預應力空間網格結構施工中的支撐可靠性研究

姜 波 馬曉云

1 工程概述

某展示大廳采用預應力空間網格結構,長向(縱向)跨度約450 m,短向(橫向)99 m。結構由預應力雙層圓柱面網殼部分和拉桿—提籃拱部分組成,見圖1。

網殼部分分為A1～A5五個區,各區均為90 m×99 m跨,99 m跨方向為一圓弧曲線,網殼縱向及橫向最外側支撐于柱上;提籃拱部分分為G1～G4四個區。為減小網殼對柱支座產生的水平推力,并控制網殼在自重作用下的撓度,在柱頂處網殼下弦橫向布置水平拉索;在提籃拱下弦設水平預應力拉桿,以減小拱腳處水平推力,并在提籃拱下設置豎向吊桿懸掛網殼,對吊桿進行預張拉使其具有足夠剛度,為網殼提供豎向彈性支撐,使網殼形成四邊支撐的雙向受力體系。結構共采用38根水平拉索和104根豎向吊桿。拉索和吊桿均采用55束1670 MPa低松弛5.3 mm鋼絲組成的半平行高強鋼絲束。圖2和圖3分別為結構的側立面和局部示意圖。

2 支撐可靠性不足引起的問題與解決方法

由于結構中的拉索和吊桿數目龐大,必須采用分區分批張拉的方案。結合網殼和提籃拱的安裝進度和計算分析結果,確定張拉方案如下:1)每片網殼安裝完成后,在吊桿下方設置臨時支撐胎架;2)先張拉各區拉索,再張拉各區吊桿,拉索在網殼安裝完成后即可張拉,吊桿須等網殼屋面系統全部完成后方可進行張拉;3)按照A1～A5的次序依次張拉各區拉索,任一區中,由中間往兩邊對稱進行;4)按照G1～G4的次序依次張拉各區吊桿,任一區中,從中間往兩邊在拱的左右兩個分支上對稱進行。

從張拉方案中可知,在提籃拱下面的吊桿張拉前,網殼是依靠吊桿下方設置的臨時支撐形成雙向受力體系的,因此,設計明確要求在施工過程中必須保證吊桿下方臨時支撐的可靠性,這樣才能確保網殼在吊桿張拉前處于比較良好的受力狀態。然而,在網殼安裝完成后,水平拉索張拉前,網殼中出現了較多數量的“彎桿”(即壓屈桿件),網殼的跨中撓度達到15 cm,超出理論計算5 cm,基本接近網殼在單向受力狀態時的數值,并且網殼在臨時支撐點附近下沉較多,使得吊桿安裝無法進行。分析其原因,網殼施工單位對臨時支撐的可靠性沒有足夠重視,一方面支撐數量和強度未達到設計要求,另一方面施工場地條件較差,加之施工期間多日連降大雨,地基條件進一步惡化,臨時支撐產生一定沉降,兩個因素綜合影響使得吊桿下方設置的臨時支撐近乎失效,從而引起“彎桿”、網殼跨中撓度過大和吊桿無法安裝等問題。經設計、施工和檢測單位分析討論以及專家論證,提出了相應的解決方案:1)采用夯實、碾壓和排水等措施對支撐下部地基進行處理,改善場地條件,并在支撐下加墊厚木板,以使支撐反力較均勻地擴散在地基上;2)經理論分析驗證,可在網殼下方均勻布置多臺千斤頂實現同步頂升,使吊桿下方網殼節點復位,檢測單位全程監測網殼頂升過程;3)在網殼頂升完成后,放松千斤頂前,增加吊桿下方支撐的數量和強度達到設計要求,并替換出現的“彎桿”。在網殼頂升完成后,水平拉索的張拉便可立即進行。

采用以上步驟可以基本解決支撐沉降引起的問題。但按照張拉方案,網殼在水平拉索張拉后,需等屋面系統全部完成后才能進行吊桿張拉,也就是說吊桿下方的臨時支撐仍需保持較長一段時間。而且臨時支撐下方不可能設置鋼筋混凝土基礎或樁基礎(代價太大,工期也不允許),即使采用地基處理等措施改善了支撐下方場地條件,在網殼頂升復位之后支撐仍有可能產生一定的沉降[1]。為此,建立支撐沉降的有限元模型進行分析,了解不同支撐沉降量對網殼可能產生的影響,為后續施工過程中的支撐沉降控制提供理論依據。

3 支撐沉降分析

以A5區網殼為研究對象。由于在吊桿張拉前,各區網殼獨立工作,因此僅建立A5區網殼的有限元分析模型,在吊桿下節點處施加強迫位移模擬支撐沉降,并對網殼下弦水平拉索未張拉和已張拉兩種狀態下的支撐沉降進行分析。

分析采用兩種支撐沉降位移模式:

一種是假設從一側拱腳到另一側拱腳的沉降位移服從正弦曲線分布,如圖4所示。

用公式表示為:

其中,Di為第i個支撐的沉降位移;Dmax為最大支撐沉降位移;l為拱腳之間的間距;x為第i個支撐到拱腳的距離;m為支撐數量。正弦分布位移模式基本近似于地基整體性較好、網殼整體性發揮作用的狀態,因而是偏安全的。

另一種為文克勒位移模式,即假設各支撐沉降量與支撐反力成正比:

其中,Ri為第i個支撐的反力;Rmax為最大支撐的反力。這種情況忽略地基整體性和網殼整體性,因而是偏危險的。

表1 各種情況下的“彎桿”數量

實際情況應介于上述兩種情況之間。在這兩種模式下,設最大沉降分別為2.5 mm,5 mm,7.5 mm,10 mm,20 mm,30 mm和40 mm進行分析,在每次的分析結果中,按照GB 50017-2003鋼結構設計規范[2,3]檢查各桿件局部穩定性,不滿足規范要求即 認定為“彎桿”,并統計各種情況下的“彎桿”數量。分析結果如圖5和表1所示(限于篇幅,圖5僅給出拉索未張拉狀態、最大沉降為40 mm時的“彎桿”分布情況)。

由分析結果可知,正弦分布位移模式下,“彎桿”的位置集中在支撐兩側,而在文克勒位移模式下則分布比較均勻,實際工程在支撐的兩側和中間均出現“彎桿”,但以兩側居多,因此相對來說,實際發生的沉降位移模式應該更接近于正弦分布。此外,對比拉索張拉前后的“彎桿”數量可知,拉索張拉與否對“彎桿”數量基本沒有影響。根據表1,支撐最大沉降在20 mm以內時,各種情況下的“彎桿”數量均較少,而最大沉降超過20 mm后,“彎桿”數量迅速增加,因此支撐沉降的控制數值以小于20 mm為宜。實際上,為了避免后續施工過程中支撐沉降問題的發生,可以修改張拉方案,在網殼頂升復位和水平拉索張拉完成后立即張拉吊桿(此時網殼屋面系統施工尚未開始),這樣可大大縮短臨時支撐的使用時間。當然張拉方案的修改需要設計院與預應力施工單位對吊桿的預應力施工過程重新進行分析,預應力施工過程中的張拉控制力、索伸長值以及提籃拱和網殼的桿件應力、結構變形等控制數據都需要全部重新計算,設計與分析的工作量較大。但如果按照原定張拉方案進行施工,則一定要對支撐沉降量進行監控,并采取相應的措施將其控制在20 mm范圍以內,避免再次出現影響結構安全的問題。

4 結語

從本工程結構施工過程中出現的問題可發現,臨時支撐的可靠性問題不容忽視,主要包括兩個方面,一方面為支撐的數量和強度,另一方面則為支撐的沉降。支撐的數量和強度一般在設計中會明確提出要求,因而較易得到保證,而支撐的沉降問題在設計時一般不會充分考慮甚至忽略,因此難以控制,而根據本文的支撐沉降分析結果,較大的支撐沉降會使網殼結構中出現較多數量的“彎桿”,影響結構的安全,因此支撐沉降問題必須引起足夠的重視,最好在設計時就能夠給予充分考慮,對支撐沉降的問題進行詳細分析,提出施工過程中的沉降控制數值,便于施工單位采取相應的控制措施。

[1]婁俊杰,郭彥林.澳門綜合體育館鋼屋蓋次桁架安裝方案及分析[J].工業建筑,2004,34(12):12-14.

[2]GB 50017-2003,鋼結構設計規范[S].

[3]王國周,瞿履謙.鋼結構原理與設計[M].北京:清華大學出版社,2007.