弦支穹頂結構施工技術及施工全過程模擬方法

劉慧娟,羅永峰,楊綠峰

(1.廣西大學 工程防災與結構安全教育部重點實驗室,南寧 530004;2.同濟大學 土木工程學院建筑工程系,上海200092)

弦支穹頂結構從概念的提出[1]到目前廣受歡迎和廣為建造經(jīng)歷了十多年的時間,對其使用階段的研究比較早,也相對比較充分[2-3]。但由于在結構中引入預應力鋼索[4-5],相對傳統(tǒng)結構而言,施工階段的力學性能和使用階段不盡相同,可能出現(xiàn)比使用階段更為不利的受力狀態(tài),在弦支穹頂結構設計階段的結構分析中,應進行各個施工階段結構的受力分析,并且在這些分析中要恰當考慮施工工藝對結構受力的影響。因此,應將弦支穹頂結構的施工階段作為一個獨立的過程進行詳細分析,了解弦支穹頂結構在不同預應力狀態(tài)下的受力性能。

張拉預應力索是弦支穹頂結構施工經(jīng)常采用的方法,其張拉全過程分析是弦支穹頂結構施工階段分析的主要內(nèi)容之一,是探索隨著預拉力增長準結構力學性能的發(fā)展趨勢。目前,已有文獻[6-8]對張拉過程分析的模擬中,忽略了對施工工藝影響的研究和張拉機理的深入分析,因而其張拉模擬算法也難以做到與實際工程準確匹配。基于此背景,該文研究弦支穹頂結構實際的施工工藝,提出關鍵施工參數(shù),分析張拉過程弦支穹頂結構受力機理,并根據(jù)受力機理和所提關鍵施工參數(shù),采用Ansys有限元軟件APDL語言,考慮材料和幾何雙重非線性,編制了張拉全過程算法程序,并對一個具有代表意義的弦支穹頂結構進行了分析,其計算結果驗證了所提張拉全過分析算法的正確性、有效性和實用性。

1 弦支穹頂結構的施工工藝

施工階段弦支穹頂結構的受力狀態(tài)與施工工藝是密切相關的,進行弦支穹頂結構施工階段的張拉全過程分析,有必要全面研究現(xiàn)有可行的施工工藝,并根據(jù)不同的施工參數(shù)進行分類,提出關鍵施工參數(shù),以便在理論分析中合理引入這些施工參數(shù)。

1.1 實際工程中弦支穹頂結構的施工工藝

弦支穹頂結構在日本應用較多,20世紀90年代既已建造了諸如光丘穹頂和聚會穹頂?shù)葞鬃韵抑я讽斀Y構為主要受力結構的場館建筑。繼中國第一座弦支穹頂結構——天津保稅區(qū)商務交流中心大廳之后,中國也興建了幾座跨度較大的弦支穹頂結構,如2008年北京奧運會羽毛球館、常州體育館(長軸 114.08m,短軸 76.04m,矢高 21.08m)[8]、武漢體育中心二期工程(長軸方向總長165m,短軸方向總長145m)、安徽大學磬苑校區(qū)體育館、濟南奧體中心體育館[9]以及連云港體育館等。

施工工藝來源于工程實踐,對收集到的實際弦支穹頂結構的施工資料進行分析,提出施工順序、預拉力施加方式、臨時支撐系統(tǒng)和張拉方式(張拉順序和批次)為關鍵施工參數(shù)。這4個關鍵參數(shù)可基本概括普通弦支穹頂結構的施工工藝,表1列出了實際工程中弦支穹頂結構的施工工藝。

表1 實際工程中弦支穹頂結構的施工工藝

1.2 弦支穹頂結構關鍵施工參數(shù)

據(jù)前文所述及表1可知,大跨度弦支穹頂結構的施工工藝可以通過4個關鍵施工參數(shù)來體現(xiàn):施工順序、預拉力施加方式、臨時支撐系統(tǒng)及預拉力張拉方式(順序和批次)。

1)施工順序。施工順序可以分為桿件拼裝、結構張拉和結構吊裝(或頂升)或拆除臨時支撐結構,其中第3步在某些施工工藝中可能不需要。無論具體的施工過程是怎樣的,網(wǎng)殼拼裝、結構吊裝或頂升和結構張拉這3項施工工作可作為概括弦支穹頂結構施工過程的主要階段。

2)預拉力施加方式和方法。根據(jù)預應力施加的對象,可將預應力施加方式分為3大類:張拉環(huán)向索、張拉徑向索、頂升撐桿。

索內(nèi)預拉力的施加方法應根據(jù)結構特點、張拉機具、錨具特點和吊裝能力等綜合確定,必要時可以采用不同方法的組合方式施加預拉力。從表1可以看出,在實踐中大跨度弦支穹頂結構較多地采用張拉鋼索(環(huán)索或徑向索)法,比如2008奧運會羽毛球館等工程均是采用張拉環(huán)索法。

3)臨時支架系統(tǒng)。大跨度弦支穹頂結構由于成形前結構的弱剛性,施工中常要設置臨時支架系統(tǒng)。臨時支架系統(tǒng)有滿堂腳手架、臨時臺架和臨時支撐等類型。施工中采用的臨時支架系統(tǒng)類型因不同施工工藝而各不相同。

4)張拉方式。對于弦支穹頂結構較常使用的張拉鋼索法施工,其張拉方式的內(nèi)容主要有張拉順序和張拉批次2個方面。

2 弦支穹頂結構的預應力張拉機理

為了更好進行弦支穹頂結構張拉全過程分析,需要預先對其張拉機理進行分析。選取包含關鍵施工參數(shù)、采用張拉環(huán)索施工法的弦支穹頂結構為分析模型,以保證分析模型的代表性,進而保證結論具有較為普遍的實用價值。

對如圖1(a)所示的弦支穹頂結構,其張拉過程及各階段的受力特點:1)安裝單層網(wǎng)殼與撐桿,并在網(wǎng)殼投影平面內(nèi)適當位置設置臨時支架,如圖1(b),此時單層網(wǎng)殼支承在支座和臨時支撐上,撐桿自由懸掛在單層網(wǎng)殼上;2)根據(jù)索段的放樣長度,牽引索并將索與撐桿相連,如圖1(c)所示,單層網(wǎng)殼、撐桿和索已連成一體,支承在支座和臨時支撐上;各構件只承受自重作用;3)在每段環(huán)索兩端張拉鋼索,可以由內(nèi)環(huán)向外環(huán),也可采用本圖所示的由外而內(nèi)的張拉方式。單層網(wǎng)殼尚未脫離臨時支架,如圖1(d)(圖中為了說明的便利,將索力的方向表示為水平),第1環(huán)徑向索已經(jīng)開始被動張拉,相應的撐桿開始隨動受力,各構件受力與2)階段有了明顯的不同,除了自重荷載外,又產(chǎn)生了由第1環(huán)環(huán)索預應力逐漸施加引起的內(nèi)力重分布。但其他各環(huán)相應的構件則仍保持2)階段的狀態(tài)。目前第1環(huán)索張拉索段還承受千斤頂?shù)睦3′;4)繼續(xù)張拉環(huán)索,直到張拉到目標值 T3,單層網(wǎng)殼不斷起拱,結構的位形不斷改變,并可能部分或全部脫離臨時支架;然后將其他兩環(huán)索張拉到位,分別達到設計值 T1、T2,如圖1(e)。此時,單層網(wǎng)殼、撐桿和索成為一個整體支承在支座上;5)若有部分臨時支撐在階段4)張拉結束時沒有完全脫離,則需要對其進行后續(xù)的臨時支撐卸載工作,以保證結構達到預期的設計狀態(tài)。

在階段1),可把單層網(wǎng)殼和臨時支架作為1個結構進行分析,由于尚未引入鋼索,不必將其歸入張拉過程;階段2)和3)可以合并為1個階段,只是在階段2)張拉力較小而已;結構在階段4)和5)的幾何和邊界約束均不同于階段3)。因此,弦支穹頂結構的張拉過程模擬重點是模擬階段3)和階段4),并根據(jù)具體的結構施工過程,在階段5)可能發(fā)生的情況下,模擬階段5)。

圖1 弦支穹頂結構的張拉全過程剖視示意圖

3 張拉全過程分析數(shù)值模擬

前文研究內(nèi)容表明,弦支穹頂結構張拉過程具有如下特點:1)弦支穹頂結構的幾何形狀、邊界約束和受力狀態(tài)是不斷變化的;2)采用不同的工藝會導致結構的受力狀態(tài)變化有較大差異,如使用分層組裝張拉法和上層網(wǎng)殼吊裝至設計位置后張拉,2種施工工藝結構的受力狀態(tài)變化是完全不同的,或者同樣是上層網(wǎng)殼吊裝至設計位置,張拉順序或張拉方法不同也可以形成完全不同的受力狀態(tài)。因此,弦支穹頂結構張拉全過程數(shù)值模擬必須滿足:數(shù)值模型必須保證各構件的幾何、材料與實際結構在每一施工階段中的狀態(tài)相同,構件之間的連接與實際結構施工狀態(tài)相符,預拉力的施加效果符合實際的張拉效果,結構在每一施工階段的荷載和邊界約束與實際結構的施工狀態(tài)相同。

張拉階段是一個時變過程,在這個過程中,桿件個數(shù)、荷載和準結構邊界都在變化。如果把初應變看作結構參數(shù)引入到計算模型中,在張拉過程中該參數(shù)在不斷地變化,即是時變的。張拉階段的數(shù)值模擬內(nèi)容與使用階段的比較見表2,2個階段模擬的內(nèi)容存在一些差異。

表2 張拉階段和使用階段的數(shù)值模擬區(qū)別

3.1 關鍵施工參數(shù)模擬及施工控制變量的確定

3.1.1 臨時支撐的數(shù)值模擬 施工結構的數(shù)值模型的變邊界特性是由臨時支撐的增減引起的,如何準確模擬變邊界特性,取決于臨時支撐的正確模擬。

臨時支撐只存在于弦支穹頂結構的施工階段,且當結構張拉拱起,全部臨時支撐與結構脫離后,這些臨時支撐就徹底退出工作。從受力性質(zhì)上講,臨時支架只承受軸向壓力,采用只壓不拉的空間二力桿單元可以準確模擬臨時支撐。

3.1.2 施工順序,張拉力施加,張拉方式的數(shù)值模擬 施工順序的引入不僅與分析模型中結構荷載和臨時支撐有關,最主要的是與預應力施加方式和張拉順序有關,也即預應力張拉采用的施工順序不同,張拉階段外部荷載以及臨時支撐系統(tǒng)的類型和布置也不一樣,這些差異可以在分析模型中如實體現(xiàn)。該文采用前進法模擬施工順序,利用施加初應變法模擬環(huán)索張拉,分析中采用從外而內(nèi)逐環(huán)張拉方式。

3.1.3 確定張拉過程的控制變量 隨著張拉施工的進行,結構將逐漸脫離臨時支撐并成形,其剛度和承載力都比單層網(wǎng)殼有了顯著的增強。結構的變形對張拉力不再敏感,張拉力的微小增量不會導致顯著的結構變形,因此可采用張拉力控制方法,即使用張拉力控制結構位形和內(nèi)力。另一方面,與預拉力相比,結構施工中的位移測量結果相對精確,也可選擇變形作為張拉過程結構分析時的控制變量輔助量。而控制點及控制自由度的選取可以根據(jù)施工中的要求來確定,一般選擇易于測量的自由度,如豎向位移,且宜選擇豎向位移較大的點,如網(wǎng)殼中心點或者其他網(wǎng)殼節(jié)點。而更為精確的方法則是選擇預應力和變形作為雙重控制變量,文中采用該雙重控制變量。

因此,張拉過程分析可理解為給定各環(huán)索在每個張拉階段的目標預拉力計算對應的結構內(nèi)力和位移,分析結構在張拉施工中有無不利狀態(tài),避免個別構件或位置位移或內(nèi)力響應超限,為實際施工控制提供數(shù)據(jù)和依據(jù)。

3.2 雙控法張拉全過程算法

弦支穹頂結構的幾何位形在施加預應力后可能發(fā)生較大改變,即初始狀態(tài)和零狀態(tài)的幾何可能存在較大差異,往往不可忽略,因此,結構構件能否按建筑設計圖紙進行施工放樣是值得商榷的。而合理的做法是先對弦支穹頂結構進行找形分析,確定合理的初始狀態(tài)幾何,并以此為分析起點,確定結構初始狀態(tài)的內(nèi)力分布和放樣幾何,然后由放樣幾何狀態(tài)出發(fā)進行張拉全過程分析。

在上述分析研究以及雙控法施工找形算法[24]的基礎上,編制了針對逐環(huán)張拉環(huán)索的施工方法的張拉全過程分析程序SCAP,其主要步驟有:

1)首先,采用SFP程序[11]對已知預應力態(tài)構型的弦支穹頂結構進行施工找形。

2)按照找形分析得到的放樣態(tài)更新數(shù)值分析模型;

3)按照更新后的數(shù)據(jù)建立第一施工階段數(shù)值分析模型,引入施工階段模型的初應變,并施加外荷載;

4)進行幾何非線性計算,并得到本施工階段的施工控制索力和節(jié)點控制位移,然后按照施工順序,對其他的施工階段重復上述內(nèi)容,依次獲得各施工階段的施工控制索力和節(jié)點控制位移。

圖2給出了張拉全程分析程序SCAP的流程,該分析程序由于是基于雙控施工找形基礎上的,因此可同時滿足預應力設定值和預應力平衡態(tài)位形的雙重要求。

圖2 張拉全程分析程序

該文通過引入4個關鍵施工參數(shù)所建立的施工全過程數(shù)值模擬方法,代表了弦支穹頂結構施工工藝普遍的過程,所以該模型在弦支穹頂結構施工分析中具有較強的適應性。具體應用中,可以根據(jù)實際工程的不同工藝作適當調(diào)整。

3.3 算例分析

弦支穹頂結構模型如圖3所示,其上部結構為跨度90m、矢高15m的k8-聯(lián)方型單層網(wǎng)殼。弦支穹頂結構桿件和臨時支撐的截面參數(shù)見表3,預應力設計值如表4所示。張拉施工方法按照由外環(huán)而內(nèi)環(huán)的順序,采用同一圈環(huán)索同步張拉,且1次張拉 到位,各個施工階段具體內(nèi)容如表5所示。

圖3 弦支穹頂結構模型

表3 預應力設計值

表4 弦支穹頂結構構件截面參數(shù)

表5 施工階段內(nèi)容

表6 施工找形計算結果

表7 張拉全過程模擬計算結果

表6給出了施工找形的結果,具體算法可參考文獻[24];表7給出了張拉全過程模擬計算結果。其中表7中的目標值即為表6通過施工找形計算得出的預應力P2的值。從表7可知,全過程分析得出的預應力最終值與找形得出的一致。據(jù)此驗證了該計算方法的正確性和有效性。

張拉全過程分析可得出各個施工階段的施工控制值以及施工階段控制點位移,分別如表8、9所示。

表8 SFP施工控制值

續(xù)表8

表9 施工階段控制點位移

圖4給出了SCAP計算出的張拉過程中各個環(huán)索的張拉力,由該圖可知,張拉過程中,后續(xù)環(huán)索張拉會增加已張拉的各環(huán)環(huán)索力和撐桿內(nèi)力。張拉第n圈環(huán)索時,第n+1圈環(huán)索的索力增加量比較大,以S2、S3、S4索力受前一步張拉影響幅度較大,其增長幅度接近10%,而已張拉的第n+2至8圈環(huán)索索力增加量較小,索力增長幅度小于1%。總體來看,逐環(huán)張拉各環(huán)環(huán)索時,各環(huán)索相互影響較小,這與此結構上部網(wǎng)殼的剛度較大有關。

圖4 SCAP計算出的環(huán)索張拉力

采用由SCAP程序計算出的拉索預應力施工控制值、結構變形控制值進行施工,可按照設定的精度滿度施工要求。因此,考慮了施工進程的雙控法預應力張拉分析方法是理想的施工階段分析方法,其分析結果可按設定精度滿足設計和施工控制、監(jiān)測的要求。

4 結論

通過對弦支穹頂結構施工工藝的系統(tǒng)研究,提出了4個關鍵施工參數(shù):施工順序、預拉力施加方式、臨時支撐系統(tǒng)和張拉方式(包括張拉順序和批次);并將這些參數(shù)引入到施工過程分析的有限元模型中。通過分析張拉階段受力機理,表明弦支穹頂結構索張拉過程中,拉索初應變、桿件個數(shù)、荷載和準結構邊界等參數(shù)都表現(xiàn)出時變性。

根據(jù)上述施工分析的時變有限元模型,編制了張拉全過程分析程序,并對一算例進行了分析,算例分析表明按照該文方法,采用雙控法,可按照設定的精度滿度施工要求,從而驗證了所提算法的正確性和有效性。

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