47羅斌-煙臺(tái)世貿(mào)中心張弦梁零狀態(tài)找形分析和預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)

煙臺(tái)世貿(mào)中心張弦梁零狀態(tài)找形分析和預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)羅斌1陳岳1羅明2（東南高校土木工程學(xué)院，南京210096）（南京東大現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力工程有限責(zé)任公司，南京210018）摘要煙臺(tái)世貿(mào)中心張弦梁采納分單元累積滑移法安裝，在運(yùn)用階段兩端支座鉸接固定，設(shè)計(jì)圖紙的尺寸為拉索張拉完成后的結(jié)構(gòu)形態(tài)，須進(jìn)行零狀態(tài)找形分析，以確定結(jié)構(gòu)的安裝尺寸。本文先以迭代法確定模擬拉索預(yù)張力的初始應(yīng)變值，然后實(shí)行逆迭代法進(jìn)行零狀態(tài)找形。另外預(yù)應(yīng)力施工實(shí)行以限制結(jié)構(gòu)跨度為主的方案，確保預(yù)應(yīng)力態(tài)下的結(jié)構(gòu)狀況滿意設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞張弦梁，找形，預(yù)應(yīng)力，施工技術(shù)1工程概況煙臺(tái)世貿(mào)中心共有五個(gè)分區(qū)，其中一至四區(qū)的鋼屋蓋為預(yù)應(yīng)力張弦梁結(jié)構(gòu)，每個(gè)分區(qū)有15榀張弦梁，總共60榀，總覆蓋面積為131mm×288m。該工程的張弦梁上部為倒三角形桁架，下部為外包雙層PE的1670級(jí)扭絞型半平行高強(qiáng)鋼絲束拉索（PESC5-163），桁架和拉索之間為撐桿（ф180×10）,見圖1。每榀張弦梁的支座跨度為65m，桁架矢高5.86m，拉索垂度1.14m，跨中總高度為7m。拉索施工張拉力為600kN。由于桁架構(gòu)件規(guī)格不同，張弦梁共有三種類型，即ZXL1、ZXL2、ZXL3。圖1張弦梁三維圖羅斌，男，1977年誕生，工學(xué)博士2總體施工方案張弦梁總體施工方案為：①搭設(shè)拼裝胎架，在張弦梁兩端的混凝土柱頂及縱向混凝土連梁上鋪設(shè)滑移軌道；②在胎架上拼裝和張拉張弦梁（張拉支座允許滑移），然后分單元累積滑移就位；③固定支座后安裝屋面板。由于該工程張弦梁由多家鋼結(jié)構(gòu)施工單位負(fù)責(zé)安裝，因此在總體方案一樣的基礎(chǔ)上，各單位依據(jù)自身和現(xiàn)場(chǎng)條件，實(shí)行了多種的安裝方案。1）在屋蓋一端的外側(cè)地面上搭設(shè)單榀的拼裝胎架（圖2），張弦梁在胎架上安裝和張拉完畢后，吊裝至混凝土柱頂?shù)幕栖壍郎?，然后分單元用卷?yè)P(yáng)機(jī)在兩端支座處同步牽引、累積滑移就位。圖22）在屋蓋一端的兩榀張弦梁下搭設(shè)兩榀拼裝胎架（圖3）。兩榀張弦梁各自由胎架上分別安裝和張拉后，安裝兩者之間的縱向連系鋼桁架，然后以兩榀為一滑移單元，用卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引滑移就位。圖3圖43）在屋蓋一端的二層混凝土摟面上搭設(shè)單榀胎架（圖4），該胎架兩端的格構(gòu)支撐與混凝土柱在同一條軸線上，且頂標(biāo)高一樣，兩者之間用臨時(shí)型鋼梁連系?；其撥壴诨炷林?、縱向混凝土連系梁、臨時(shí)型鋼梁及胎架兩端的格構(gòu)支撐上貫穿。張弦梁在胎架上安裝和張拉后，用兩臺(tái)頂推器分單元累積頂推就位。3構(gòu)件制作和結(jié)構(gòu)安裝的尺寸問(wèn)題該工程三種類型的張弦梁，若依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙供應(yīng)的尺寸進(jìn)行制作和安裝（即零狀態(tài)），在施加600kN的張拉力后，結(jié)構(gòu)在自重和預(yù)張力作用下（即初始態(tài)），結(jié)構(gòu)變形后的尺寸見表1。表1按設(shè)計(jì)圖紙尺寸安裝后結(jié)構(gòu)初始態(tài)的尺寸編號(hào)狀態(tài)跨度桁架矢高拉索垂度零狀態(tài)（mm）6500058601140ZXL1初始態(tài)（mm）649056057945Δ（mm）-95197-195ZXL2初始態(tài)（mm）648706121882Δ（mm）-130261-258ZXL3初始態(tài)（mm）649286003999Δ（mm）-72143-141由于張弦梁滑移就位后，其支座與下部混凝土結(jié)構(gòu)固定。而張弦梁兩端的混凝土柱頂預(yù)埋件之間以及滑移軌道之間的中心距離為65m。依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB50205-2001）規(guī)定，該工程張弦梁安裝跨度以及支座中心允許最大偏差為±30mm。依據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，三種張弦梁在初始態(tài)下的結(jié)構(gòu)跨度偏差均超過(guò)了允許值。另外三者矢高的不同也影響了縱向連系桁架和檁條的安裝。因此，須進(jìn)行零狀態(tài)找形分析，即確定結(jié)構(gòu)的制作和安裝尺寸，保證在自重和預(yù)應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)外形和索力達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙的尺寸和要求。這樣，三種張弦梁依據(jù)不同的尺寸安裝，但在初始態(tài)下具有相同的尺寸和索力，結(jié)構(gòu)跨度和矢高問(wèn)題都能很好地解決。4零狀態(tài)找形分析方法和計(jì)算結(jié)果零狀態(tài)即無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。該狀態(tài)下結(jié)構(gòu)不存在任何外載（包括自重等），構(gòu)件中也不存在任何內(nèi)力，對(duì)應(yīng)于施工階段在支架上拼裝完后的結(jié)構(gòu)狀況。在拉索初始預(yù)張力和結(jié)構(gòu)自重作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，達(dá)到平衡，此時(shí)結(jié)構(gòu)處于初始態(tài)，對(duì)應(yīng)于施工階段預(yù)應(yīng)力張拉完畢，支架拆除后的結(jié)構(gòu)狀況，初始態(tài)為平衡態(tài)。（1）零狀態(tài)找形分析方法已知初始態(tài)下的結(jié)構(gòu)尺寸、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)以及索力，須確定零狀態(tài)下結(jié)構(gòu)安裝尺寸和各節(jié)點(diǎn)的安裝坐標(biāo)。因此采納逆迭代法進(jìn)行零狀態(tài)找形，其中用初始應(yīng)變來(lái)模擬拉索的初始預(yù)張力。在零狀態(tài)找形前，尚須先采納迭代法確定拉索中的初始應(yīng)變值。1）迭代法確定拉索的初始應(yīng)變值已知拉索的預(yù)張力（）、彈性模量（E）和截面積（A），建立包含拉索的有限元模型。迭代步驟如下：①拉索初始應(yīng)變的初值取：。②將初始應(yīng)變（）施加在拉索上，在結(jié)構(gòu)自重共同作用下，分析得到索力（），則：。重復(fù)②，直到迭代次數(shù)達(dá)到預(yù)定值（N）或者索力（）滿意收斂準(zhǔn)則，則停止迭代。對(duì)于預(yù)應(yīng)力柔性結(jié)構(gòu)，分析時(shí)采納Newton—Raphson求解，并考慮結(jié)構(gòu)大變形和應(yīng)力剛化效應(yīng)，拉索可采納桿單元（可受拉和受壓）。迭代的收斂準(zhǔn)則可采納公式：，收斂標(biāo)準(zhǔn)（）可取5%。若滿意收斂準(zhǔn)則，則即為拉索預(yù)張力模擬所需的初始應(yīng)變值。2）零狀態(tài)找形的逆迭代法已知初始態(tài)下結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，以及模擬初始預(yù)張力的拉索初始應(yīng)變值，逆迭代法的迭代步驟如下：①依據(jù)初始態(tài)下結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)（X0）建立有限元模型，并令X1＝X0。②將結(jié)構(gòu)自重和拉索的初始應(yīng)變值施加在結(jié)構(gòu)中，進(jìn)行有限元分析，求得各節(jié)點(diǎn)的位移（△k）。若（Xk+△k）與X0偏差滿意收斂條件，則迭代收斂；否則，調(diào)整節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為：Xk+1＝X0-△k。重復(fù)步驟②，直至迭代收斂或迭代次數(shù)達(dá)到預(yù)定值（N）。若迭代收斂，則Xk為所要確定的零狀態(tài)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。張弦梁形態(tài)變更后，在同樣結(jié)構(gòu)自重和拉索初始應(yīng)變作用下，索力也有所變更。由于該工程張弦梁跨度較大，結(jié)構(gòu)尺寸變更量對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)說(shuō)特別小，因此，在滿意精度的基礎(chǔ)上，為簡(jiǎn)化分析，在零狀態(tài)找形分析迭代過(guò)程中，拉索初始應(yīng)變?nèi)」潭ㄖ担ń?jīng)對(duì)比分析，索力誤差僅為1％）。（2）零狀態(tài)找形分析結(jié)果依據(jù)表2零狀態(tài)尺寸建立有限元模型，施加結(jié)構(gòu)自重和拉索初始應(yīng)變值后，結(jié)構(gòu)變形達(dá)到初始態(tài)，此時(shí)結(jié)構(gòu)尺寸與設(shè)計(jì)圖紙是一樣的，且索力也達(dá)到設(shè)計(jì)索力600kN，證明白找形方法的正確性和結(jié)果的精確性。表2零狀態(tài)找形分析結(jié)果（單位：mm）編號(hào)狀態(tài)跨度桁架矢高拉索垂度ZXL1零狀態(tài)6509256621336Δ-92198-196ZXL2零狀態(tài)6512155981399Δ-121262-259ZXL3零狀態(tài)6506757171282Δ-67143-142初始態(tài)65000586011405預(yù)應(yīng)力施工方案依據(jù)本工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和總體施工方案，實(shí)行以下的預(yù)應(yīng)力施工方案。（1）預(yù)應(yīng)力張拉主要限制內(nèi)容為：索力、結(jié)構(gòu)跨度和桁架矢高。圖5以ZXL1為例，說(shuō)明結(jié)構(gòu)跨度和跨中豎向位移隨張拉力線性變更的規(guī)律。這三者的限制優(yōu)先依次為：首先應(yīng)限制結(jié)構(gòu)跨度，其次為索力，最終為桁架矢高。圖5ZXL1結(jié)構(gòu)跨度和跨中豎向位移隨張拉力變更曲線圖（2）拉索制作長(zhǎng)度、索夾位置等均須依據(jù)零狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)確定。（3）拉索制作時(shí)，依據(jù)拉索初始應(yīng)變值依據(jù)有應(yīng)力長(zhǎng)度生產(chǎn)拉索，且在有應(yīng)力長(zhǎng)度下標(biāo)記索夾位置。（4）拉索安裝時(shí)嚴(yán)格依據(jù)標(biāo)記位置將拉索與撐桿相連。（5）由于胎架上兩端張拉支座是允許滑移的，且存在肯定的摩擦力，因此在張拉支座前設(shè)置擋板，以便于限制張拉后結(jié)構(gòu)的跨度，并保證張拉后張弦梁兩端支座均位于滑移軌道中心。（6）由于張弦梁跨度較大，為防止撐桿下端向一側(cè)傾斜，采納兩端同步張拉，且一次張拉到位。（7）為限制兩端張拉的同步性，張拉分5級(jí)：0－>25％－>5