河北北方學(xué)院體育館弦支穹頂結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力施工過程分析

曹 江 羅 斌 郭正興 陳宗學(xué)

1. 中建八局工程研究院 上海 200122；2. 東南大學(xué)土木工程學(xué)院 江蘇 南京 210096；3. 河北建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 河北 保定 071000

弦支穹頂結(jié)構(gòu)自提出以來，便憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)理念、高效的傳力機(jī)制以及簡潔美觀的造型在工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。弦支穹頂作為一種先進(jìn)的預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)，一般由上部單層網(wǎng)殼和下部弦支索桿體系組成，其預(yù)應(yīng)力施工方法一般包括三大類，即環(huán)向索張拉、徑向索張拉和撐桿頂升[4]。

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的施工不能是簡單地進(jìn)行索的張拉，因?yàn)樵陬A(yù)應(yīng)力逐步建立的過程中，其他環(huán)索、徑向索以及相鄰其他構(gòu)件的內(nèi)力均會受到不同程度的影響。因此需詳盡地對結(jié)構(gòu)以及其施工過程進(jìn)行分析，以掌握結(jié)構(gòu)的特性，保證施工過程的安全，選擇合理的預(yù)應(yīng)力施加方案，確定結(jié)構(gòu)的施工參數(shù)和施工控制目標(biāo)等。本文結(jié)合河北北方學(xué)院體育館鋼屋蓋弦支穹頂工程項(xiàng)目，采用ANSYS有限元軟件，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工全過程分析，確定了合理的拉索張拉施工方案，為工程施工提供可靠依據(jù)。

1 工程概況

河北北方學(xué)院體育館鋼屋蓋弦支穹頂結(jié)構(gòu)由上部單層網(wǎng)殼和下部索桿體系構(gòu)成，是傳統(tǒng)索穹頂與空間網(wǎng)殼的混合體（圖1）。

整個(gè)弦支穹頂?shù)倪吔绻?jié)點(diǎn)與環(huán)形鋼梁通過焊接球節(jié)點(diǎn)連接，環(huán)形鋼梁的部分節(jié)點(diǎn)與柱的連接采用鑄鋼球鉸支座形式，共設(shè)32個(gè)支座，球鉸支座安裝在下部鋼筋混凝土框架柱頂上。

屋蓋結(jié)構(gòu)的平面投影為類橢圓形（圖2），尺寸約為89.9 m×82.7 m，結(jié)構(gòu)上部單層網(wǎng)殼為凱威特型和聯(lián)方型結(jié)合布置，網(wǎng)殼最高點(diǎn)標(biāo)高為25.36 m，由于網(wǎng)殼周邊支撐不等高，結(jié)構(gòu)在x、y這2個(gè)方向上的矢高分別為4.14 m和4.86 m；下部弦支索桿體系為Levy體系，設(shè)置有5圈環(huán)索、6道徑向鋼拉桿，最內(nèi)圈徑向鋼拉桿與中心撐桿連接。本工程在分析過程中，將5圈環(huán)索由內(nèi)向外編號為HS1～HS5。

圖1 體育館屋蓋結(jié)構(gòu)軸測圖

圖2 結(jié)構(gòu)平面示意

弦支穹頂下部索桿體系由環(huán)索、徑向索和撐桿構(gòu)成。其中環(huán)索為Galfan索，徑向索為鋼拉桿，撐桿采用圓鋼管，上端與網(wǎng)殼采用焊接球節(jié)點(diǎn)連接，下端與索夾固接。

2 施工方案

根據(jù)本工程特點(diǎn)，經(jīng)詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析和方案比對，確定采用環(huán)向索張拉法在結(jié)構(gòu)中建立所需的預(yù)應(yīng)力，總體施工方案[5-6]如下：第1步，搭設(shè)滿堂腳手架至網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)安裝位置，采用高空散拼的方法，按照施工圖拼裝上部單層網(wǎng)殼（圖3）；第2步，待網(wǎng)殼拼裝完成后，將網(wǎng)殼支座初步固定，同時(shí)，隨著網(wǎng)殼拼裝作業(yè)過程的開展，逐環(huán)安裝撐桿和相應(yīng)的拉索；第3步，從外環(huán)向內(nèi)環(huán)進(jìn)行第1次循環(huán)張拉，達(dá)到90%設(shè)計(jì)索力；第4步，將結(jié)構(gòu)脫離支架，從內(nèi)環(huán)向外環(huán)開始第2次循環(huán)張拉，使環(huán)索達(dá)到100%設(shè)計(jì)索力；第5步，張拉完成后，擰緊索夾；第6步，拉索施工完畢后，安裝馬道和屋面材料等。

圖3 單層網(wǎng)殼拼裝胎架布置

具體張拉順序：第1階段，由外環(huán)索向內(nèi)環(huán)索逐圈進(jìn)行張拉，每圈環(huán)索張拉至90%目標(biāo)索力；第2階段，由內(nèi)環(huán)索向外環(huán)索逐圈進(jìn)行張拉，每圈環(huán)索張拉至100%目標(biāo)索力（圖4）。

圖4 弦支穹頂環(huán)索張拉施工順序示意

進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施工時(shí)，外5環(huán)采用環(huán)索張拉法，最內(nèi)環(huán)采用徑向索張拉法；同一環(huán)的環(huán)索或徑向索同步分級張拉。外5環(huán)在張拉環(huán)索時(shí)，為減小索夾摩擦力引起的環(huán)索索力損失，從外向內(nèi)5環(huán)環(huán)索的張拉點(diǎn)的數(shù)量分別為8、8、6、4、4（圖5）。

本工程在拉索的任一張拉端均設(shè)置操作平臺進(jìn)行同步張拉施工。為控制結(jié)構(gòu)的整體位形和撐桿垂直度，以及預(yù)應(yīng)力建立的均勻性，同環(huán)拉索需同步分級張拉。同步張拉細(xì)分為6級：0→10%（初緊狀態(tài)）→25%→50%→70%→90%→100%。

弦支穹頂結(jié)構(gòu)只有通過張拉施工，在結(jié)構(gòu)中建立必要的預(yù)應(yīng)力后，才具有較大的結(jié)構(gòu)剛度，以承受較大荷載并維持設(shè)計(jì)位形。因此，除了構(gòu)件自身的幾何參數(shù)和力學(xué)特性、構(gòu)件之間的幾何拓?fù)潢P(guān)系和連接節(jié)點(diǎn)之外，預(yù)應(yīng)力也是結(jié)構(gòu)構(gòu)成的重要內(nèi)容。結(jié)構(gòu)中的“力”和“形”是統(tǒng)一的，“力”是在對應(yīng)的“形”上平衡。因此，結(jié)構(gòu)施工時(shí)要對“力”和“形”實(shí)行雙控，即控制索力和結(jié)構(gòu)形狀，其中以控制張拉點(diǎn)索力為主。

3 施工過程有限元分析

弦支穹頂結(jié)構(gòu)施工成形過程是一個(gè)連續(xù)變化的過程，下一階段的施工會對已完成部分的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的內(nèi)力、變形等產(chǎn)生影響，尤其是在結(jié)構(gòu)施工過程中預(yù)應(yīng)力的施加，會使結(jié)構(gòu)形態(tài)產(chǎn)生很大改變。只有對結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工全過程分析，掌握結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，跟蹤、模擬、計(jì)算每個(gè)施工階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移，才能準(zhǔn)確得到施工過程對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的累積效應(yīng)，保證結(jié)構(gòu)施工安全、有效地進(jìn)行。

3.1 有限元模型

建立ANSYS有限元計(jì)算模型時(shí)，單層網(wǎng)殼鋼構(gòu)件采用Beam188單元，撐桿采用Link8單元，拉索和鋼拉桿采用僅受拉的Link10單元，支撐胎架采用僅受壓的Link10單元。施工分析荷載，根據(jù)施工過程僅考慮結(jié)構(gòu)自重和屋面橫載[7]。

節(jié)點(diǎn)連接形式：單層網(wǎng)殼各節(jié)點(diǎn)固結(jié)；撐桿與環(huán)索采用耦合連接的方式，撐桿下節(jié)點(diǎn)與環(huán)索對應(yīng)節(jié)點(diǎn)在豎向和徑向耦合，環(huán)索在環(huán)向可以自由滑動。

邊界條件：第1階段，最外環(huán)鋼環(huán)梁在32個(gè)支承節(jié)點(diǎn)處采用豎向固結(jié)、切向固結(jié)、徑向可滑動（徑向無摩擦阻力）的約束方式，同時(shí)在網(wǎng)殼各個(gè)節(jié)點(diǎn)處設(shè)置豎向支撐；第2階段，在第1階段的基礎(chǔ)上拆除網(wǎng)殼各節(jié)點(diǎn)豎向支撐使網(wǎng)殼與支架脫開，同時(shí)最外圈鋼環(huán)梁在32個(gè)支承節(jié)點(diǎn)處繼續(xù)采用豎向固結(jié)、切向固結(jié)、徑向可滑動（徑向有摩擦因數(shù)為0.1的摩擦阻力）的約束方式。

注意到結(jié)構(gòu)具有雙重非線性（幾何非線性和材料非線性）的特點(diǎn)，分析中考慮幾何大變形和應(yīng)力剛化效應(yīng)。為保證計(jì)算過程的連續(xù)性，采用拉索初拉力荷載來模擬預(yù)應(yīng)力作用。

3.2 恒載初始態(tài)目標(biāo)索力分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，圖紙給定的弦支穹頂位形是屋面恒載和全部預(yù)應(yīng)力施加后正常使用的幾何形態(tài)，即在拉索等效預(yù)張力和結(jié)構(gòu)恒載共同作用下，結(jié)構(gòu)的跨中豎向位移、單向滑動端支座沿滑動方向的位移接近零。

現(xiàn)根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給出的環(huán)索等效預(yù)張力（表1），計(jì)算得到恒載初始態(tài)下的各環(huán)索目標(biāo)索力（表2、圖6）。

表1 環(huán)索等效預(yù)張力

表2 恒載作用下拉索目標(biāo)索力

圖5 弦支穹頂環(huán)索張拉點(diǎn)示意

圖6 環(huán)索目標(biāo)索力分析示意

3.3 施工過程模擬

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)都具有一定的空間作用，環(huán)索在張拉過程中，各環(huán)環(huán)索之間的索力會相互影響。因此，為滿足結(jié)構(gòu)的力與形，應(yīng)通過施工全過程的有限元分析，確定各環(huán)環(huán)索張拉工況下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的工作狀態(tài)及對應(yīng)的施工張拉索力[8]。利用ANSYS有限元分析軟件模擬整個(gè)施工張拉過程，分析得到了每個(gè)施工階段的拉索張拉力和環(huán)索在張拉過程中索力之間的相互影響情況。

分析結(jié)果表明，張拉鄰跨的環(huán)索時(shí)，先前已張拉的環(huán)索索力會有一定的變化，但整個(gè)施工過程中每環(huán)環(huán)索的索力變化均小于5%，證明該結(jié)構(gòu)體系的空間作用效應(yīng)并不明顯，可以采用從外環(huán)向內(nèi)環(huán)、再從內(nèi)環(huán)向外環(huán)循環(huán)張拉的施工方法（圖7）。

4 結(jié)語

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)與普通鋼結(jié)構(gòu)的重要區(qū)別之一在于預(yù)應(yīng)力的施加對結(jié)構(gòu)的形狀、內(nèi)力、其他環(huán)索和徑向索的索力及相鄰其他構(gòu)件都有所影響，需詳盡地對結(jié)構(gòu)的施工全過程進(jìn)行分析，以掌握結(jié)構(gòu)的特性。

圖7 工程現(xiàn)場

本文采用ANSYS有限元分析軟件對河北北方學(xué)院體育館鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的施工全過程進(jìn)行了模擬分析，得出以下幾個(gè)主要結(jié)論：

1）張拉過程中，相鄰環(huán)索索力相互影響較小，且最內(nèi)環(huán)鋼拉桿索力較小，預(yù)緊即可滿足要求。

2）本結(jié)構(gòu)在施工過程中的最大豎向位移為＋116.41 mm（上撓）和－41.92 mm（下?lián)希?，最大撓跨比?/712。

3）施工過程中網(wǎng)殼桿件的最大等效應(yīng)力不超過128.26 MPa，處于彈性應(yīng)力狀態(tài)。

4）脫架后，結(jié)構(gòu)豎向位移下移，即上撓從＋111.01 mm變至＋82.60 mm、下?lián)蠌模?.09 mm變至－36.87 mm；單層網(wǎng)殼桿件最大應(yīng)力基本沒變；環(huán)索的應(yīng)力均有不同程度的變化，最外環(huán)索HS5的索力增大3%，其余索的索力均有所下降，下降幅度均不超過9%。

分析結(jié)果表明：該工程的施工方案安全可靠，結(jié)構(gòu)在施工過程中的變形較小，受力較為均勻且合理，施工完成后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求，為工程施工提供了重要依據(jù)。