基于正裝迭代找形的懸吊結(jié)構(gòu)體系位形設(shè)計

0主體結(jié)構(gòu)的目標(biāo)位形安裝完成后，結(jié)構(gòu)中不可避免地會發(fā)生“形狀”和“力”的變化。“形”的變化來源于結(jié)構(gòu)自重的作用、環(huán)境溫度的影響以拉索預(yù)應(yīng)力的作用等?！傲Α钡淖兓梢园雌浣M成分解成兩部分,一是在安裝過程中形成的初始裝配內(nèi)力或殘余應(yīng)力,二是在結(jié)構(gòu)自身重量、溫度作用以及拉索預(yù)應(yīng)力張拉產(chǎn)生的內(nèi)力。前者產(chǎn)生的原因以及大小的評估比較復(fù)雜,目前很少在結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮,除非重大結(jié)構(gòu)工程。后者在結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計過程中已經(jīng)包含在內(nèi),如包含在荷載組合以及作用分析中。對于剛性屋蓋的施工安裝,目前的重點在于“形”的控制,即結(jié)構(gòu)在制作過程中尺寸偏差與安裝過程中位形偏差的控制。形的控制按照設(shè)計要求可以分為兩類:①對結(jié)構(gòu)目標(biāo)位形的控制不做任何要求,例如圍護(hù)結(jié)構(gòu)易于安裝且能適應(yīng)較大的位移變化,不依賴于主體結(jié)構(gòu)的目標(biāo)位形,這時可以按照設(shè)計位形作為安裝位形進(jìn)行主結(jié)構(gòu)的制作與安裝,落架后的位形“自由”發(fā)展,不做任何要求;②由于主體結(jié)構(gòu)的變形對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安裝或者其它建筑與使用功能要求比較敏感,要求主體結(jié)構(gòu)安裝完成的位形剛好落在目標(biāo)位形(包括自重的作用等)上,這就存在對原結(jié)構(gòu)設(shè)計位形進(jìn)行修改,尋找安裝完成后能夠滿足目標(biāo)位形的設(shè)計位形,這個過程就叫結(jié)構(gòu)施工變形預(yù)調(diào)值的確定。由鋼結(jié)構(gòu)與拉索形成的雜交結(jié)構(gòu),如張弦梁、弦支穹頂?shù)冉Y(jié)構(gòu),單從結(jié)構(gòu)受力性能考察,在施工過程中一般以預(yù)應(yīng)力控制為主,變形控制為輔。對于全柔性結(jié)構(gòu)體系,如索穹頂結(jié)構(gòu)、車輻式張拉屋蓋,則力與形的控制同樣重要,因為對于這類結(jié)構(gòu),形與力相互依存的程度很高。本文將針對懸吊結(jié)構(gòu)體系,研究其安裝位形的確定以及預(yù)應(yīng)力張拉控制方法。圖1就是其中一典型的懸吊結(jié)構(gòu)體系,這種結(jié)構(gòu)由兩種剛性結(jié)構(gòu)與連接二者之間的拉索組成,兩個剛性結(jié)構(gòu)是巨型鋼拱與屋面桁架結(jié)構(gòu),拉索則施加預(yù)應(yīng)力以提高整體結(jié)構(gòu)的剛度。對于這種結(jié)構(gòu),在安裝過程中的位形控制有兩種要求,一是屋蓋與巨型鋼拱結(jié)構(gòu)可以按照結(jié)構(gòu)設(shè)計位形進(jìn)行加工與安裝,而拉索可以通過施工張拉滿足對設(shè)計內(nèi)力的要求。按照這種制作與安裝方法完成的結(jié)構(gòu),盡管可以滿足設(shè)計內(nèi)力的要求,但位形在自重以及預(yù)應(yīng)力作用下發(fā)生了較大的變化,會遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離結(jié)構(gòu)的設(shè)計位形。如果主承重結(jié)構(gòu)的這種變形不影響其使用功能,且屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安裝與使用要求對主體結(jié)構(gòu)位形的變化不十分敏感,同時這種位形的變化對結(jié)構(gòu)外形的影響可以忽略的話,則完全可以按照這樣形成的位形驗收。如果結(jié)構(gòu)的使用功能要求對主體結(jié)構(gòu)安裝完成后的位形變化有嚴(yán)格要求與控制,假如屋蓋是一個開合頂,則活動屋蓋對固定屋蓋的位形變化比較敏感。因為固定屋蓋作為活動屋蓋的支承,在結(jié)構(gòu)使用階段其位形直接影響到活動屋蓋滑移時的順暢程度。不妨先約定結(jié)構(gòu)設(shè)計位形為結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙確定的位形,而目標(biāo)位形是依據(jù)使用功能確定的位形。因此,要求整體結(jié)構(gòu)在安裝完成后,固定屋蓋的目標(biāo)位形必須滿足一定的要求,即要求固定屋蓋在臨時支撐拆除、巨型鋼拱的安裝以及拉索預(yù)應(yīng)力張拉完成后的目標(biāo)位形滿足設(shè)計位形,即要求設(shè)計位形與目標(biāo)位形一致。因而本文要解決的關(guān)鍵問題之一就是要尋找固定屋蓋的安裝位形(在胎架支承下),使其在落架后以及預(yù)應(yīng)力拉索張拉到位后正好落在目標(biāo)位形上。這就是本文要解決的主要問題,即確定結(jié)構(gòu)的安裝位形。1元模型和施工方案的描述1.1高爾夫球場模型本文以鄂爾多斯體育場為例,結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。該體育場由中國建筑設(shè)計研究院設(shè)計,為開合屋蓋體育場,其體育場固定屋蓋投影為橢圓形,短軸為220m,長軸為268m,幾何形態(tài)為球面,外徑359.5m,以滿足屋面排水與活動屋蓋臺車運(yùn)行的需求;鋼拱高度129m,兩拱腳之間的中心距離約335m,拱所在平面與地面垂線并不重合,向西傾斜6.1°(見圖1);整體結(jié)構(gòu)南北對稱。模型主要顯示了體育場鋼結(jié)構(gòu)部分,沒有考慮混凝土柱以及環(huán)梁。由于實際工程中,鋼結(jié)構(gòu)環(huán)梁置于混凝土環(huán)梁上,連接采用抗震球形支座,所以在鋼環(huán)梁下部設(shè)置抗震球形支座處,近似按鉸接處理。圖2表示該體育場結(jié)構(gòu)的組成,其主要包括巨拱、拉索、固定屋蓋和活動屋蓋等,施工過程中還包括臨時支撐。固定屋蓋由主桁架、次桁架和環(huán)向桁架組成,主桁架通過拉索與巨拱相連,其上鋪設(shè)有活動屋蓋臺車軌道;活動屋蓋與鋼拱同樣由桁架組成。模型坐標(biāo)系為:兩拱腳中心連線為x軸,正向指南,豎直方向為z軸。拉索及臨時支撐編號如圖2所示,索1～23在體育場東側(cè),索24～46在西側(cè)。在ANSYS有限元模型中,拉索采用link8單元模擬;臨時支撐采用link10單元模擬(只壓不拉);桁架構(gòu)件采用beam188單元模擬。1.2胎架和斜拉索安裝設(shè)計單位提出了體育場鋼結(jié)構(gòu)安裝方案及順序如下:①施工看臺混凝土結(jié)構(gòu);②對應(yīng)拉索位置設(shè)置臨時施工支撐塔架,安裝固定屋蓋;③安裝巨型鋼拱,可以采用胎架支承分段提升或整體起扳滑移方案等;④安裝鋼吊索,進(jìn)行第1階段索力調(diào)整;⑤固定屋蓋臨時施工支撐塔架分步卸載;⑥安裝活動屋蓋軌道、分片安裝活動屋蓋等;⑦第2階段索力調(diào)整;⑧活動屋蓋結(jié)構(gòu)合攏、將臨時支撐替換為臺車、安裝活動屋蓋屋面板;⑨第3階段索力調(diào)整。該施工方案中,預(yù)應(yīng)力索分階段分級張拉,第1級張拉索力的50%,第2級張拉到索力的90%,第3級張拉到索力的105%,其中超張拉5%。2固定屋頂?shù)陌惭b位形的確定和控制—固定屋蓋初始安裝位形的確定與控制——安裝變形預(yù)調(diào)值的計算2.1安裝變形預(yù)調(diào)值本項目固定屋蓋的目標(biāo)位形定義為結(jié)構(gòu)的設(shè)計位形,即必須尋找一種位形,在固定屋蓋卸載后,其在自重與主拱預(yù)應(yīng)力等作用下達(dá)到結(jié)構(gòu)的設(shè)計位形。尋找的這種位形,就是固定屋蓋的安裝位形與加工位形。就計算方法而言,實際就是鋼結(jié)構(gòu)安裝變形預(yù)調(diào)值的計算問題。鋼結(jié)構(gòu)施工變形預(yù)調(diào)值計算主要有正裝迭代法、倒拆迭代法等。正裝法按施工順序逐步安裝構(gòu)件、施加荷載,從而模擬施工過程、分析結(jié)構(gòu)的受力和變形情況;倒拆法則通過逆序拆除構(gòu)件來分析被拆除的構(gòu)件對剩余結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響,通常情況下兩種方法均有較好效果。本文采用正裝迭代法結(jié)合ANSYS生死單元技術(shù)進(jìn)行施工全過程模擬,從而確定變形預(yù)調(diào)值,計算流程如圖3所示。2.2軌道桁架與鋼拱之間的垂直變形根據(jù)設(shè)計單位提供的資料,活動屋蓋的驅(qū)動控制系統(tǒng)對于主體結(jié)構(gòu)安裝偏差、極端氣象溫度、風(fēng)荷載、雪荷載等作用下結(jié)構(gòu)變形應(yīng)具有充分的適應(yīng)能力。在活動屋蓋運(yùn)行過程中,驅(qū)動控制系統(tǒng)可適應(yīng)軌道桁架的水平變形量不小于±100mm,垂直變形量不小于±120mm,以及兩側(cè)軌道存在的不對稱變形,并容許活動屋蓋支點與固定屋蓋出現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動變形(見圖4)。基于此,結(jié)構(gòu)安裝完成后的位形相對設(shè)計位形可以有一定偏離,但仍應(yīng)通過調(diào)整安裝位形使該偏離盡可能減小。由于篇幅所限,本文僅給出拉索在主桁架以及鋼拱上節(jié)點的坐標(biāo)預(yù)調(diào)值,作為位形控制點。體育場共有46根拉索,南北對稱,如圖2所示,主桁架上的索節(jié)點編號與索號對應(yīng),依次編為1～46;鋼拱上的索節(jié)點編號則從南往北依次編為47～69。當(dāng)結(jié)構(gòu)安裝位形取為設(shè)計位形時,竣工后主桁架、鋼拱控制點相對設(shè)計位形的偏差如圖5所示。由圖5a可以看到:主桁架控制點24～46在z方向即豎直方向,與設(shè)計位形的偏差明顯比點1～23要大,即西側(cè)主桁架(見圖1)豎向變形更大。這是由于鋼拱向西傾斜,從而導(dǎo)致西側(cè)索與固定屋蓋的夾角增大,因此在索力相當(dāng)?shù)那闆r下,體育場西側(cè)主桁架所受的豎向力更大,從而導(dǎo)致其豎向偏差位形較大。主桁架豎向最大位形偏差值在點35取得,達(dá)到193mm;水平變形量最大達(dá)到50mm。由以上數(shù)據(jù)可知,按設(shè)計位形制作構(gòu)件時,軌道桁架垂直變形量很難滿足驅(qū)動系統(tǒng)要求;水平變形量雖然可以滿足,但仍然過大。設(shè)計位形中鋼拱頂部傾斜的水平距離為129×sin6.10=13.71m。由圖5b可知,施工完成后鋼拱水平方向(即y方向)偏位達(dá)到652mm,約占設(shè)計傾斜水平距離的1/20,因此安裝鋼拱也需要設(shè)置變形預(yù)調(diào)值。圖6給出了結(jié)構(gòu)控制點的坐標(biāo)預(yù)調(diào)值,分析結(jié)果可得到如下結(jié)論。1)主桁架的坐標(biāo)預(yù)調(diào)主要在z方向,跨中預(yù)調(diào)值最大,并向兩端遞減。這可以從實際施工中主桁架變形得到解釋:拉索最終張拉成型后主桁架主要變形在z方向,跨中變形最大,并多數(shù)為正值,因此按相反方向預(yù)調(diào)可以達(dá)到目標(biāo)位形;同理,鋼拱坐標(biāo)應(yīng)該往上預(yù)調(diào)。2)由于鋼拱向西傾斜,因此西側(cè)拉索與豎直方向的夾角較小,而東側(cè)拉索與豎直方向的夾角較大,所以在索力相當(dāng)?shù)那闆r下,鋼拱水平方向受力向東,即y正方向。而鋼拱平面外剛度又較小,這也解釋了鋼拱y方向預(yù)調(diào)值較大的現(xiàn)象?？紤]變形預(yù)調(diào)值后,結(jié)構(gòu)竣工時主桁架、鋼拱偏離設(shè)計位形的位移最大值不超過0.35mm,滿足設(shè)計要求。2.3預(yù)應(yīng)力錨索及張拉索位置拉索的下料長度是指鋼絲的無應(yīng)力長度,首先應(yīng)計算每根拉索的長度基數(shù)L0,即拉索兩個索孔出口處在拉索張拉完成后錨固面的空間距離,再對這一長度基數(shù)進(jìn)行若干項修正,即可得到下料長度。修正內(nèi)容為:①初拉力作用下拉索彈性伸長修正ΔLe(初拉力是指結(jié)構(gòu)竣工后僅承受自重和拉索預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的索力);②初拉力作用下拉索垂度修正ΔLf;③張拉端錨具位置修正ΔLML;④固定端錨具位置修正ΔLMD;⑤下料時的溫度與設(shè)計溫度不一致時,考慮溫度修正;⑥受應(yīng)力狀態(tài)下料時,應(yīng)考慮應(yīng)力下料的修正;⑦采用冷鑄錨時,應(yīng)計入鋼絲墩頭所需長度,一般取為1.5d,采用拉絲式錨具時,應(yīng)計入張拉千斤頂工作所需長度。本文主要考慮前兩項,其余各項須結(jié)合施工具體情況確定。拉索在設(shè)計溫度時的無應(yīng)力下料長度計算公式如下:L=L0?ΔLe+ΔLf+ΔLML+ΔLMD+2LD+3d(1)L=L0-ΔLe+ΔLf+ΔLΜL+ΔLΜD+2LD+3d(1)式中:LD為錨固板厚度。彈性伸長量和垂度修正值可分別按式(2)、(3)計算:ΔLe=L0σE(2)ΔLf=W2L2xL024T2(3)ΔLe=L0σE(2)ΔLf=W2Lx2L024Τ2(3)式中:σ為拉索實際應(yīng)力;E為拉索彈性模量;T為拉索實際張力;L0為拉索長度基數(shù);Lx為L0的水平投影;W為拉索單位長度重量。本文結(jié)合有限元模型計算長度基數(shù),即結(jié)構(gòu)竣工后拉索的長度,然后采用式(2)、(3)計算前兩項修正值,從而確定拉索下料長度。計算結(jié)果如圖7和表1所示。由圖7可以看到,修正項①遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于修正項②,前者最大值約170mm,后者最大值僅0.87mm,原因在于索的長度較小,重力對索長影響不大。3預(yù)測方程法的研究3.1張拉過程控制應(yīng)力預(yù)應(yīng)力索可以采用單步張拉方案,也可以采用分級張拉。單步張拉的主要優(yōu)點是施工方便、一次性張拉到位,缺點是張拉過程中構(gòu)件可能屈服;而分級張拉一般情況下可以防止施工過程中局部構(gòu)件應(yīng)力過大,同時也利于索力調(diào)整,但效率不高。本節(jié)及后續(xù)內(nèi)容將研究單步張拉方案,并與分級張拉方案進(jìn)行比較。單步張拉方案的施工步驟:①施工混凝土看臺結(jié)構(gòu);②對應(yīng)拉索位置設(shè)置臨時施工支撐胎架,安裝固定屋蓋;③安裝活動屋蓋軌道、分片安裝活動屋蓋等;④活動屋蓋結(jié)構(gòu)合攏、將其支撐替換為臺車、安裝活動屋蓋屋面板;⑤安裝鋼拱,采用整體起扳施工技術(shù);⑥安裝鋼吊索,單步張拉;⑦拆除臨時支撐,此時由于吊索已經(jīng)張拉完成,支撐胎架可能已經(jīng)脫離胎架。施工過程中張拉預(yù)應(yīng)力索有先后順序,后張索對已張索的索力會有影響。這就要求在張拉施工時,對當(dāng)前張拉索進(jìn)行預(yù)應(yīng)力調(diào)整;另外,預(yù)應(yīng)力索張拉完成后一般還有后續(xù)施工步,這也會導(dǎo)致索力發(fā)生變化。因此預(yù)應(yīng)力索張拉時的控制應(yīng)力必須在設(shè)計態(tài)應(yīng)力的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。在當(dāng)前施工狀態(tài)下,考慮后續(xù)施工步的影響,才能保證結(jié)構(gòu)竣工后索力滿足設(shè)計要求。當(dāng)前施工狀態(tài)下的索力值可以通過倒拆法計算,即從結(jié)構(gòu)竣工狀態(tài)(僅自重與預(yù)應(yīng)力作用)倒拆后續(xù)幾個施工步獲得對應(yīng)于當(dāng)前施工狀態(tài)的拉索內(nèi)力。預(yù)應(yīng)力索張拉控制應(yīng)力的計算通過“正裝-倒拆法”來實現(xiàn):首先依照施工順序正裝預(yù)調(diào)后的結(jié)構(gòu)到當(dāng)前施工狀態(tài),正裝完成后索力及結(jié)構(gòu)位形均達(dá)到設(shè)計值,再按索張拉的逆向順序“殺死”索單元,來模擬施工的每一狀態(tài)(包括索力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力等),從而確定索的張拉控制應(yīng)力和張拉順序。3.2力索張拉順序采用3.1節(jié)給出的單步張拉方案且張拉施工狀態(tài)是結(jié)構(gòu)的最終施工步,不存在后續(xù)施工步驟,因而不存在拉索預(yù)應(yīng)力值的確定問題。最佳張拉順序的確定原則是:①張拉過程中索的超張拉以及當(dāng)前張拉索對已張索的索力增大作用最小,即預(yù)應(yīng)力需要調(diào)整的幅度最小;②張拉過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力保持較低水平,確保結(jié)構(gòu)在彈性范圍內(nèi)?？紤]到結(jié)構(gòu)南北對稱以及“分級、對稱、均勻”的張拉原則,預(yù)應(yīng)力索張拉順序有以下選擇:①從兩端往中間張拉,每次同時張拉兩端各兩根索,即索1、24→…→(索12、35)←…←索23、46;②從中間往兩端張拉,與順序①相反。兩種順序均需張拉12步。兩種張拉順序的結(jié)果比較如圖8所示,定義“拉索預(yù)應(yīng)力預(yù)調(diào)值=張拉控制應(yīng)力-設(shè)計態(tài)應(yīng)力”,若為正值,則當(dāng)前索需要超張拉;反之,則當(dāng)前索無須張拉到設(shè)計態(tài)應(yīng)力。由圖8a可以看到,張拉順序①對應(yīng)于預(yù)應(yīng)力調(diào)整幅度比較平緩,超張拉幅度較小;張拉順序②的超張拉現(xiàn)象則比較突出,其中索12超張拉約530MPa,張拉控制應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其設(shè)計態(tài)應(yīng)力。圖8b表示兩種張拉順序下鋼拱以及主桁架的等效應(yīng)力隨張拉步數(shù)的變化?？梢钥吹?由于張拉順序②實施過程中先張拉索12、35,而索12所需控制應(yīng)力很大,且其作用點在拱和主桁架的跨中位置,因此主桁架局部構(gòu)件的等效應(yīng)力在第一步張拉時就過大,發(fā)生屈服;按張拉順序①施工,結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力則一直在屈服面以下,滿足安全要求。綜上所述,結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力索采用張拉順序①,即“從兩端往中間張拉”的方案較好。為了驗證倒拆法結(jié)果的準(zhǔn)確性,取張拉順序①倒拆確定的張拉控制應(yīng)力進(jìn)行張拉,施工完成后索應(yīng)力與目標(biāo)應(yīng)力的最大差別約為7MPa,誤差不超過3%,因此倒拆法結(jié)果滿足精度要求。3.3張拉及張拉方案研究在確定階段的應(yīng)用分級張拉方案參見1.2節(jié),分3級張拉,并采用3.2節(jié)所確定的張拉順序,即“從兩端往中間張拉”。下面對單步張拉和分級張拉這兩種方案進(jìn)行比較。單步張拉時,施工步1～7為:①設(shè)置臨時施工支撐塔架,安裝固定屋蓋;②安裝活動屋蓋軌道;③分片安裝活動屋蓋;④安裝活動屋蓋屋面板;⑤安裝巨型鋼拱;⑥安裝鋼吊索,單步張拉完成;⑦固定屋蓋臨時施工支撐塔架分步卸載。分級張拉時施工步1～9為