大跨度椭球形弦支悬架施工成形仿真分析

大跨度椭球形弦支悬架施工成形仿真分析

甲基拉-加固是日本科学家m.kawagu于1993年提出的一种新结构形式。它由上部网络壳、支撑杆和预测的牵引杆组成。这是一种新型预测钢结构，综合了网壳结构和导向结构的优点。通过杂交而得到的弦支穹顶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结构显得较为简化。弦支穹顶结构体系在空间结构领域已取得了一定的发展,并在国内外有小规模的工程实践,而刚建成的武汉市体育馆又开创了大跨度弦支穹顶结构的工程实践,为大跨度弦支穹顶的设计与施工研究积累了宝贵的工程经验,同时该结构在施工过程中的研究成果,为采用有限元手段对弦支穹顶进行施工过程的计算分析提供了一定的理论基础,并提出了针对该结构而言的3种预应力施工方法。本文以常州体育馆大跨度椭球形弦支穹顶为研究对象,分析了弦支穹顶的3种预应力拉索施工方法的可行性,并系统地对比分析了3种张拉成形方法的优缺点,得出了对于常州体育馆这类结构体系较为适用的拉索施工方法。1网壳及杆网特征常州市体育馆屋盖形状为椭球形弦支穹顶(见图1),椭圆长轴119.872m,短轴79.915m,屋盖矢高21.45m。屋盖曲面面积为9359.939m2,覆盖面积为7502.282m2。该弦支穹顶的网壳为单层网壳,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。该弦支穹顶的索系为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张拉过程的影响弦支穹顶的拉索张拉方法通常有3种:①张拉径向索;②张拉环向索;③顶撑撑杆张拉。对于预应力钢结构而言,人们最关心的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。因此,本文主要从张拉机具、张拉力误差分析及施工工艺3个方面,以常州市体育馆为对象,进行3种张拉成形方法的对比分析。2.1张拉过程中各环内部索力及撑杆轴力变化规律根据常州体育馆的张拉成形顺序(从最外环向最内环张拉),计算弦支穹顶结构在张拉过程中各环环向索索力、径向索索力和撑杆顶撑力。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轴力的变化均<5%。据此,仅给出全部张拉完成后各环环向索和径向索索力及撑杆轴力图(见图2)。由于结构的平面投影为椭圆形,同一环内环向索索力由短轴向长轴递减(见图2a),而径向索索力(见图2b)及撑杆轴力(见图2c)则是由短轴向长轴递增,即各环各个构件张拉力均不等。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3种张拉成形方法的对比分析,以找出最合理的施工方法。2.2每环张拉方法的张拉伸长根据模型分析结果,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,如表1所示。从表1可见,在每环同步张拉过程中环向索张拉方法的张拉点数最少(4或8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环向索、径向索和撑杆轴力误差根据力的平衡条件,各环的环向索、径向索和撑杆的轴力成一定的比例关系,根据仿真分析计算结果,其比例关系如表2所示。从表中可以看出撑杆轴力最小,与环向索的索力比值也最小。例如:最外环(第6环)撑杆轴力仅为环向索索力的8%。而环向索、径向索和撑杆轴力的误差比例相同,即若撑杆顶撑时,撑杆顶撑力误差为10%,则在环向索和径向索中也产生了10%的索力误差。由于撑杆轴力较小,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轴力误差。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,即顶撑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5kN左右。例如:当采用撑杆顶撑法张拉第2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张拉过程中径向索的索力平衡采用环向索张拉时,考虑环向拉索安装的方便及椭球形弦支穹顶同环索段索力的差异,将每环环向索分为8段,在每个张拉点采用2台100t千斤顶同步张拉。采用环向索张拉方法,实现同一环内张拉点的同步张拉比较容易,同时也便于环向索的线形控制。采用径向索张拉时,按照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,每环内径向索的索力大小不等,且同一点处2根径向索的索力也不等。同一环内径向索的数量多达48根,为保证椭圆形环向索的形状,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21~844mm,特别是最外环(第6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,易导致施工结束后环向索不在一个水平高度上,影响环向索的线形控制。此外,环向索为单索时,在要求撑杆下端能够实现顶撑的条件下,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环向索张拉施工方法效果评价通过对常州体育馆3种张拉成形方法的对比分析,得出该结构形式相对优化的张拉成形方法,其张拉方法对比结果如表3所示。根据张拉过程分析及3种施工工艺的对比分析,得出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