大跨度輪輻式單雙層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)施工過程模擬*

袁 野,張其林,張舒翔,羅曉群

(同濟大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092)

0 引言

大跨度索系柔性屋架常見形式包括索穹頂和輪輻式結(jié)構(gòu),輪輻式結(jié)構(gòu)包括單層索網(wǎng)與雙層索網(wǎng)。目前,國內(nèi)已建成多項具有代表性的輪輻式索網(wǎng)結(jié)構(gòu),主要應(yīng)用在各類體育場上,包括深圳寶安體育場[1-2]、蘇州奧體中心體育場[3]、棗莊體育場[4]、鄭州奧體中心體育場[5-6]、盤錦體育中心體育場[7-8]等,這些輪輻式索網(wǎng)屋架或為單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu),或為雙層索網(wǎng)結(jié)構(gòu),均為雙向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)。

對于對稱輪輻式索網(wǎng)結(jié)構(gòu),現(xiàn)已有相關(guān)大量研究,如張月強等[9]對內(nèi)凹形輪輻式張拉結(jié)構(gòu)初始預(yù)應(yīng)力和構(gòu)型間關(guān)系進行了研究,分析了結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù),如徑向索矢跨比、桁架榀數(shù)、內(nèi)外環(huán)相對高差等對結(jié)構(gòu)性態(tài)的影響。劉占省等[10]通過縮尺模型試驗研究對比了圓形輪輻式索桁架結(jié)構(gòu)張拉徑向索、張拉環(huán)向索和頂升內(nèi)撐桿3種施工張拉方法,得出了張拉徑向索方案操作最方便、工程實用性最好的結(jié)論。郭彥林等[11]結(jié)合試驗與數(shù)值模擬方法對寶安體育場的輪輻式屋蓋結(jié)構(gòu)張拉施工過程進行研究,比較了4種張拉方案,并最終制定了張拉徑向索的施工方案。夏晨[12]以蘇州工業(yè)園區(qū)體育場為工程對象,研究了輪輻式馬鞍形單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工方案,并結(jié)合結(jié)構(gòu)各幾何參數(shù)對結(jié)構(gòu)靜力性能進行參數(shù)化分析。

為研究輪輻式單雙層混合索網(wǎng)結(jié)構(gòu)在施工過程中內(nèi)力與結(jié)構(gòu)位移的變化規(guī)律,探究合理的施工張拉工序,本文對樂山奧體中心體育場屋架施工過程進行數(shù)值模擬,以期為類似項目提供參考。

1 工程概況

樂山奧體中心項目位于樂山蘇稽新區(qū),為四川省第十四屆運動會提供場館硬件支持,項目由體育場、體育館、游泳館、全民健身中心組成,其中,體育場索網(wǎng)屋架為世界首例大跨度輪輻式單雙層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)[13-14]。單雙層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)更符合體育場場地特征,為豐富屋面整體造型與優(yōu)化看臺座位的排布提供了條件。體育場設(shè)固定座席20 000座,活動座席10 000座,結(jié)構(gòu)投影平面呈橢圓形,南北向長約244m、東西向長約235m,東側(cè)為內(nèi)高外低雙層索網(wǎng),最高處設(shè)計標(biāo)高30.000m,西側(cè)為內(nèi)低外高單層索網(wǎng),最高處設(shè)計標(biāo)高44.850m,雙層索網(wǎng)間設(shè)豎向撐桿,從雙層索網(wǎng)向單層索網(wǎng)過渡,撐桿長度逐漸變短,形成高低錯落屋面形態(tài),體育場效果與剖面分別如圖1,2所示。

圖1 樂山奧體中心體育場效果

圖2 體育場剖面(單位:m)

2 張拉流程簡介

索網(wǎng)現(xiàn)場施工模擬流程可分為3個主要步驟:低空低應(yīng)力組裝、整體提升安裝與分批成組錨固。其中,低空低應(yīng)力組裝是索網(wǎng)內(nèi)各拉索、撐桿單元,在低空按一定步驟組裝至索網(wǎng)對應(yīng)位置并提升到一定高度的過程,經(jīng)過低空低應(yīng)力組裝,形成了索網(wǎng)初步形態(tài)、位置與預(yù)應(yīng)力分布;整體提升安裝是通過提升、張拉、調(diào)整,將索網(wǎng)從低空低應(yīng)力狀態(tài)逐漸張拉至預(yù)期初始狀態(tài)(即僅考慮預(yù)應(yīng)力與自重的計算狀態(tài))的過程,經(jīng)過整體提升安裝,使索網(wǎng)達到能承受荷載的初始狀態(tài)、索網(wǎng)形態(tài)貼近設(shè)計形態(tài),預(yù)應(yīng)力分布符合設(shè)計要求;分批成組錨固是當(dāng)索網(wǎng)整體提升至接近設(shè)計狀態(tài)時,按不同分組,先后分批次對徑向索進行錨固,在徑向索尾端部與外環(huán)剛架間形成永久連接。本節(jié)采用3D3S軟件對施工過程進行模擬計算。

張拉過程是針對拉索與撐桿組成的索網(wǎng),因此,以屋蓋外圍鋼結(jié)構(gòu)全部安裝完成作為張拉施工起點,首先將單層環(huán)向索、雙層上環(huán)向索及各上層徑向索組成的上層索網(wǎng)體系組裝起來,并向上提升;待上層索網(wǎng)體系提升到一定高度后,將雙層下環(huán)向索與下層徑向索組成的下層索網(wǎng)體系也組裝好,掛至上層索網(wǎng)上;之后同時提升上、下層索網(wǎng),在上層索網(wǎng)位置合適、兩層索網(wǎng)間距合適時逐組組裝撐桿,直至所有撐桿全部組裝完成,此過程為低空低應(yīng)力組裝過程。

如圖3所示,單層索網(wǎng)共16榀,按南北對稱性分別編號為1～8。雙層索網(wǎng)共26榀,組裝撐桿時,將每對上下對應(yīng)相同位置的徑向索中間所夾撐桿定義為1組,按對稱性編為13組,定義南/北側(cè)(單雙層索網(wǎng)交界處最短)撐桿組號為1,到東側(cè)(最長)撐桿組號為13,安裝順序為1～13,即撐桿由短到長逐步安裝。

圖3 徑向索分組(單位:m)

在索網(wǎng)全部組裝完成后,需交替張拉單雙層徑向索,控制索網(wǎng)整體形態(tài)基本水平,并逐漸向上提升,至索網(wǎng)整體達到設(shè)計位置、索網(wǎng)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)達到設(shè)計狀態(tài)后,安裝銷軸,完成張拉,此過程為整體提升安裝過程。

索網(wǎng)張拉過程全部通過各徑向索尾端部與鋼結(jié)構(gòu)相連的工裝索控制。在計算過程中,通過控制工裝索原長進行張緊和放松,通過對工裝索進行分組張拉、分批次張拉控制索網(wǎng)整體形態(tài)與位置。索網(wǎng)張拉過程為:①狀態(tài)1 組裝好上層環(huán)向索、徑向索,索網(wǎng)呈碗形,環(huán)向索平攤于地面,工裝索與上層徑向索連接進行牽引,使上層徑、環(huán)向索逐漸向上提升,工裝索長度為8～10m;②狀態(tài)2 上層索網(wǎng)提升到一定高度后,組裝下層索網(wǎng),將下層徑、環(huán)向索掛在上層索網(wǎng)上,之后開始同步提升上、下層索網(wǎng),工裝索長度為7～9m;③狀態(tài)3 待上層索網(wǎng)高度合適且上、下層索網(wǎng)間距合適時,開始組裝撐桿,該過程也是上、下層索網(wǎng)同步提升的過程,工裝索長度為6～8m;④狀態(tài)4 撐桿組裝完成一半時,上、下層索網(wǎng)均有所提升,工裝索長度為5～7m;⑤狀態(tài)5 撐桿組裝完畢,在自重作用下雙層索網(wǎng)稍向東側(cè)傾斜,工裝索長度為4～6m;⑥狀態(tài)6 索網(wǎng)調(diào)平,主要張拉雙層雙網(wǎng)上、下徑向索,提升雙層索網(wǎng)高度,工裝索長度為3～6m;⑦狀態(tài)7 所有徑向索同步提升,單雙層徑向索同步張拉,提升索網(wǎng)整體高度,工裝索長度為1～4m;⑧狀態(tài)8 主要張拉單層索網(wǎng),放緩雙層索網(wǎng)提升,工裝索長度為1～3m;⑨狀態(tài)9 單雙層徑向索同步張拉,索網(wǎng)整體同步提升,微調(diào)至接近初始狀態(tài),工裝索全部收回,按先單層索網(wǎng)后雙層索網(wǎng),先索網(wǎng)對稱位置后單雙層交界位置的順序,分批成組安裝銷軸進行錨固,如圖4所示。

圖4 索網(wǎng)張拉過程

3 分析模型構(gòu)成

分析模型采用環(huán)向索分索建模方式,整體模型如圖5所示。對于各環(huán)索夾節(jié)點位置,采用主從節(jié)點約束方式,豎直撐桿上、下端節(jié)點為主節(jié)點,各分環(huán)索經(jīng)過索夾處節(jié)點為從節(jié)點,假設(shè)索夾本身變形很小,節(jié)點無內(nèi)部相對位移,從節(jié)點位移與主節(jié)點位移耦合,各索夾自重產(chǎn)生的節(jié)點力施加于主節(jié)點上。環(huán)向索建模如圖6所示。

圖5 施工模擬建模

圖6 環(huán)向索建模

數(shù)值模擬中,按設(shè)計模型定義索網(wǎng)各類構(gòu)件截面規(guī)格,如表1所示。

表1 索網(wǎng)構(gòu)件規(guī)格

4 張拉過程中索力與位移結(jié)果

張拉過程中,計算一系列結(jié)構(gòu)中間狀態(tài),選取部分具有代表性狀態(tài),截取結(jié)構(gòu)豎直方向位移狀態(tài)圖,如圖7所示。其中,狀態(tài)1～6為低空低應(yīng)力組裝階段,狀態(tài)7～12為整體提升安裝階段。

對張拉全過程進行結(jié)果統(tǒng)計,取部分重要節(jié)點、單元,提取其位移、內(nèi)力結(jié)果,繪制全過程變化曲線如圖8所示,圖中選取了所計算的22個結(jié)構(gòu)狀態(tài)所對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖8 張拉過程中位移與索力變化

4.1 內(nèi)環(huán)位形變化

由圖8a可知,整個張拉過程中,索網(wǎng)內(nèi)環(huán)東側(cè)、西側(cè)、南/北側(cè)均在平穩(wěn)上升,伴有小范圍波動。西側(cè)索網(wǎng)由于自重較小,提升較快,節(jié)點高度始終高于東側(cè)與南/北側(cè)節(jié)點高度。在低空低應(yīng)力組裝過程中,索網(wǎng)西側(cè)較高,東/南/北側(cè)較低且基本等高度,索網(wǎng)體現(xiàn)為西側(cè)對東/南/北側(cè)的“牽引”。由于下層環(huán)向索與徑向索在較早施工步中附著于上層索網(wǎng),導(dǎo)致索網(wǎng)整體“偏重”,東側(cè)有向下沉趨勢,因此直至狀態(tài)9,東側(cè)上節(jié)點高度仍和西側(cè)差距較大,從狀態(tài)9至狀態(tài)10,經(jīng)過了一個索網(wǎng)整體調(diào)平過程,其后再開始整體提升。

整體提升也并非完全同步提升,從狀態(tài)11至狀態(tài)14,是內(nèi)環(huán)基本同步提升過程;從狀態(tài)15至狀態(tài)16,放緩了雙層索網(wǎng)(東側(cè)節(jié)點)的提升,主要提升了西側(cè)與南/北側(cè)索網(wǎng),從狀態(tài)17至狀態(tài)22,稍微放緩了南/北側(cè)索網(wǎng)提升,東/西側(cè)索網(wǎng)基本同步提升,在狀態(tài)22基本達到了索網(wǎng)初始狀態(tài)。

4.2 環(huán)/徑向索索力變化

由圖8b,8c可知,環(huán)向索索力與徑向索索力變化均呈先慢后快趨勢,在低空低應(yīng)力組裝階段與整體提升安裝的前半階段,索力均緩慢上升,在整體提升安裝的后半階段,索力迅速上升,每單位提升高度產(chǎn)生的索力提高大大增加。從數(shù)值上看,南/北側(cè)徑向索位于單雙層索網(wǎng)交界處,索網(wǎng)剛度變化明顯,且此位置索網(wǎng)斜度較低,索網(wǎng)曲面較水平,徑向索較緊繃,索力最大;西側(cè)徑向索為單層索網(wǎng),索力由單層徑向索承擔(dān),牽引環(huán)向索;東側(cè)徑向索為雙層索網(wǎng),由單層徑向索承受環(huán)向索與撐桿重力,索力最小,其中,下層徑向索還有一個類似于環(huán)向索的“兜住”上層索網(wǎng)與撐桿的效應(yīng),因此下層徑向索索力大于上層徑向索。

觀察低空低應(yīng)力組裝階段徑向索索力變化情況,可發(fā)現(xiàn)徑向索索力變化主要與撐桿安裝有關(guān):西側(cè)無撐桿安裝,徑向索索力基本平穩(wěn)增加;東、南/北側(cè)均有撐桿安裝,徑向索索力出現(xiàn)了波動。其中,每個位置撐桿安裝均會導(dǎo)致該位置徑向索索力減小,下徑向索索力增加。狀態(tài)3安裝了第1組撐桿,同時南/北側(cè)徑向索(相當(dāng)于第1組撐桿附近上徑向索)索力下降;狀態(tài)9安裝了第13組撐桿,同時東側(cè)上徑向索索力下降,東側(cè)下徑向索索力上升。

4.3 索網(wǎng)交界處索力變化

由圖8d可知,東側(cè)上、下環(huán)向索索力之和與西側(cè)環(huán)向索索力在整個張拉過程中基本一致。由于索網(wǎng)組裝順序為上環(huán)/徑向索→下環(huán)/徑向索→撐桿,在安裝過程中,撐桿與下層索網(wǎng)重力主要由上層索網(wǎng)承受,上層索網(wǎng)為“掛住”下層索網(wǎng)和撐桿的受力狀態(tài),因此,狀態(tài)5～9中上層環(huán)向索索力大于下層環(huán)向索索力,在索網(wǎng)調(diào)平(狀態(tài) 9～10) 過程中,下層環(huán)向索索力上升,雙層索網(wǎng)變成下層索網(wǎng)“兜住”上層索網(wǎng)和撐桿的受力狀態(tài),雙層索網(wǎng)重力主要由下層索網(wǎng)承受,直至索力達到初始態(tài)水平。

由圖8e可知,雖然交界位置總索力平衡,但環(huán)向索內(nèi)各單索索力分布不均勻,在狀態(tài)8與狀態(tài)20,單索不平衡力出現(xiàn)了2個峰值,全過程最大不平衡力約為380kN?？傊?靠近場館外側(cè)的單索索力較大,靠近場館內(nèi)側(cè)的單索索力較小。

在狀態(tài)8位置,主要施工工序為加設(shè)撐桿與調(diào)平索網(wǎng),在此過程中,上層與下層索力發(fā)生重分配,由加設(shè)撐桿時上層環(huán)向索主受力到調(diào)平索網(wǎng)后上、下層索網(wǎng)共同受力。在此階段,單層環(huán)向索與雙層環(huán)向索索力調(diào)整速度不一致,導(dǎo)致單索不平衡索力較大。

在狀態(tài)20位置,索網(wǎng)已張拉至較接近初始態(tài)的位形,由于該階段索力大,各分索間不平行,同時進行索力調(diào)整以達到平衡,導(dǎo)致此處也出現(xiàn)了1個較高不平衡索力值。

施工模擬結(jié)束狀態(tài)與結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)結(jié)果對比如表2所示,考察張拉是否到位。由表2可知,施工模擬結(jié)束后,索網(wǎng)內(nèi)環(huán)高度基本張拉至初始狀態(tài)要求的高度,索網(wǎng)索力除雙層上環(huán)向索比初始態(tài)稍低以外,其他拉索基本均張拉至初始態(tài)索力值,且具備不同程度的過張拉,可以認(rèn)為,施工張拉模擬的最終結(jié)果(狀態(tài)22)是與初始狀態(tài)很接近的一個狀態(tài)。

表2 施工模擬與初始態(tài)結(jié)果對比

5 施工過程中關(guān)鍵問題

1)每次安裝撐桿時,不僅會導(dǎo)致該位置上、下徑向索索力變化,也會影響整個索網(wǎng)位移形態(tài),安裝撐桿時,會導(dǎo)致東側(cè)雙層索網(wǎng)自重增加,東側(cè)索網(wǎng)下沉,索網(wǎng)整體向東側(cè)傾斜。施工過程中可以考慮結(jié)合腳手架、臨時支撐等,先安裝再提升,盡量減小撐桿重力的影響。

2)從狀態(tài)9至狀態(tài)10的索網(wǎng)調(diào)平非常重要,在此過程中主要發(fā)生了雙層索網(wǎng)提升與雙層上下環(huán)向索、徑向索索力調(diào)整,這個步驟能否處理好,直接關(guān)乎后面整體提升過程中索網(wǎng)是否水平、索力變化是否穩(wěn)定。因此,在實際張拉中,需密切監(jiān)測關(guān)鍵節(jié)點高度、關(guān)鍵單元內(nèi)力,保證調(diào)平后索網(wǎng)位置水平與內(nèi)力分布合理。

3)最后的幾個狀態(tài),其提升高度與前面階段接近,但索力上升很快,在實際施工時,張拉至接近初始態(tài)時索力增速會有明顯上升,此階段(整體提升后半段)尤其需注意索力監(jiān)控,盡量減小每個施工步提升高度,防止索力出現(xiàn)突變或某些位置張拉過快導(dǎo)致出現(xiàn)索力分布不均情況。

綜上所述,索網(wǎng)張拉過程流程清晰可控,索力、位移變化平滑穩(wěn)定,施工模擬的最終狀態(tài)接近初始態(tài)結(jié)果,全過程未出現(xiàn)內(nèi)力突變,滿足構(gòu)件強度要求。

6 結(jié)語

針對樂山奧體中心體育場單雙層混合索網(wǎng)屋架施工過程進行數(shù)值模擬,得出以下結(jié)論。

1)通過低空低應(yīng)力組裝、整體提升安裝的兩階段施工模擬過程計算,明確了各階段、結(jié)構(gòu)位移與索力變化情況,計算出單雙層索網(wǎng)交界處最大不平衡索力約為380kN。

2)通過計算可知。影響張拉施工結(jié)果與安全性的主要因素為安裝撐桿過程及索網(wǎng)調(diào)平與應(yīng)力上升迅速的最終張拉,這些因素在單雙層索網(wǎng)混合結(jié)構(gòu)張拉中具有一定共性。