張力索桁屋蓋設(shè)計與施工

杜 娟, 吳清明, 丁明剛

(1. 拉薩市設(shè)計院, 西藏拉薩 850000; 2. 中交通力股份有限公司, 陜西西安 710065)

1 張力索形桁架結(jié)構(gòu)

1.1 張力索桁吊橋

懸索吊橋跨越能力大，斜拉橋結(jié)構(gòu)剛度大，二者剛、柔特性無法作結(jié)合計算和使用。二者再加大跨徑也困難，可將斜拉橋用作懸索吊橋橋面使用。即將斜拉橋作分段相鄰懸吊組合連接形式，使懸索曲線外形改變成折線形主拉索,與斜拉索相互形成穩(wěn)定三角形桁架。索只具有受拉剛度，利用承重受拉條件，能夠形成張力索形桁架，是傳統(tǒng)形式桁架的“衍生”名稱。折線主拉索使懸吊斜拉橋面軸向受壓，獲得免費軸向預(yù)壓力，使橋面系抗彎剛度加大。張力索形桁架是一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式，作橋梁使用形成張力索桁吊橋。結(jié)構(gòu)有穩(wěn)定性好、承載剛度大、自重輕、變形小和抗風(fēng)穩(wěn)定好特點，適合向大跨徑發(fā)展。

1.2 張力索桁屋蓋

張力索形桁架是一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式，屋蓋與張力索形桁架作組合應(yīng)用，使大空間建筑變得容易，張力索桁屋蓋新結(jié)構(gòu)應(yīng)用具有實用意義。采用輕型鋼屋蓋結(jié)構(gòu)與張力索形桁架相組合形成，具有空間整體剛度大，穩(wěn)定性好，重量很輕，結(jié)構(gòu)簡單，施工簡便特點。懸索和斜拉索都是高強度索，在屋蓋自重作用小，可形成穩(wěn)定張力索形桁架結(jié)構(gòu)。屋蓋主要起防風(fēng)、雨、雪、日曬和安裝太陽能電池板作用。索桁內(nèi)力復(fù)雜，建模和計算困難，可采用張力索桁吊橋建模和計算技術(shù)解決。即作有限元實用工程數(shù)值模擬仿真建模大數(shù)據(jù)計算，使用工作站計算簡便，計算結(jié)果全面、直觀，便于作修改和優(yōu)化。張力索桁屋蓋經(jīng)濟性好，用途廣泛。

2 計算方法

2.1 有限元模擬仿真計算

張力索桁屋蓋是新結(jié)構(gòu)，必須做科學(xué)計算，以證明其科學(xué)和正確性。唯有采用仿真建模計算密集型大數(shù)據(jù)計算，才能認清其力學(xué)原理和內(nèi)力規(guī)侓。西北工業(yè)大學(xué)王國強教授著有《實用工程數(shù)值模擬技術(shù)……》[2]，是對仿真建模計算的引導(dǎo)。張力索桁屋蓋采用索、梁、板單元組合形成，如何作組合建模和作計算，現(xiàn)在問題都能解決。

2.2 計算軟、硬件

現(xiàn)在計算機和有限元程序技術(shù)都有很大發(fā)展，已為結(jié)構(gòu)使用仿真建模計算提供了條件，也是世界發(fā)展的趨勢。我國不缺計算機硬件，市場上可買到計算軟件程序，關(guān)鍵是作具體應(yīng)用的經(jīng)驗。聯(lián)想C20工作站內(nèi)存16G，能作百萬單元計算，模型規(guī)模已經(jīng)夠大。

2.3 抗風(fēng)穩(wěn)定

張力索桁屋蓋是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形式，張力索形桁架是空間高大變剛度組合桁架，結(jié)構(gòu)空間剛度大，變形小和抗風(fēng)穩(wěn)定性好。抗風(fēng)穩(wěn)定問題主要是陣風(fēng)作用影響，除對懸吊斜拉索和屋蓋結(jié)構(gòu)剛度適當(dāng)作加強外，可模擬積雪和風(fēng)荷載作活荷載加載計算。屋蓋端部應(yīng)設(shè)邊加勁桁架加勁，在兩側(cè)加設(shè)抗風(fēng)索保持穩(wěn)定，頂面應(yīng)加設(shè)預(yù)拱度排水。

2.4 技術(shù)發(fā)展

張力索桁屋蓋是新型張力索桁結(jié)構(gòu)，是張力索桁吊橋技術(shù)的使用，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物?，F(xiàn)在有計算程序和工作站，可使新型張力索桁屋蓋技術(shù)獲得發(fā)展。屋蓋技術(shù)使用場合廣泛，各種技術(shù)難度和造價都高，唯有張力索桁屋蓋技術(shù)先進、合理和經(jīng)濟，適合體育場、展館、商場、車間、車站、倉庫使用，也適合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)作溫室種植、養(yǎng)殖科學(xué)發(fā)展，可用于人工改造沙漠。

3 設(shè)計計算

3.1 計算方法

一般結(jié)構(gòu)計算是作簡化近似計算，已不能滿足現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)發(fā)展需要。采用仿真建模大數(shù)據(jù)計算，使計算全面和詳細，全面反映內(nèi)力真實情況。只是不同單元建模困難，大規(guī)模單元數(shù)量計算困難。

3.2 仿真建模

3.2.1 建模原理

有限元程序是先將結(jié)構(gòu)作離散單元劃分，然后再作數(shù)學(xué)計算，計算是對結(jié)構(gòu)偏微分方程作積分求解。有限元計算原理有(美)J.S.《矩陣結(jié)構(gòu)分析理論》[1]，是結(jié)構(gòu)體系作內(nèi)、外力平衡計算，按單元剛度作內(nèi)力分配和傳遞，矩陣力學(xué)計算方法科學(xué)先進，已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。

3.2.2 建模技術(shù)

建模原理：梁單元連接、索應(yīng)力剛化、計算密集型大數(shù)據(jù)計算，詳見《實用工程數(shù)值模擬仿真建模計算》內(nèi)容。

3.3 仿真建模應(yīng)用

3.3.1 CAD技術(shù)

有限單元法計算結(jié)構(gòu)模型繪圖，已經(jīng)結(jié)合了CAD繪圖建模技術(shù)，使結(jié)構(gòu)模型建模繪圖很方便。仿真建模的單元類型多，使結(jié)構(gòu)組合建模發(fā)生困難。在不同單元之間，可以按需要加設(shè)梁連接單元。使用靈活、方便，即梁與梁、梁與板、桁架與板之間都可加設(shè)梁連接單元。

3.3.2 MIDAS/CIVL邁達斯程序建模

3.3.2.1 建模

邁達斯程序界面好，采用CAD建模方便易學(xué)，對索單元采用應(yīng)力剛化。索應(yīng)力剛化是采用名義彈性模量E=4×1.95×1011=7.80×1011Pa，自己定義輸入E=7.8×1011Pa經(jīng)驗值方法很簡單、實用。

3.3.2.2 功能

結(jié)構(gòu)作仿真建模，是將模型簡化為節(jié)點、線、面和塊體單元顯示，邁達斯程序最大單元計算控制數(shù)量在100萬以內(nèi)。程序具有消隱顯示功能，直接顯示出結(jié)構(gòu)真實立體外形，形象直觀，便于分析和檢查模型的合理性，也便于對模型再優(yōu)化。

3.3.2.3 張力索桁屋蓋建模

張力索桁屋蓋作仿真建模，模型有索、梁和板三種單元類型，并有梁-板和板-桁結(jié)構(gòu)相互組合。索、梁單元建模簡單，以縱、橫梁與板相互間配合組合復(fù)雜，需要添加梁連接單元作組合，板單元劃分較細，使總單元數(shù)量很龐大。但單元建模有規(guī)侓性可循，可利用結(jié)構(gòu)對稱性作簡化，使仿真建模簡便。

3.3.2.4 建模經(jīng)驗

CAD程序節(jié)點和單元建模、移動、復(fù)制和修改功能都很強，很簡便、靈活、實用。板單元具有建模、移動、旋轉(zhuǎn)和復(fù)制等功能，也簡便、靈活、實用。拋物線索建模，可利用程序基本結(jié)構(gòu)拱建模助手，將自動形成拱曲線旋轉(zhuǎn)-180°角度即可。折線主拉索可以修改拋物線索形成?？v、橫梁和縱梁與板相互組合建模，加設(shè)梁連接單元簡便，先建立一定單位長度基本節(jié)段，再作節(jié)段復(fù)制簡單。屋面段斜拉索先作移動、復(fù)制和修改，移動懸吊節(jié)點形成方便。

3.3.2.5 MIDAS/CIVL程序計算

對邁達斯程序作索應(yīng)力剛化，采用名義彈性模量E=4“E”作計算，修改索單元彈模賦值方便，同理可應(yīng)用于其他結(jié)構(gòu)程序作計算。對索單元作應(yīng)力剛化數(shù)值量化，使應(yīng)力剛化概念更直觀。張力索桁屋蓋結(jié)構(gòu)的空間約束扭轉(zhuǎn)作用大，唯仿真建模計算最清楚。

4 張力索桁屋蓋特性

4.1 技術(shù)先進性

張力索桁結(jié)構(gòu)是新型的建筑結(jié)構(gòu)形式，充分發(fā)揮索的高強度優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)自重輕、整體剛度大和穩(wěn)定性好，使其具有大跨度能力，是新的大跨度結(jié)構(gòu)發(fā)展方向。屋蓋結(jié)構(gòu)僅承受風(fēng)、雨、雪荷載，結(jié)構(gòu)是自重小的輕型鋼桁、梁骨架，跨度適合100～500 m，以寬度10 m為基本單元可組合形成任意寬度，即形成任意大、小矩形屋蓋，遠超過其他任何結(jié)構(gòu)形式屋蓋。

4.2 結(jié)構(gòu)特性

張力索桁屋蓋結(jié)構(gòu)是獨立懸吊體系，由塔架、錨碇、纜索和屋蓋組合形成，使用具有調(diào)整方便靈活的特點。屋蓋結(jié)構(gòu)簡單，由鋼管倒三角形桁架梁與拉索相組合，形成張力索形桁架梁，承受寬度以10 m為基本單元的橫、縱輕型鋼梁重量，在縱梁上安裝屋面薄鋼板、采光板、太陽能電池板。屋面薄鋼板、采光板、太陽能電池板都設(shè)有邊框架，以便于加工、安裝和維修。張力索形桁架梁為空間結(jié)構(gòu)，豎向承載剛度大，橫向空間剛度也大，故10 m單元寬度的自身穩(wěn)定性好。按10 m單元寬度作多個單元用橫梁作組合，整體屋蓋的剛度很大，穩(wěn)定性很好。

4.3 技術(shù)應(yīng)用

張力索桁屋蓋是懸吊結(jié)構(gòu)，屋蓋復(fù)蓋面積大、小可靈活變化使用，既可與所復(fù)蓋結(jié)構(gòu)相結(jié)合，也可獨立配合復(fù)蓋已有結(jié)構(gòu)，如露天體育場、館。屋蓋復(fù)蓋面積大、小按需要而定，使其經(jīng)濟合理，經(jīng)濟性受塔柱和錨碇影響大。高塔架可以是鋼管、鋼筋砼或鋼管砼桁架，錨碇可采用預(yù)應(yīng)力樁—板組合或箱形重力式結(jié)構(gòu)，充分利用地基抗力作用。主拉索垂/跨比選擇，可使內(nèi)力合理和經(jīng)濟，斜拉索分段長度應(yīng)合理。屋蓋結(jié)構(gòu)都采用統(tǒng)一標準，以方便設(shè)計、加工和施工。

5 算例

5.1 模型數(shù)據(jù)

面積A=300×500 m2, 跨度L=300 m, 寬度B=500 m, 單元寬度b=10 m。

建模面積F=(L/2)×(B/3)=150×170 m2，加勁桁架高度h=3 m，寬度b=5 m。

弦桿鋼管φ200×6 mm，腹桿鋼管φ120×6 mm， 橫梁方鋼管□200 mm×150 mm×6 mm。

縱梁方鋼管□160 mm×120 mm×4 mm，屋面板□1000 mm×1000 mm×3 mm，屋面板邊框角鋼L=50 mm×50 mm×4 mm。

屋面板連接桿角鋼L=50 mm×50 mm×4 mm，縱梁連接桿角鋼L=50 mm×50 mm×4 mm。

桁架弦桿連接桿角鋼L=100 mm×100 mm×10 mm，縱與橫梁連接桿角鋼L=100 mm×100 mm×10 mm。

塔柱變徑鋼管φ2000(小1000)×20 mm，塔柱頂橫梁工字鋼Ⅰ500×12 mm，索鞍d=500 mm。

主拉索(垂/跨)=F/L=1/15，主拉索n=2×7×φ15.24 mm鋼絞線，斜拉索n=2×φ15.24 mm鋼絞線。

5.2 仿真建模

風(fēng)、雨、雪荷載，采用恒載加大系數(shù)1.3。

模型：L=300 m，節(jié)點540 283，單元780 606(梁370 906、板409 700)。

塔架：變徑鋼管按板單元建模。

5.3 大數(shù)據(jù)計算

聯(lián)想C20工作站，內(nèi)存16G，顯存4G,計算機時約2 h。

計算結(jié)果圖：圖1～圖4。

圖1 反力Rx、Ry、Rz

圖2 單元內(nèi)力Fx

圖3 寬度10m 板單元內(nèi)力Fx

圖4 寬度10m 梁單元內(nèi)力Fx

5.4 計算結(jié)論

張力索桁屋蓋數(shù)值模擬仿真建模大數(shù)據(jù)計算，進行順利并成功。計算成果全面，云圖顯示形象清楚，便于認識結(jié)構(gòu)特性。證明張力索桁屋蓋結(jié)構(gòu)科學(xué)合理，安全可靠，技術(shù)先進，施工簡便經(jīng)濟。張力索桁屋蓋劃分為基本單元的仿真建模方法正確、合理、簡單，便于作任意橫向復(fù)制加寬。對張力索桁屋蓋基本單元作單獨計算，證明結(jié)構(gòu)剛度大和穩(wěn)定性好，與橫向加寬后整體計算結(jié)果相近。屋面鋼板張力剛度大是其特點，證明整體屋蓋整體剛度大和穩(wěn)定性好。張力索桁屋蓋平面建模方便，施工中利用加勁桁架加設(shè)排水預(yù)拱度。

6 施工

6.1 索長計算

測定塔柱和錨碇的實際位置坐標和高程，用于仿真建模設(shè)計作修正計算。再量測確定拉索分段和斜拉索長度，按各計算拉力計算彈性延伸長度，用各計算索長度扣除其彈性延伸長度，即得到錨固、索鞍和索夾位置和下料計算長度，作好標志備用。

6.2 安裝

在地面上制索、安裝索夾和斜拉索，并作好拉索環(huán)氧聚合物膩子注[3]防護。用吊車將拉索吊入索鞍，并在錨碇作準確錨固，完成拉索安裝。

6.3 架設(shè)

在地面分節(jié)段作倒三角形加勁桁架鋼管拼裝，并安裝好橫、縱輕型鋼梁，作好防護處理。在懸吊拉索上設(shè)起吊點，將節(jié)段倒三角形加勁鋼管桁架提升就位安裝，從跨度中央向兩邊安裝，并逐一處理接頭連接。在屋蓋桁架安裝后，索桁屋蓋結(jié)構(gòu)將自動張拉成型，最后安裝屋面鋼板及防護處理。

7 結(jié)束語

7.1 索桁桁架

對張力索桁吊橋技術(shù)的研究，誕生出張力索形桁架和張力索桁屋蓋新技術(shù)，具有創(chuàng)新發(fā)展意義。

7.2 仿真建模

有限元實用工程數(shù)值模擬技術(shù)，適合作仿真建模計算。采用梁連接單元的特性函義，使連接組合單元數(shù)量大為簡化，是有限元程序技術(shù)的使用技巧，解決了建模困難，使仿真建模變得簡單、實用。

7.3 索應(yīng)力剛化

高強度預(yù)應(yīng)力索在有限元程序中應(yīng)用，需要作索應(yīng)力剛化，使結(jié)構(gòu)剛度矩陣和坐標保持不變。采用名義彈性模量E=7.8×1011Pa經(jīng)驗值作索應(yīng)力剛化的量化，使用簡便。

7.4 大數(shù)據(jù)計算

使用有限元程序作仿真建模，結(jié)構(gòu)單元和梁連接單元數(shù)量都龐大，需要作計算密集型大數(shù)據(jù)計算，現(xiàn)在工作站可滿足計算需要，解決了特大跨度屋蓋技術(shù)發(fā)展的困難。

7.5 板—桁結(jié)構(gòu)

張力索形桁架是穩(wěn)定桁架結(jié)構(gòu)形式，宜按板—桁架結(jié)構(gòu)概念設(shè)計屋面加勁桁架，對結(jié)構(gòu)作整體計算。

7.6 張力索桁屋蓋發(fā)展

張力索桁屋蓋新技術(shù)結(jié)構(gòu)自重輕，抗彎剛度大和穩(wěn)定性好，施工技術(shù)簡單，具有明顯經(jīng)濟和技術(shù)竟?fàn)巸?yōu)勢。各種大屋蓋技術(shù)都復(fù)雜和困難，張力索桁屋蓋技術(shù)用途廣泛，將會迎來新發(fā)展。