索屋顶结构预应力张拉施工方法研究

索屋顶结构预应力张拉施工方法研究

索屋顶结构的力学性能在很大程度上取决于预测状态，预测性的形成直接关系到张拉施工过程。因此，选择合理有效的预测性张拉施工方法是实现结构状况的保证。索穹顶结构的张拉施工成形过程分析一直是国内外学者研究的热点和难点。国外索穹顶工程的成功应用为我们提供了宝贵经验,但涉及到技术保密等原因,公开报道的资料较少,仅有几篇也只是对几个实际工程施工过程的简单描述。国内虽无工程应用,但在索穹顶预应力张拉施工成形方面作了许多有意义的探索,提出了不同的施工方法,并采用不同的分析方法如力密度法,非线性有限元法、动力松弛法等对张拉施工过程进行了分析,应该说这些工作对推动我国索穹顶工程的早日应用具有重要的意义。本文结合国外已有工程预应力张拉施工方法和国内相关研究成果介绍,以一跨度为122m的索穹顶结构为例,提出了包括逐圈斜索张拉法、仅外圈斜索张拉法、逐圈竖杆顶压法、仅外圈竖杆顶压法、逐圈环索张拉法、仅外圈环索张拉法、逐圈斜索原长安装法等七种预应力张拉施工方法,并采用动力松弛法对各种张拉施工方法进行施工模拟全过程分析,为实际索穹顶结构工程的张拉施工提供理论依据和技术支持。1联方型索顶结构本文以一跨度为122m、支承于周边混凝土圈梁的索穹顶为例进行分析。索穹顶为联方型布置,由中心受拉环、径向布置的脊索、斜索、压杆和环索组成。结构三维图、平面图和立面图如图1、图2。杆件编号见图3,杆件截面配置见表1。索穹顶结构的刚度与预应力的分布和大小有密切关系。根据结构几何形状,可唯一确定联方型索穹顶结构的单位初始预应力分布。根据结构荷载情况以及结构使用阶段索不退出工作原则,可确定结构所需预应力水平。考虑结构自重后的预应力分布见表2。2张拉施工数值分析的基本步骤考虑到结构在一定的荷载(包括自重)作用下都会通过形状和内力的调整达到一个平衡态,可以忽略杆系在各阶段的移动和变位过程,只需关注在各阶段施工完成后体系所处的平衡态,即此时各杆件内力和节点坐标,由此索穹顶结构的预应力张拉施工成形分析转化为求解结构在各施工阶段平衡态的问题,该问题属于形态分析范畴。索穹顶的预应力张拉施工过程实质上是将已知原长的构件按照一定的拓扑关系组装到位的过程。考虑到现场施工条件和技术水平,应尽可能采用经济、可行、有效的方法。而张拉施工过程中各阶段平衡位置及内力分布则可采用动力松弛法求解。该方法是一种有效求解非线性系统平衡的数值方法。其基本原理是对离散体系节点施加激振力使之围绕其平衡点产生振动,动态跟踪各节点的振动过程,直至各节点最终达到静止平衡态。采用动力松弛法对索穹顶结构进行预应力张拉施工模拟分析的基本步骤如下:(1)根据平衡矩阵理论确定结构索杆自应力分布,同时根据荷载大小确定预应力水平;(2)选择初始截面,考虑结构自重修正初始预应力分布,由索杆初内力确定各索杆原长;(3)确定预应力张拉施工方案,从而确定张拉施工的各个阶段;(4)运用动力松弛法对预应力张拉施工各阶段进行找形分析。假定张拉施工各阶段结构初始形状,并将节点速度、动能设置为零,求解不平衡力和节点速度,修改节点坐标。如果不平衡力满足给定精度,则退出迭代;如果不满足,记录该时刻结构动能。在结构动能极大值时刻重新设置速度为零,按照上述步骤迭代,直至体系达到平衡,由此确定各阶段各单元内力及各节点位置;(5)预应力张拉成形后,铺设屋面结构(如膜材),整个索穹顶结构施工安装结束。3预应力张拉施工技术依据该结构实际情况和设计资料,并结合国外已有工程施工方法介绍,拟对本结构采用以下几种预应力张拉施工方法进行施工:1)逐圈斜索张拉法;2)仅外圈斜索张拉法;3)逐圈竖杆顶压法;4)仅外圈竖杆顶压法;5)逐圈环索张拉法;6)仅外圈环索张拉法;7)逐圈斜索原长安装法。结构节点和单元编号示意图见图4、图5。采用动力松弛法对各预应力张拉施工方法进行模拟,可得到张拉施工各阶段单元内力和节点坐标。由于篇幅原因,下文中只列出部分节点坐标和单元内力。3.1选择合理的连接装置及施加斜索采用本张拉施工方法时,除斜索外其余杆件均按照设计原长下料。首先完成内环与各道脊索、环索和压杆的连接,然后由外及里张拉斜索使结构成形,同时实现结构内部预应力的施加。张拉施工各阶段的节点坐标和单元内力列于表3、表4,结构示意图见图6。3.2结构体系的设计采用本张拉施工方法时,除最外圈斜索外其余杆件均按照设计原长下料。首先完成内环、脊索、除外圈外斜索、压杆的连接,然后通过张拉最外圈斜索的方法来保证整个结构到达设计标高,同时实现结构内部预应力的施加。采用该方法时张拉各阶段的节点坐标及单元内力见表5、表6,图7为结构示意图。3.3开发内管道内的预应力采用本张拉施工方法时,所有索按设计原长下料,所有压杆长度可调。首先完成内环与各道脊索、环索和压杆(缩短长度)的连接,然后由外及里顶压竖杆使结构成形,同时实现了结构内部预应力的施加。张拉各阶段的节点坐标及单元内力见表7、表8,图8为结构示意图。3.4合成式结构内部预应力的施加采用本张拉施工方法时,除外圈竖杆外的所有索和竖杆按设计原长下料,外圈压杆长度可调。首先完成内环与各道脊索、环索和压杆的连接,然后顶压外圈竖杆使结构成形,同时实现结构内部预应力的施加。张拉各阶段的节点坐标及单元内力见表9、表10,图9为结构示意图。3.5环与斜索连接采用本张拉施工方法时,除环索外其余杆件均按照设计原长下料。首先完成内环与各道脊索、斜索和压杆的连接,然后由外及里张拉环索使结构成形,同时实现结构内部预应力的施加。由于环索较长,这里按原长的1.05倍开始计算。张拉各阶段的节点坐标及单元内力见表11、表12,图10为结构示意图。3.6结构体系的设计采用本张拉施工方法时,除最外圈环索外其余杆件均按照设计原长下料。首先完成内环与各道斜索、脊索和压杆的连接,然后通过张拉最外圈环索的方法来保证整个结构到达设计标高,同时实现结构内部预应力的施加。张拉阶段的节点坐标及单元内力见表13、表14,图11为结构示意图。3.7高压分散器安装采用本张拉施工方法时,所有索和竖杆均按照设计原长下料。首先完成内环与各道脊索、环索和压杆的连接,然后由外及里安装原长斜索使结构成形,同时实现结构内部预应力的施加。张拉各阶段的节点坐标及单元内力见表15、表16,图12为结构示意图。4顶结构工程张拉施工全过程分析本文首次系统提出了适合索穹顶结构的七种预应力张拉施工方法,并以