預(yù)應(yīng)力空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu),長(zhǎng)向(縱向)跨度約450 m,短向(橫向)99 m。結(jié)構(gòu)由預(yù)應(yīng)力雙層圓柱面網(wǎng)殼部分和拉桿—提籃拱部分組成,見圖1。

網(wǎng)殼部分分為A1～A5五個(gè)區(qū),各區(qū)均為90 m×99 m跨,99 m跨方向?yàn)橐粓A弧曲線,網(wǎng)殼縱向及橫向最外側(cè)支撐于柱上;提籃拱部分分為G1～G4四個(gè)區(qū)。為減小網(wǎng)殼對(duì)柱支座產(chǎn)生的水平推力,并控制網(wǎng)殼在自重作用下的撓度,在柱頂處網(wǎng)殼下弦橫向布置水平拉索;在提籃拱下弦設(shè)水平預(yù)應(yīng)力拉桿,以減小拱腳處水平推力,并在提籃拱下設(shè)置豎向吊桿懸掛網(wǎng)殼,對(duì)吊桿進(jìn)行預(yù)張拉使其具有足夠剛度,為網(wǎng)殼提供豎向彈性支撐,使網(wǎng)殼形成四邊支撐的雙向受力體系。結(jié)構(gòu)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(qiáng)鋼絲束。圖2和圖3分別為結(jié)構(gòu)的側(cè)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(jié)構(gòu)中的拉索和吊桿數(shù)目龐大,必須采用分區(qū)分批張拉的方案。結(jié)合網(wǎng)殼和提籃拱的安裝進(jìn)度和計(jì)算分析結(jié)果,確定張拉方案如下:1)每片網(wǎng)殼安裝完成后,在吊桿下方設(shè)置臨時(shí)支撐胎架;2)先張拉各區(qū)拉索,再?gòu)埨鲄^(qū)吊桿,拉索在網(wǎng)殼安裝完成后即可張拉,吊桿須等網(wǎng)殼屋面系統(tǒng)全部完成后方可進(jìn)行張拉;3)按照A1～A5的次序依次張拉各區(qū)拉索,任一區(qū)中,由中間往兩邊對(duì)稱進(jìn)行;4)按照G1～G4的次序依次張拉各區(qū)吊桿,任一區(qū)中,從中間往兩邊在拱的左右兩個(gè)分支上對(duì)稱進(jìn)行。

從張拉方案中可知,在提籃拱下面的吊桿張拉前,網(wǎng)殼是依靠吊桿下方設(shè)置的臨時(shí)支撐形成雙向受力體系的,因此,設(shè)計(jì)明確要求在施工過程中必須保證吊桿下方臨時(shí)支撐的可靠性,這樣才能確保網(wǎng)殼在吊桿張拉前處于比較良好的受力狀態(tài)。然而,在網(wǎng)殼安裝完成后,水平拉索張拉前,網(wǎng)殼中出現(xiàn)了較多數(shù)量的“彎桿”(即壓屈桿件),網(wǎng)殼的跨中撓度達(dá)到15 cm,超出理論計(jì)算5 cm,基本接近網(wǎng)殼在單向受力狀態(tài)時(shí)的數(shù)值,并且網(wǎng)殼在臨時(shí)支撐點(diǎn)附近下沉較多,使得吊桿安裝無法進(jìn)行。分析其原因,網(wǎng)殼施工單位對(duì)臨時(shí)支撐的可靠性沒有足夠重視,一方面支撐數(shù)量和強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求,另一方面施工場(chǎng)地條件較差,加之施工期間多日連降大雨,地基條件進(jìn)一步惡化,臨時(shí)支撐產(chǎn)生一定沉降,兩個(gè)因素綜合影響使得吊桿下方設(shè)置的臨時(shí)支撐近乎失效,從而引起“彎桿”、網(wǎng)殼跨中撓度過大和吊桿無法安裝等問題。經(jīng)設(shè)計(jì)、施工和檢測(cè)單位分析討論以及專家論證,提出了相應(yīng)的解決方案:1)采用夯實(shí)、碾壓和排水等措施對(duì)支撐下部地基進(jìn)行處理,改善場(chǎng)地條件,并在支撐下加墊厚木板,以使支撐反力較均勻地?cái)U(kuò)散在地基上;2)經(jīng)理論分析驗(yàn)證,可在網(wǎng)殼下方均勻布置多臺(tái)千斤頂實(shí)現(xiàn)同步頂升,使吊桿下方網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)復(fù)位,檢測(cè)單位全程監(jiān)測(cè)網(wǎng)殼頂升過程;3)在網(wǎng)殼頂升完成后,放松千斤頂前,增加吊桿下方支撐的數(shù)量和強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求,并替換出現(xiàn)的“彎桿”。在網(wǎng)殼頂升完成后,水平拉索的張拉便可立即進(jìn)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(wǎng)殼在水平拉索張拉后,需等屋面系統(tǒng)全部完成后才能進(jìn)行吊桿張拉,也就是說吊桿下方的臨時(shí)支撐仍需保持較長(zhǎng)一段時(shí)間。而且臨時(shí)支撐下方不可能設(shè)置鋼筋混凝土基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)(代價(jià)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(chǎng)地條件,在網(wǎng)殼頂升復(fù)位之后支撐仍有可能產(chǎn)生一定的沉降[1]。為此,建立支撐沉降的有限元模型進(jìn)行分析,了解不同支撐沉降量對(duì)網(wǎng)殼可能產(chǎn)生的影響,為后續(xù)施工過程中的支撐沉降控制提供理論依據(jù)。

3 支撐沉降分析

以A5區(qū)網(wǎng)殼為研究對(duì)象。由于在吊桿張拉前,各區(qū)網(wǎng)殼獨(dú)立工作,因此僅建立A5區(qū)網(wǎng)殼的有限元分析模型,在吊桿下節(jié)點(diǎn)處施加強(qiáng)迫位移模擬支撐沉降,并對(duì)網(wǎng)殼下弦水平拉索未張拉和已張拉兩種狀態(tài)下的支撐沉降進(jìn)行分析。

分析采用兩種支撐沉降位移模式:

一種是假設(shè)從一側(cè)拱腳到另一側(cè)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(gè)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(gè)支撐到拱腳的距離;m為支撐數(shù)量。正弦分布位移模式基本近似于地基整體性較好、網(wǎng)殼整體性發(fā)揮作用的狀態(tài),因而是偏安全的。

另一種為文克勒位移模式,即假設(shè)各支撐沉降量與支撐反力成正比:

其中,Ri為第i個(gè)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(wǎng)殼整體性,因而是偏危險(xiǎn)的。

表1 各種情況下的“彎桿”數(shù)量

實(shí)際情況應(yīng)介于上述兩種情況之間。在這兩種模式下,設(shè)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(jìn)行分析,在每次的分析結(jié)果中,按照GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[2,3]檢查各桿件局部穩(wěn)定性,不滿足規(guī)范要求即 認(rèn)定為“彎桿”,并統(tǒng)計(jì)各種情況下的“彎桿”數(shù)量。分析結(jié)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(tài)、最大沉降為40 mm時(shí)的“彎桿”分布情況)。

由分析結(jié)果可知,正弦分布位移模式下,“彎桿”的位置集中在支撐兩側(cè),而在文克勒位移模式下則分布比較均勻,實(shí)際工程在支撐的兩側(cè)和中間均出現(xiàn)“彎桿”,但以兩側(cè)居多,因此相對(duì)來說,實(shí)際發(fā)生的沉降位移模式應(yīng)該更接近于正弦分布。此外,對(duì)比拉索張拉前后的“彎桿”數(shù)量可知,拉索張拉與否對(duì)“彎桿”數(shù)量基本沒有影響。根據(jù)表1,支撐最大沉降在20 mm以內(nèi)時(shí),各種情況下的“彎桿”數(shù)量均較少,而最大沉降超過20 mm后,“彎桿”數(shù)量迅速增加,因此支撐沉降的控制數(shù)值以小于20 mm為宜。實(shí)際上,為了避免后續(xù)施工過程中支撐沉降問題的發(fā)生,可以修改張拉方案,在網(wǎng)殼頂升復(fù)位和水平拉索張拉完成后立即張拉吊桿(此時(shí)網(wǎng)殼屋面系統(tǒng)施工尚未開始),這樣可大大縮短臨時(shí)支撐的使用時(shí)間。當(dāng)然張拉方案的修改需要設(shè)計(jì)院與預(yù)應(yīng)力施工單位對(duì)吊桿的預(yù)應(yīng)力施工過程重新進(jìn)行分析,預(yù)應(yīng)力施工過程中的張拉控制力、索伸長(zhǎng)值以及提籃拱和網(wǎng)殼的桿件應(yīng)力、結(jié)構(gòu)變形等控制數(shù)據(jù)都需要全部重新計(jì)算,設(shè)計(jì)與分析的工作量較大。但如果按照原定張拉方案進(jìn)行施工,則一定要對(duì)支撐沉降量進(jìn)行監(jiān)控,并采取相應(yīng)的措施將其控制在20 mm范圍以內(nèi),避免再次出現(xiàn)影響結(jié)構(gòu)安全的問題。

4 結(jié)語(yǔ)

從本工程結(jié)構(gòu)施工過程中出現(xiàn)的問題可發(fā)現(xiàn),臨時(shí)支撐的可靠性問題不容忽視,主要包括兩個(gè)方面,一方面為支撐的數(shù)量和強(qiáng)度,另一方面則為支撐的沉降。支撐的數(shù)量和強(qiáng)度一般在設(shè)計(jì)中會(huì)明確提出要求,因而較易得到保證,而支撐的沉降問題在設(shè)計(jì)時(shí)一般不會(huì)充分考慮甚至忽略,因此難以控制,而根據(jù)本文的支撐沉降分析結(jié)果,較大的支撐沉降會(huì)使網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)較多數(shù)量的“彎桿”,影響結(jié)構(gòu)的安全,因此支撐沉降問題必須引起足夠的重視,最好在設(shè)計(jì)時(shí)就能夠給予充分考慮,對(duì)支撐沉降的問題進(jìn)行詳細(xì)分析,提出施工過程中的沉降控制數(shù)值,便于施工單位采取相應(yīng)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(yè)建筑,2004,34(12):12-14.

[2]GB 50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]王國(guó)周,瞿履謙.鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.