張弦梁張拉過程的平面外穩(wěn)定問題研究

0施工應(yīng)用前景張拉梁結(jié)構(gòu)由上弦拉索、下弦拉索和連接上弦拉索組成，如圖1所示。通過對下弦拉索施加預(yù)應(yīng)力,使撐桿對上部剛性構(gòu)件產(chǎn)生頂升力,上部構(gòu)件產(chǎn)生與外荷載(豎向恒荷載或活荷載)作用相反的內(nèi)力及變形,從而改善上部構(gòu)件的內(nèi)力分布與幅值,提高結(jié)構(gòu)的承載效率,減少結(jié)構(gòu)變形。作為一種自平衡體系,張弦梁結(jié)構(gòu)受力合理、制作和施工方便,在航站樓、會議中心等大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)中有良好的應(yīng)用前景,如浦東國際機(jī)場T2航站樓鋼屋蓋采用Y形斜柱支承、上弦為變截面箱形梁的多跨連續(xù)張弦梁,廣州國際會議展覽中心展覽大廳采用跨度126.6m、上弦為倒三角形斷面的張弦立體鋼管桁架,哈爾濱國際會議展覽體育中心也采用了跨度128m的張弦立體鋼管桁架。平面張弦梁結(jié)構(gòu)面外剛度較弱,設(shè)計(jì)狀態(tài)下一般通過檁條與屋面構(gòu)件等阻止其面外失穩(wěn),但張拉過程與設(shè)計(jì)狀態(tài)不同,需要設(shè)置臨時(shí)面外支撐以避免張拉過程中張弦梁發(fā)生面外失穩(wěn)。目前對張弦梁平面內(nèi)受力性能的研究文獻(xiàn)較多,而對張弦梁在使用階段以及張拉過程中的面外穩(wěn)定性研究較少。由于張弦梁是由上弦、撐桿與下弦拉索組成的雜交結(jié)構(gòu),其剛性構(gòu)件的位形不僅受到結(jié)構(gòu)自重、溫度荷載的作用,還與拉索預(yù)應(yīng)力的大小有關(guān);反之,拉索兩端與剛性構(gòu)件連接,剛性構(gòu)件的位移也會導(dǎo)致拉索預(yù)應(yīng)力的變化。因此在施工過程中,結(jié)構(gòu)的“力”與“形”相互影響。本文首先采用有限元方法對張弦梁結(jié)構(gòu)張拉過程的面外穩(wěn)定問題進(jìn)行了參數(shù)研究,然后介紹張弦梁張拉方案以及應(yīng)該注意的問題,最后通過一個張弦桁架算例分析張拉過程的受力情況。1拉索單元的設(shè)置如圖2所示的平面張弦梁結(jié)構(gòu),跨度L取30m,上弦構(gòu)件采用箱形截面鋼拱,撐桿采用圓鋼管,各構(gòu)件的基本參數(shù)如表1所示。張弦梁一側(cè)為固定鉸支座,另一側(cè)為滑動鉸支座,撐桿與上弦鋼拱、下弦拉索均為鉸接。張拉過程中張弦梁不受其他外荷載作用。在ANSYS有限元模型中,上弦鋼拱采用Beam188單元模擬,下弦拉索采用只拉不壓的Link10單元模擬,撐桿采用Link8單元模擬。約束張弦梁左端3個方向的平動自由度,約束右端x方向和y方向的平動自由度,為避免張弦梁在平面外成為機(jī)構(gòu),約束兩端繞z軸的轉(zhuǎn)動自由度。給拉索施加預(yù)應(yīng)力有3種常用方法:在拉索單元的實(shí)常數(shù)中設(shè)置初應(yīng)變;設(shè)置拉索單元的線膨脹系數(shù),對拉索降溫;還可在拉索端部與支座間插入一個很短的千斤頂單元,并對千斤頂單元升溫。這3種方法是等效的,本文采用降溫法(即方法2)。1.1面外支撐的影響僅在跨中設(shè)置1個撐桿,不設(shè)面外支撐,索垂度s取1.5m,矢高a變化范圍為0.5~5m。張弦梁僅在索力作用下屈曲,彈性屈曲分析求得的臨界索力Tcr如圖3所示。由圖3可知,上弦鋼拱矢高a對張弦梁在張拉過程中的面外穩(wěn)定性有顯著影響,隨著矢高a的增加,發(fā)生面外失穩(wěn)的臨界索力Tcr逐漸增大。但隨著矢高a的進(jìn)一步增加,臨界索力增長趨于平緩,即矢高對張弦梁面外穩(wěn)定的有利影響逐漸減弱。對于矢高a分別取0.5,2,3,5m4個算例,沿跨度方向在面外分別均勻布置1~3個面外支撐,面外支撐僅約束節(jié)點(diǎn)的面外(x方向)平動自由度。張弦梁發(fā)生平面外失穩(wěn)的臨界索力與相應(yīng)矢高下無面外支撐的臨界索力之比,如圖4所示。由圖4可知,隨著張弦梁面外支撐數(shù)的增加,平面外失穩(wěn)的臨界索力迅速增加,對于矢高較小的張弦梁,面外支撐對臨界索力的提高作用更加明顯。在沒有面外支撐時(shí),平面外失穩(wěn)的臨界索力很低,設(shè)置1個支撐時(shí)就能顯著改善其平面外穩(wěn)定性。在施工張拉過程中,應(yīng)依據(jù)實(shí)際預(yù)張力確定需要設(shè)置的面外支撐數(shù)目,同時(shí)要保證預(yù)張力不會使上弦梁進(jìn)入屈服。圖4也給出了使上弦構(gòu)件發(fā)生邊緣屈服的拉索預(yù)張力,可見對于該組算例設(shè)置1個面外支撐可以保證張拉過程中平面外失穩(wěn)不先于面內(nèi)的邊緣屈服發(fā)生。1.2著索垂度僅在跨中設(shè)置1個撐桿,不設(shè)面外支撐,上弦鋼拱矢高a取1.0m,索垂度s變化范圍0.5~5m。從圖5給出的彈性屈曲臨界索力可見,隨著索垂度的增加,張弦梁結(jié)構(gòu)在張拉過程更易發(fā)生面外失穩(wěn)。索垂度的增加對張弦梁的設(shè)計(jì)和施工均有影響,一方面增加了索力的豎向分量,即用較小的預(yù)張力可達(dá)到上弦構(gòu)件的起拱要求,不過也占用了更多的室內(nèi)空間,施工張拉過程中面外屈曲荷載也更低。沿跨度方向在面外分別均勻布置1~2個面外支撐,彈性屈曲分析所得臨界索力如圖6所示。由圖6可知,對于臨界索力較低的大垂度張弦梁,面外支撐對面外穩(wěn)定性的改善更為顯著。1.3張弦梁張拉過程彈性屈曲分析僅在跨中設(shè)置1個撐桿,不設(shè)面外支撐,上弦鋼拱矢高取1.0m,索垂度取1.5m,跨度L變化范圍20~50m。從圖7給出的有限元彈性屈曲臨界索力可見,跨度的增加會大大降低張弦梁張拉過程中平面外穩(wěn)定性,如跨度從20m增加到50m,臨界索力降低了約80%。實(shí)際工程中,張弦梁的跨度一般根據(jù)建筑設(shè)計(jì)要求確定。對大跨度張弦梁在張拉過程中的面外穩(wěn)定問題應(yīng)特別予以重視,計(jì)算張拉過程中張弦梁不發(fā)生面外屈曲的支撐數(shù)量。沿跨度方向在面外分別均勻布置1~3個面外支撐,進(jìn)行張拉過程的彈性屈曲分析,計(jì)算結(jié)果如圖8所示。可見在不同跨度條件下,增加面外支撐對張拉過程面外穩(wěn)定性的改善程度較接近。1.4面外支撐的設(shè)置為合理確定張拉過程的臨時(shí)面外支撐數(shù)目,前文提出應(yīng)保證平面外失穩(wěn)不先于邊緣屈服發(fā)生。張弦梁發(fā)生平面外失穩(wěn)或者邊緣屈服的臨界索力,均與上弦截面的面外與面內(nèi)慣性矩之比Iy/Ix有關(guān)。僅在跨中設(shè)置1個撐桿,上弦鋼拱矢高a均取1.0m,索垂度s取1.5m。上弦鋼拱采用箱形截面,截面高H不變,截面寬B取值范圍200~600mm,則Iy/Ix變化范圍為0.32~1.89,如表2所示。在不設(shè)置面外支撐時(shí),彈性屈曲分析所得臨界索力Tcr與Iy/Ix的關(guān)系如圖9所示。由圖9可見,Iy/Ix增大至5.9倍,臨界索力可提高到11.3倍,但鋼拱截面面積增加了70%。根據(jù)前面各小節(jié)的計(jì)算結(jié)果,設(shè)置2~3個面外支撐即可將臨界索力提高10倍左右,因此通過增加面外慣性矩的方式提高張弦梁面外穩(wěn)定性并不經(jīng)濟(jì)。對于Iy/Ix分別取0.32,1.00,1.893個算例,沿跨度方向在面外分別均勻布置1~3個面外支撐,彈性屈曲分析的臨界索力如圖10所示。由圖10計(jì)算可知,當(dāng)上弦截面平面外慣性矩很大時(shí)(Iy/Ix=1.89),設(shè)置1個面外支撐后張弦梁在張拉過程中卻發(fā)生平面內(nèi)失穩(wěn),此時(shí)進(jìn)一步增加面外支撐數(shù)目無法改變張弦梁的失穩(wěn)模態(tài),臨界索力保持不變。對于Iy/Ix=1的情況,設(shè)置2個或以上的面外支撐后,張弦梁也只發(fā)生平面內(nèi)失穩(wěn)。有限元彈性屈曲分析實(shí)際上是數(shù)學(xué)上求解特征值問題,對應(yīng)于結(jié)構(gòu)的平衡分岔失穩(wěn)。對于張弦梁而言,上弦構(gòu)件承受拉索軸力與撐桿的頂升力,屬于壓彎構(gòu)件的極值點(diǎn)失穩(wěn)。此處有限元屈曲分析獲得的平面內(nèi)屈曲模態(tài)盡管沒有實(shí)際意義,但卻說明此時(shí)的張弦梁由平面內(nèi)失穩(wěn)控制。1.5有限元彈性屈曲分析所得臨界索力上弦鋼拱矢高a均取1.0m,索垂度s均取1.5m,撐桿數(shù)取1~5個,變化面外支撐數(shù),有限元彈性屈曲分析所得臨界索力如圖11所示。由圖11可見,雖然撐桿數(shù)目改變了上弦鋼拱中的內(nèi)力分布,但由于張弦梁仍為面外單波整體失穩(wěn),撐桿數(shù)目對平面外失穩(wěn)的臨界索力Tcr影響不大。2張銀梁張拉設(shè)計(jì)方案與比較2.1胎架承接張拉和吊裝在張弦梁施工中,依據(jù)張弦梁結(jié)構(gòu)形式以及場地條件,可選擇在地面拼裝與張拉后再整體吊裝。如果張弦梁跨度較小,屋面荷載也不大,可依據(jù)計(jì)算結(jié)果在地面一次張拉到位。如果張弦梁跨度較大,或者屋面荷載較大,可依據(jù)計(jì)算結(jié)果先在地面張拉一次,然后吊裝就位后再分級張拉。應(yīng)用地面拼裝與張拉后再整體吊裝的施工方案時(shí),在地面組裝上弦剛性構(gòu)件以及進(jìn)行下弦索張拉時(shí)常采用立式拼裝作業(yè)法,以避免起吊時(shí)的翻身過程。對于跨度較大的張弦梁結(jié)構(gòu),可先采用胎架支承法在設(shè)計(jì)位置拼裝上弦梁,然后再穿索分級張拉。在安裝撐桿、放索和穿索之后,預(yù)張拉索使上弦起拱,這時(shí)支承胎架逐步脫離。如果拉索的預(yù)張量考慮了張弦梁的自重及之后施加的屋面檁條、支撐系統(tǒng)以及屋面板等荷載作用,拉索可以一次張拉到位,屋面結(jié)構(gòu)安裝后僅需對索力局部調(diào)整,稱為單步張拉法;如果拉索的預(yù)張量僅考慮張弦梁自重或自重及部分屋面荷載的作用,待屋面結(jié)構(gòu)安裝后再進(jìn)一步張拉,稱為分級張拉法。張弦梁采用單步張拉法還是分級張拉法,主要取決于張弦梁面內(nèi)強(qiáng)度與面外穩(wěn)定性。如果單步張拉不會使上弦梁邊緣進(jìn)入屈服,而且在張拉過程或者吊裝過程中平面外穩(wěn)定性能夠得到保證,采用單步張拉是最經(jīng)濟(jì)的做法。分步張拉是最穩(wěn)妥的張拉方法,可以依據(jù)每步張拉量計(jì)算張弦梁的平面內(nèi)強(qiáng)度與平面外穩(wěn)定性,并采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。張弦梁不僅在張拉過程中存在面外失穩(wěn)問題,在吊裝過程中也存在面外失穩(wěn)的可能。如果采用在地面拼裝、施加預(yù)張力后整體吊裝就位的施工方法,在張弦梁跨度較大的情況下,僅在支座處設(shè)置吊點(diǎn)的吊裝方案最容易導(dǎo)致張弦梁的面外失穩(wěn)。因此施工中應(yīng)合理選擇起吊位置與起吊機(jī)具,可增加吊點(diǎn)并嚴(yán)格控制起吊點(diǎn)之間的同步精度。在張弦梁張拉過程分析中,可采用倒拆法分別模擬單步張拉和分級張拉過程,得到不同施工方法中各施工步的預(yù)起拱量、上弦構(gòu)件內(nèi)力和拉索預(yù)張力大小,進(jìn)而判斷桿件截面強(qiáng)度以及整體面外穩(wěn)定性是否滿足要求,確定合理的臨時(shí)面外支撐數(shù)目,對于分級張拉還可優(yōu)化各張拉步的索力施加比例。2.2張弦桁架施工及張拉過程穩(wěn)定性分析如圖12所示,張弦桁架跨度130m,共設(shè)置11個撐桿,中間撐桿高11.4m。桁架為倒三角形截面,全部采用鋼管,桁架跨中附近的上弦桿和下弦桿截面分別為ue788480×18和ue788480×12,側(cè)面腹桿為ue78896×6,支座附近的上弦桿和下弦桿截面分別為ue788480×16和ue788480×24,側(cè)面腹桿為ue78890×8。連接兩個上弦桿的斜腹桿為ue788273×7。拉索與桁架連接處附近的桁架截面增大為ue788377×20。拉索選用ue7887×397,撐桿截面ue788325×8。桁架和撐桿均為Q345B鋼材,拉索抗拉強(qiáng)度1570MPa。張弦桁架一端為固定鉸支座,另一端為水平滑動鉸支座。撐桿與桁架、拉索通過球鉸連接。假設(shè)張弦桁架結(jié)構(gòu)自重為1374.5kN,檁條荷載為0.4kN/m2,屋面板荷載0.2kN/m2,吊掛設(shè)備荷載0.4kN/m2,相鄰兩榀張弦桁架距離15m,則單榀張弦桁架承受豎向均布荷載為15kN/m。1)面外彈性屈曲分析對張弦桁架在張拉過程中的平面外穩(wěn)定性進(jìn)行彈性屈曲分析,僅考慮重力作用,桁架節(jié)點(diǎn)不施加其他外荷載。由于彈性屈曲分析的屈曲荷載系數(shù)對重力和索力都進(jìn)行了縮放,需要迭代拉索預(yù)張力大小,使屈曲荷載系數(shù)等于1,以確保重力大小不變。計(jì)算結(jié)果表明,張弦桁架第一階彈性屈曲模態(tài)為整體平面外的單波失穩(wěn),如圖13所示,上弦桁架和下弦拉索向相反方向發(fā)生側(cè)移。第一階彈性屈曲對應(yīng)的索拉力為9275.7kN,將其與施工張拉索力進(jìn)行比較以決定是否設(shè)置面外支撐。2)張拉過程位移內(nèi)力發(fā)展情況在張弦桁架的張拉施工過程中,需要對索拉力、受力較大的桿件內(nèi)力以及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移進(jìn)行監(jiān)控,以確保施工過程的安全以及竣工后結(jié)構(gòu)位形、內(nèi)力與設(shè)計(jì)值的偏差控制在合理范圍之內(nèi)。采用有限元法模擬單步張拉和分級張拉施工過程,觀察圖12b所示關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移發(fā)展,以及圖12c所示關(guān)鍵桿件的內(nèi)力發(fā)展。單步張拉法的施工過程為:①地面胎架上拼裝桁架,張拉拉索至桁架達(dá)到目標(biāo)起拱量Δ1;②吊裝后安裝檁條、屋面板及吊掛設(shè)備,即施加外荷載15kN/m,引起的跨中撓度與前一步起拱量Δ1抵消,此時(shí)回到張弦梁的設(shè)計(jì)位形。分級張拉將張拉過程分為兩步,施工過程為:①地面胎架上拼裝桁架,張拉拉索至桁架達(dá)到目標(biāo)起拱量Δ21;②吊裝后安裝檁條即施加外荷載6kN/m,引起的跨中撓度與前一步起拱量Δ21抵消;③對拉索進(jìn)行第2次張拉,至桁架達(dá)到目標(biāo)起拱量Δ22;④安裝屋面板、吊掛設(shè)備即再施加外荷載9kN/m,引起的跨中撓度與前一步起拱量Δ22抵消,此時(shí)回到設(shè)計(jì)位形。采用倒拆法計(jì)算各步目標(biāo)起拱量和預(yù)張力大小,然后再采用正裝法模擬整個施工過程,兩種方法中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算結(jié)果如表3所示,關(guān)鍵桿件和拉索的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖14所示。分析以上算例的計(jì)算結(jié)果,可得到以下結(jié)論。1)盡管計(jì)算結(jié)果表明,在張弦桁架張拉過程中不需要設(shè)置側(cè)向臨時(shí)支撐。但檁條安裝后,實(shí)際上給張弦桁架提供了足夠的面外支撐作用,大大增強(qiáng)了張拉過程中張弦桁架的面外穩(wěn)定性。2)單步張拉中桁架最大起拱量207.9mm,發(fā)生在拉索張拉之后,為跨度的1/625。分級張拉中桁架最大起拱量124.8mm,發(fā)生在拉索第2次張拉之后,為跨度的1/1042,可見分級張拉由于不斷與外荷載平衡而能有效減小最大起拱量。3)在張拉過程中滑動支座(節(jié)點(diǎn)4)發(fā)生明顯水平位移,且分級張拉法的最大滑動量小于單步張拉。4)張拉過程中,由于桁架被起拱,跨中桁架下弦處桿件(桿件1)內(nèi)力超過竣工后的設(shè)計(jì)內(nèi)力,且單步張拉過程中桿件內(nèi)力峰值高于分級張拉,但低于桿件的屈服軸力。5)兩種張拉方法都是安全的,結(jié)構(gòu)竣工后位形和內(nèi)力基本相同。3張拉時(shí)