預(yù)應(yīng)力弦支結(jié)構(gòu)的張拉應(yīng)力分析及過程監(jiān)測

尹 琦

1 工程概況

太原煤炭交易中心——展覽中心位于太原市長風(fēng)西大街與濱河西路的交叉口，是2011年在山西省太原市中部六省博覽會的主會場，建筑面積約56000 m2，整個建筑為直徑250 m的圓形，周邊屋面結(jié)構(gòu)形式為管桁架體系，在建筑中心區(qū)域?yàn)橹睆郊s26 m的圓形空間，原設(shè)計為開敞式，但是業(yè)主要求中心區(qū)不但要有較好的采光并且要求建筑能夠封閉，所以設(shè)計考慮采用預(yù)應(yīng)力弦支結(jié)構(gòu)形式。作者參與了本工程的設(shè)計及施工過程。

預(yù)應(yīng)力弦支結(jié)構(gòu)是一種新型預(yù)張力結(jié)構(gòu)，近些年，我國陸續(xù)有此種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。在山西省民用鋼結(jié)構(gòu)中還是首次采用。中央?yún)^(qū)域采光頂為主索與玻璃屋面次索組合而成的弦支屋頂結(jié)構(gòu)，直徑36 m，矢高1.6 m，屋頂標(biāo)高為26 m。在弦支屋面主索與次拉索;屋面材料采用玻璃。

結(jié)構(gòu)布置見圖1。

圖1 索剖面圖

表1 張拉各階段撐桿和主索應(yīng)力值比較分析

2 施工過程模擬計算分析

1)施工張拉過程及次序。

張拉索屋面分5級張拉。因?yàn)槎臼┕さ脑?，張拉?yīng)力放大為設(shè)計應(yīng)力的1.1倍。5級張拉為:初緊→0.5→0.7→0.9→1.1;張拉行程分別為10 cm→6 cm→2 cm→0。每級張拉完成后部分監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1，表2。因?yàn)閺埨恢迷?6 m高的屋面，并且周邊結(jié)構(gòu)屋面施工安裝正在進(jìn)行，所以各個索的張拉不能夠同時進(jìn)行。為了解決這個矛盾，現(xiàn)場采取了分批張拉的辦法。⑨軸處外斜索為第1組，10號處外斜索為第2組，共分為8組。單雙數(shù)軸線張拉交替進(jìn)行。

2)計算分析模型及模擬辦法。

因?yàn)閺埨^程是一個動力學(xué)和靜力學(xué)結(jié)合的問題，所以軟件模擬時考慮建立了結(jié)構(gòu)的非線性動力有限元模型，將靜力學(xué)模型轉(zhuǎn)化為動力學(xué)模型，簡化了計算，通過更新桿件位置形態(tài)的辦法，最后又將動力形態(tài)轉(zhuǎn)化為靜力形態(tài)，并基于ANSYS計算平臺計算，5個工況的部分模擬值見表1，表2。

表2 張拉各階段次索應(yīng)力值

3 結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測儀器及測點(diǎn)布置

1)撐桿應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)選擇屋面結(jié)構(gòu)頂間隔90°布置的4，8，12，16四個軸線，應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)布置在四個軸線的撐桿下端及桿件左右兩側(cè)。為了使儀器與待測結(jié)構(gòu)的溫度膨脹系數(shù)接近，特采用了振弦應(yīng)變計。

2)主結(jié)構(gòu)索力監(jiān)測的選擇點(diǎn)也和撐桿應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)相同(4，8，12，16四個軸線)。主結(jié)構(gòu)索的應(yīng)力測量采用了索力動測儀。

3)次拉索的索力監(jiān)測，選這兩個對稱的單元。次拉索的應(yīng)力監(jiān)測采用弓式測力計。

4)結(jié)構(gòu)位移的監(jiān)測主要是測量各個軸線位置撐桿的豎向監(jiān)測。結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測采用高精度精密全站儀。

4 張拉過程監(jiān)測值與數(shù)值模擬結(jié)果比較分析

1)表1中顯示的數(shù)據(jù)為撐桿和主結(jié)構(gòu)的實(shí)測、模擬兩種數(shù)據(jù)的比較及誤差統(tǒng)計;表2顯示的數(shù)據(jù)為次索的實(shí)測、模擬兩種數(shù)據(jù)的比較及誤差統(tǒng)計。

2)分析數(shù)據(jù)可以看出，在張拉過程中，索力的實(shí)測值和模擬值誤差是較大的，而張拉成型之后，索力和計算模擬值誤差較小。究其原因，是因?yàn)樗鲹螚U在成型前后內(nèi)力比值較小;長度變化也較小(在幾個毫米之內(nèi));施工安裝也有一定誤差，所以影響了數(shù)據(jù)。但是同類型的索力還是十分均勻的，無論是張拉過程中還是張拉成型后，索力監(jiān)測值與模擬值相比的誤差都是很接近的，張拉成型后，預(yù)應(yīng)力達(dá)到最大值。

3)由表2看出，次結(jié)構(gòu)玻璃幕墻的索力和軟件模擬差距還是較大的，需要通過索身上的套筒進(jìn)行調(diào)整。

4)圖2中顯示各個撐桿位移在張拉各階段的變化量基本相同，內(nèi)外撐桿在成型后的標(biāo)高十分接近，成品的外觀效果很好。

圖2 撐桿位移監(jiān)測值

5 結(jié)語

1)對本預(yù)應(yīng)力弦支屋面的主索及撐桿的監(jiān)測結(jié)果基本和計算模擬吻合，并且預(yù)應(yīng)力是在張拉過程中逐步產(chǎn)生，在成型時達(dá)到最大值。

2)因?yàn)橹苓叚h(huán)境的局限，采取了對稱形式的分軸線張拉，未能同步張拉。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的比較，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)還是能夠比較好的吻合，并且能夠滿足國家相關(guān)規(guī)范的要求。說明圓形弦支屋面的張拉在計算和張拉次序安排合理的前提下能夠?qū)崿F(xiàn)不同步張拉。較為遺憾的是次索網(wǎng)幕墻索的數(shù)據(jù)偏差較大，需二次調(diào)整。

[1]劉 浩.探析后張法預(yù)制箱梁預(yù)應(yīng)力損失的計算和控制[J].山西建筑，2011，37(14):40-41.