杆系,中央弦支穹顶,钢桁架组合网壳,钢桁架弦支穹顶组合网壳,2.结构特点,主骨架由16榀径向桁架和1道中央环桁架构成，径向主桁架采用倒三角形截面形式，截面宽4m，高4m；中央环桁架采用倒三角形截面，宽6m-7m不等，高4m。次结构由联方形网格和马道组成。中央环桁架内部采用环肋形弦支穹顶结构，上方采光玻璃顶。,长轴为229.0米，短轴为138.4米结构顶标高约28.5m；中央穹顶长64m，宽44m,2.结构特点,中央弦支穹顶,钢桁架组合网壳,2.结构特点,弦支穹顶是结合空间网壳和索穹顶结构的一种合理的新型大跨空间结构，其基本思想是将索穹顶的柔性上弦用刚性的单层网壳替代。,弦支穹顶结构受力特征,单层网壳与去掉上弦柔性索的索穹顶组合,2.结构特点,弦支穹顶结构受力特征,在结构成形时，通过施加合理的预拉力给环索、径向索，使撑杆产生向上的分力，在上层构件中建立起预应力，使结构产生反拱变形。,在荷载作用时，荷载通过上端的单层网壳传到下端的撑杆，再通过撑杆传给索，索受力后产生对支座的反向拉力；与此同时，撑杆的作用大大减少了上部单层网壳各节点的竖向位移和变形，杆件的内力相对单层网壳也有较大幅度的降低。,2.结构特点,与单层网壳相比较而言，下部的索撑体系不仅增强了总体结构的刚度，还提高了单层网壳的稳定性，克服了单层网壳对缺陷敏感的缺点，从而可以实现结构跨度更大、网壳矢高更小。与索穹顶相比较而言，用刚性的上弦层取代柔性的上弦索，使施工大为简化。,弦支穹顶结构受力特征,2.结构特点,a.单层网壳边缘向外水平推力需拉力环,b.索穹顶边缘向内水平拉力需压力环,结构对边界约束的要求明显降低。单层网壳以及索穹顶分别对周边支承结构有较大的推力或拉力，而弦支穹顶结构的径向拉杆和环向索能够减小甚至抵消支座水平力。从而大大降低对下部结构抗侧性能的要求，并使支座受力明确，易于设计与制作，使该结构体系具有更广泛的适用性。,弦支穹顶结构受力特征,三、施工过程,3.施工过程,总结已建弦支穹顶结构，上部钢结构网壳和下部索杆系的安装方法大部分为在满堂脚手架上进而原位拼装，极少数工程采用了网壳整体提升或索杆系部分提升的施工安装方法；,而根据预应力施加对象的不同，可将弦支穹顶的张拉方式分为3大类，即张拉环向索、张拉径向索和顶升撑杆。,3.施工过程,满堂脚手架上钢构拼装,径向索安装现场,济南奥体中心体育馆,3.施工过程,满堂脚手架上钢构拼装,环向索张拉现场,常州市体育馆,3.施工过程,搭设满堂脚手架进行结构安装、张拉,营口奥体中心体育馆,调节撑杆，施加预应力,3.施工过程,搭设脚手架，安装网壳,安装撑杆、下端节点及径向钢拉杆环索提升,茌平体育馆,现绍兴山水馆的弦支穹顶结构体系与以往不同该工程采用胎架支撑，上部网壳地面拼装、分单元高空吊装，下部索杆系无支架整体提升的方法进行安装。,3.施工过程,避免了满堂脚手架支撑安装需要的大量支撑系统，大大节省了施工措施费用；索杆系整体提升安装效率高、现场施工组织管理一目了然。,C馆弦支穹顶施工现场,3.施工过程,3.施工过程,安装环桁架支撑胎架,高空分段安装中央环桁架,3.施工过程,分块吊装弦支穹顶上部网壳,分段吊装径向桁架,3.施工过程,分块吊装下部屋面组合网壳散件高空补档,索杆系无支架整体提升,3.施工过程,索杆系无支架整体提升,1.在地面依次由内向外组装每一环的环向索、径向索及撑杆,3.施工过程,索杆系无支架整体提升,2.用钢丝绳对撑杆和钢拉杆的相对位置进行固定，同时在撑杆和钢拉杆的环向之间也用钢丝绳连系以固定其相对位置,3.施工过程,索杆系无支架整体提升,3.依次由内环向外环通过竖直撑杆处的主牵引点整体牵引提升各环索杆系,4.调整索杆系形状，使撑杆上端对准与网壳连接的相应节点，并安装就位,3.施工过程,索杆系无支架整体提升,扰动力作用下的结构静力平衡态,斜拉杆上节点同旋转方向施加水平环向集中力,提升过程稳定性分析,3.施工过程,索杆系无支架整体提升,C馆提升动画,为实现上述“索杆系无支架整体提升”施工方法的顺利应用，本工程采用了一种撑杆端头焊接板式大转角球铰节点装置（申请发明专利）；该构造可以满足使用阶段和施工阶段对撑杆双向甚至任意向大转角的转动要求，同时构造形式简单，费用低。,主要组成构件包括：上十字板底座上端板防脱盖板球体下十字板底座下端板,3.施工过程,3.施工过程,撑杆端头焊接板式大转角球铰节点,3.施工过程,逐环分批次循环张拉径向钢拉杆,四、预应力张拉技术分析,4.预应力张拉技术分析,结构施工成形过程是一个连续变化的过程，下一阶段的施工会对已施工完成的结构和构件产生影响，尤其是在预应力结构施工过程中预应力的施加，会使结构形态产生很大改变。只有对结构进行施工全过程分析，跟踪模拟计算每个施工阶段的结构内力和位移，才能准确得到施工过程对结构产生的累积效应，有效地保证的结构施工安全、有效地进行。本工程对A、B、C三馆的弦支穹顶结构都进行了详细的预应力施工过程模拟分析及方案优化，并结合多年施工经验选择先进、适用的张拉方法及措施，从而实现安全、有序、高效、经济地进行结构的预应力张拉施工。,4.预应力张拉技术分析,根据本工程的特点和张拉设备能力，经多次讨论后决定采用径向钢拉杆张拉法在结构中建立所需的预应力。采用径向索张拉法进行张拉，张拉示意如下图所示。,张拉方法及措施,径向索主动张拉的安装状态和初始预应力态示意图,4.预应力张拉技术分析,采用型钢（如角钢和槽钢等）焊制拉索安装和张拉所需的操作平台。操作平台不仅要便于拉索施工，也要保证施工安全性。张拉端挂篮采用L30304角钢焊接而成，角钢材质为Q235，每环的径向钢拉杆上端各一个挂于径向脊梁上。,挂篮轴测示意图,张拉方法及措施,4.预应力张拉技术分析,鉴于A、B馆单根钢拉杆最大施工张拉力约为110T，因此选用YCW60B型千斤顶进行张拉，每个张拉点采用两台，能达到120T的张拉力；C馆单根钢拉杆最大施工张拉力约为40T，因此选用YDC240QX型千斤顶进行张拉，每个张拉点采用两台，能达到48T的张拉力。,选用千斤顶的主要技术参数表,张拉方法及措施,4.预应力张拉技术分析,1）分析软件采用有限元分析软件ANSYS，考虑结构具有双重非线性（几何非线性和材料非线性），计算中考虑几何大变形和应力刚化效应。2）单元类型：钢构件采用BEAM188梁单元；拉索采用仅受拉Link10单元；撑杆采用Link8单元；支撑胎架采用仅受压Link10单元。3）材料特性：钢材弹性模量为2.06105MPa，泊松比为0.3，温度膨胀系数为1.210-5；高钒索弹性模量为1.6105MPa，泊松比为0.3，温度膨胀系数1.210-5。4）荷载条件：根据施工过程考虑结构自重，钢构件的密度为7.85103kg/m3，考虑节点重量，乘以1.05的放大系数；高钒索及钢拉杆的密度为.85103kg/m3，索头及索夹节点处通过施加质量单元模拟。,技术分析,分析软件,4.预应力张拉技术分析,采用如下方法模拟拉索张拉全过程：首先设定一定的拉索张拉力为目标索力，通过对索单元施加负温来模拟拉索张拉力，采用补偿法或退化补偿法等迭代策略寻找索内负温，使结构达到初始平衡态时的拉索索力为目标索力；（即找力分析）然后，按照上述方法对不同张拉阶段的结构状态进行相应的找力分析；最后，按照分批次循环张拉顺序，对径向钢拉杆赋予相应的负温，进而计算张拉索力及相应的结构内力和变形。,技术分析,分析方法,4.预应力张拉技术分析,施工过程分析及优化,钢结构安装完成后，拉索未张拉前，结构在临时支撑胎架上的最大下挠点位于弦支穹顶中环长轴位置。,技术分析,随着钢拉杆的张拉，弦支穹顶产生反拱且反拱值逐渐增大，但依然随整体结构下挠。即不能通过一次张拉使弦支穹顶结构脱离胎架（若达到该效果张拉力远超过拉索初始预张力），且撤除胎架以后，结构竖向位移增大，拉索拉力有明显减小。,结构张拉过程中总体受力特点如下：,未张拉时C馆结构竖向变形图,4.预应力张拉技术分析,综合考虑张拉设备能力及结构的索力和位形变化，通过对不同张拉顺序和张拉批次的对比分析，最终确定优化的预应力张拉施工方案为：分阶段循环张拉。,技术分析,施工过程分析及优化,第一阶段由外环至内环逐环分批张拉完成后，结构卸载，环索及径向索的拉力达到设计初始预应力的80%；,第二阶段由内环至外环逐环分批张拉完成后，索力达到设计初始值。,4.预应力张拉技术分析,技术分析,施工过程分析及优化,由于同环钢拉杆共16根，数量较多且对称均匀分布，故采用同环间隔分批张拉图示奇数号钢拉杆为第1张拉批，偶数号为第2张拉批该方法在使得张拉设备减半的同时，大大减小了第一批次钢拉杆的张拉力。,4.预应力张拉技术分析,技术分析,各钢拉杆第一阶段施工张拉力/kN,4.预应力张拉技术分析,技术分析,第一阶段张拉完成后钢构应力（MPa）,第一阶段张拉完成后结构竖向位移（mm）,4.预应力张拉技术分析,技术分析,胎架拆除后钢构应力（MPa）,胎架拆除后结构竖向位移（mm）,4.预应力张拉技术分析,技术分析,各钢拉杆第二阶段施工张拉力/kN,4.预应力张拉技术分析,技术分析,第二阶段张拉完成后结构竖向位移（mm）,第二阶段张拉完成后钢构应力（MPa）,五、索夹抗滑移试验,5.索夹抗滑移试验,索夹是弦支穹顶结构中竖向撑杆、径向钢拉杆及环向拉索的交汇点；是下弦环索将预应力转换为对上部网壳支承力的关键节点。,试验背景,椭圆形弦支穹顶在受力状态下，斜角部位索夹节点两侧拉索的不平衡力较大，而索夹节点的抗滑性能影响了结构的承载能力：索夹抗滑力不足将导致索的滑移，改变弦支穹顶的受力状态及结构形态，对结构产生不利影响。,5.索夹抗滑移试验,绍兴山水馆弦支穹顶结构中环索采用连续GALFAN索（95%锌5%铝镀层），索夹采用上下盖合型铸钢索夹，环索的最大直径为100mm，索夹节点两侧环索最大不平衡力为200kN。,试验背景,现通过索夹抗滑移试验确定索夹能承受的最大不平衡力，以评测其是否能满足工程需要。,5.索夹抗滑移试验,已建轻型索结构（弦支穹顶）工程中，无锡太湖新区科技交流中心索穹顶、常州市体育馆、徐州奥体中心体育场、乐清市体育中心游泳馆等工程都进行了类似的索夹抗滑移试验。,无锡索穹顶索夹抗滑移试验,徐州奥体中心体育场索夹抗滑移试验,试验背景,5.索夹抗滑移试验,与上述工程进行的索夹抗滑移试验相比，绍兴山水馆弦支穹顶索夹抗滑移试验进行了以下几点明显改进：1.索夹加载端采用了环形撑脚垫板，加载过程中不平衡力直接作用于索夹上盖板，可以较真实模拟索夹实际受力状态；2.试验过程中采用穿心式压力传感器测量索夹高强螺栓预紧力，较以往扭矩系数控制更为准确、直接，且可以实时观测索夹高强螺栓预紧力变化；3.进行了索夹高强螺栓（长标距）的应力松弛试验，通过高强螺栓的材性试验研究可以调整其他影响因数从而保证索夹的抗滑移性能。,试验背景,5.索夹抗滑移试验,C馆最外环索力差与内环相比明显较大，HS3上四类索夹节点不平衡力如下表所示。试验索夹选取最外环斜角部位节点两端不平衡索力最大的C-HS3-SJ2，最不利工况下，索夹节点两侧不平衡力约为200kN。,试验索夹选取,5.索夹抗滑移试验,试验工装,索夹抗滑移试验总装示意图,5.索夹抗滑移试验,1.在100mm高钒索段上对称安装C-HS3-SJ2(A)，索夹之间为YCW150B轻型穿心式千斤顶，两端通过环形撑脚垫板抵在索夹上盖板实现对顶加载，进行索夹两端不平衡力的模拟；,试验工装,穿心式千斤顶及环形撑脚垫板实图,5.索夹抗滑移试验,2.在索夹近加载端及远加载端的中间列12.9级高强螺栓连接副之间设置穿心式压力传感器，以测定索夹安装时的高强螺栓预紧力（扭矩系数）及试验加载过程中高强螺栓预紧力的变化；,试验工装,压力传感器及百分表安设实图,5.索夹抗滑移试验,3.在自由段索体与索夹远加载端之间架设百分表（共4个），分别测量加载过程中索夹上盖板、下盖板与索体间的相对滑移位移；在加载千斤顶与索夹近加载端架设百分表（1个），作为索夹相对位移的辅助测量装置。,试验工装,压力传感器及百分表安设实图,5.索夹抗滑移试验,1.如图所示，依次安装穿心式千斤顶、环形承脚垫板、索夹和百分表。其中索夹安装时，高强螺栓拧紧顺序为从中间向四周对称施拧，以安装压力传感器的高强螺栓预紧力为指导，进行分级反复拧紧，直至预紧力达到12.9级M20高强螺栓预紧力设计值180kN；,试验加载,索夹高强螺栓施拧现场,5.索夹抗滑移试验,2.预加载使高钒索处于绷紧状态，微调试件位置使其受力在同一轴线，同时读取千斤顶伸长油缸及索夹末端处所设百分表初读数；3.千斤顶分级加载，每级60kN，持荷3min，每级加载结束时读取各压力传感器及百分表读数，加载至索夹节点最大不平衡力200kN；4.分级加载，每级30kN，持荷3min，每级加载结束时读取各压力传感器及百分表读数，直至索夹滑移不能继续加载；,试验加载,5.索夹抗滑移试验,5.相同试验进行两次（更换试验试件），以做参照对比；6.高强螺栓应力松弛试验（试验室进行）。,试验室进行应力松弛数据采集,试验加载,5.索夹抗滑移试验,（1）第一次试验,试验成果,根据试验加载过程中百分表记录的索夹相对位移，绘制出滑移量与千斤顶加载力之间的曲线，如图所示。,C-HS3-SJ2的滑移曲线：在加载力小于37.5T时，索夹上盖板滑移呈线性增长趋势（分级加载持荷3分钟以后位移趋于稳定），下盖板未出现滑移；当加载力超过37.5T时索夹滑移量迅速增加，同时索夹下盖板也出现滑移。,C-HS3-SJ2A的滑移曲线：由于加载方式为通过对顶索夹来模拟节点两端的不平衡力，在加载力小于37.5T时，SJ2A上下盖板均未出现滑动；加载力超过37.5T以后，上索夹出现较小相对位移，但至试验结束总位移量小于0.3mm。,5.索夹抗滑移试验,（1）第一次试验,第一次试验索夹接触面实图,试验成果,5.索夹抗滑移试验,（1）第一次试验,第一次试验螺栓预紧力变化曲线,由高强螺栓预紧力变化曲线可知，SJ2与SJ2A上的螺栓预紧力变化趋势基本一致。高强螺栓的预紧力损失及其在索夹抗滑中的受力状态有待于进一步研究。,试验成果,5.索夹抗滑移试验,（2）第二次试验,根据试验加载过程中百分表记录的索夹相对位移，绘制出滑移量与千斤顶加载力之间的曲线，如图所示。,C-HS3-SJ2的滑移曲线：在加载力小于35T时，SJ2上下盖板均未出现滑动；加载力在35T60T之间时，索夹滑移呈线性增长趋势（分级加载持荷3分钟以后位移未趋于稳定）；而当加载力超过60T时索夹滑移量迅速增加，索夹抗滑失效。,C-HS3-SJ2A的滑移曲线：在加载力小于35T时，SJ2A上下盖板均未出现滑动；加载力在35T55T之间时，索夹滑移呈线性增长趋势（分级加载持荷3分钟以后位移趋于稳定）；加载力超过55T以后，索夹上盖板出现