大連體育場屋蓋施工方案優(yōu)化分析

大連體育場屋蓋施工方案優(yōu)化分析

0預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)及施工方案自1994年首次將日本光球屋頂工程建成以來，日本光球屋頂已受到世界各國的廣泛關(guān)注，并以其合理的承受能力、低經(jīng)濟成本和美觀的結(jié)構(gòu)形式，受到結(jié)構(gòu)專家的喜愛，并在全球結(jié)構(gòu)中迅速發(fā)展和應(yīng)用。大連體育館(圖1a)主體結(jié)構(gòu)鋼屋蓋即采用巨型網(wǎng)格弦支預(yù)穹頂結(jié)構(gòu),上部采用巨型桁架結(jié)構(gòu)(圖1b),高度約2.4m;下部索桿體系為肋環(huán)型(圖1c),由撐桿、環(huán)向索和徑向索構(gòu)成,共設(shè)3圈,其中外圈和中圈有撐桿、環(huán)索、徑向索各24根,內(nèi)圈有撐桿、環(huán)索、徑向索各16根,撐桿高度10m,各圈索規(guī)格見表1。整個屋蓋跨度145.4m×116m,投影為近似橢圓,最高點標(biāo)高45.0m,矢跨比1/10,為典型的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系。因預(yù)應(yīng)力施工難度大,需要較高的施工控制精度,施工前應(yīng)對張拉方案及相關(guān)問題進(jìn)行系統(tǒng)分析,從而獲得各施工狀態(tài)下結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo),為結(jié)構(gòu)的安全、精確成型提供理論支持和合理建議。本文根據(jù)大連體育館巨型網(wǎng)格弦支穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)特點,制訂了合理的徑向索張拉施工方案;針對所定方案,通過優(yōu)化迭代法對結(jié)構(gòu)施工前的初始態(tài)進(jìn)行找形,確定了合理的結(jié)構(gòu)施工零狀態(tài);以零應(yīng)力索長為控制目標(biāo),運用ANSYS生死單元技術(shù)對整個預(yù)應(yīng)力施工進(jìn)行了全程模擬,獲得結(jié)構(gòu)各施工階段的關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo),為結(jié)構(gòu)施工安全控制提供理論指導(dǎo);并對施工中及成型后可能發(fā)生的斷索問題加以研究,得到了不同階段及不同位置索破斷對結(jié)構(gòu)的影響,檢驗了結(jié)構(gòu)在各斷索狀況下的安全性。1預(yù)測設(shè)計方案1.1環(huán)索、撐桿與環(huán)索平面垂直分布大連體育館巨型網(wǎng)格弦支穹頂結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜,環(huán)索形狀為近似橢圓,徑向索受力不均勻;環(huán)索平面與水平面成傾斜布置(圖2),撐桿與環(huán)索所在平面垂直,增加了結(jié)構(gòu)安裝初始定位的難度;外圈和第二圈環(huán)索均采用雙索,張拉過程中必須保證兩根環(huán)索受力均勻,給施工張拉的同步性、均勻性增加了難度。1.2徑向索張拉方案目前常用預(yù)應(yīng)力施工方法有撐桿頂升法、環(huán)索張拉法和徑向索張拉法。三種方法各有優(yōu)缺點,其中撐桿頂升法頂升力較小,張拉裝置噸位要求較低,但其可控性較差,不易控制索系的穩(wěn)定,且需要對環(huán)索和徑向索進(jìn)行精確下料,施工難度高;環(huán)索張拉法張拉點較少,但是環(huán)索索力較大,對張拉裝置噸位要求較高,索力控制較為困難,且對環(huán)索節(jié)點要求較高;徑向索張拉法對張拉裝置噸位要求較低,但是張拉裝置的數(shù)量要求較多,由于該法可控張拉點較多,且徑向索索力相對環(huán)索較小,索力可控性好,成型精度較高。綜合分析三種方法的優(yōu)缺點并結(jié)合大連體育館預(yù)應(yīng)力施工的特點,本工程選用徑向索張拉方案。徑向索張拉分為三級進(jìn)行,各圈預(yù)緊之后,首先在有支撐胎架的情況下進(jìn)行第一級和第二級張拉,然后安裝輔助索、拆除支撐胎架,最后進(jìn)行第三級張拉。為保證張拉的均勻性,同時考慮張拉設(shè)備數(shù)量問題,每一級又按照分圈、分步的順序進(jìn)行:首先對各圈撐桿、徑向索、環(huán)索進(jìn)行安裝預(yù)緊,將外圈和第二圈徑向索預(yù)緊到控制應(yīng)力的10%,內(nèi)圈徑向索預(yù)緊到控制應(yīng)力的15%。各圈索第一級和第二級張拉連續(xù)進(jìn)行,分別將三圈徑向索張拉到控制應(yīng)力的50%和70%。張拉順序依次為外圈徑向索、第二圈徑向索、內(nèi)圈徑向索。每級每圈分為兩步:第一步張拉部分徑向索(按照均勻、間隔、對稱的原則選取,外圈和第二圈12根,內(nèi)圈8根)到控制應(yīng)力的50%和70%,第二步張拉其余徑向索(外圈和第二圈12根,內(nèi)圈8根)到控制應(yīng)力的50%和70%。第三級為拆除支撐后將三圈徑向索張拉到控制應(yīng)力的105%(考慮預(yù)應(yīng)力損失,超張拉5%)。張拉順序依次為內(nèi)圈徑向索、第二圈徑向索、外圈徑向索。每圈分為兩步,第一步張拉部分徑向索(按照均勻、間隔、對稱的原則選取,外圈和第二圈各12根,內(nèi)圈8根)到控制應(yīng)力的105%;第二步張拉其余徑向索到控制應(yīng)力的105%。按照均勻、間隔、對稱的原則選取每步張拉的徑向索(圖3)有利于索網(wǎng)在傾斜平面內(nèi)的成型,改善了預(yù)應(yīng)力施加的均勻性與同步性,適合于環(huán)索面為傾斜橢圓面的弦支穹頂結(jié)構(gòu)。2臨時支撐的有限元模擬大連體育館巨型網(wǎng)格弦支穹頂施工模擬基于ANSYS進(jìn)行,其預(yù)應(yīng)力施工仿真模型主要包括四部分,上部鋼桁架、下部預(yù)應(yīng)力索桿、底部支撐結(jié)構(gòu),臨時支撐胎架。圖4為無臨時支撐的計算模型。根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點,巨型網(wǎng)格弦支穹頂?shù)匿撹旒芸梢哉J(rèn)為是空間桿系結(jié)構(gòu),可采用LINK8桿單元進(jìn)行模擬;周邊支撐梁柱結(jié)構(gòu)符合梁單元受力,采用BEAM4單元進(jìn)行模擬;拉索和臨時支撐胎架則可以采用具有雙線性剛度矩陣的LINK10單元進(jìn)行模擬,該單元不包括彎曲剛度,具有應(yīng)力剛化、大變形和單元生死功能,打開只受拉不受壓特性后可以有效地模擬預(yù)應(yīng)力施工中的拉索構(gòu)件,而打開只受壓不受拉特性與臨時支撐胎架的效果相同。最終模型所選單元及其特性如表2所示。3初始幾何態(tài)弦支穹頂預(yù)應(yīng)力施工主要經(jīng)歷兩種狀態(tài):初始幾何態(tài)和預(yù)應(yīng)力態(tài)。其中初始幾何態(tài)結(jié)構(gòu)不受荷載作用、拉索無內(nèi)力,為安裝的初始狀態(tài);預(yù)應(yīng)力態(tài)為拉索張拉完成后狀態(tài)即預(yù)應(yīng)力成型態(tài),此時索力應(yīng)與設(shè)計態(tài)索力吻合。如果把設(shè)計位形作為安裝的初始幾何態(tài),則安裝時撐桿與環(huán)索所在平面垂直,張拉過程中由于撐桿上下節(jié)點變形不一致,導(dǎo)致?lián)螚U傾斜,影響建筑美觀和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。因此初始幾何態(tài)找形主要是指為保證預(yù)應(yīng)力態(tài)下?lián)螚U與環(huán)索平面的垂直度而進(jìn)行的初始幾何態(tài)下的撐桿安裝位置找形。3.1應(yīng)力態(tài)撐桿節(jié)點相對位置設(shè)計初始幾何態(tài)找形采用優(yōu)化迭代法。由于撐桿傾斜是由上下節(jié)點變形不一致所致,因此只需保證預(yù)應(yīng)力態(tài)撐桿上下節(jié)點相對位置與設(shè)計態(tài)一致,則可保證撐桿與環(huán)索平面的垂直度。分析時以預(yù)應(yīng)力態(tài)各個撐桿與環(huán)索平面的垂直度為優(yōu)化目標(biāo),通過不斷修正初始幾何態(tài)下?lián)螚U底端節(jié)點坐標(biāo),使預(yù)應(yīng)力態(tài)撐桿上下端相對位置滿足工程要求,保證撐桿與環(huán)索平面的垂直度,具體流程如圖5所示。3.2初始幾何態(tài)找形圖6為未找形與找形后的預(yù)應(yīng)力態(tài)索力比較云圖。由圖中可知,找形前后預(yù)應(yīng)力態(tài)索力分布規(guī)律一致,找形后最大預(yù)應(yīng)力態(tài)索力3460kN,與未找形時相同,最小索力為234kN,比未找形時的245kN小4.5%,因此找形前后預(yù)應(yīng)力拉索內(nèi)力變化很小,初始幾何態(tài)找形不影響結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。最終通過優(yōu)化迭代找形確立的初始幾何模型,其預(yù)應(yīng)力態(tài)撐桿上下端節(jié)點相對坐標(biāo)與設(shè)計態(tài)基本吻合,能夠保證撐桿與環(huán)索平面的垂直度。4施工模擬分析4.1初始模擬過程預(yù)應(yīng)力施工過程中巨型網(wǎng)格弦支穹頂是一個時變結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)、幾何參數(shù)、荷載邊界條件都隨施工進(jìn)程而改變,結(jié)構(gòu)竣工狀態(tài)的內(nèi)力和變形也是各施工步效應(yīng)的累積結(jié)果,與施工過程和時間效應(yīng)有著密切的相關(guān)性。因此施工仿真過程是一系列連續(xù)變化的過程,每一階段的計算都以上一階段的平衡狀態(tài)為計算初始狀態(tài)。預(yù)應(yīng)力模擬中主要解決兩個問題:預(yù)應(yīng)力的施加控制和構(gòu)件的安裝拆除模擬。仿真分析中采用施加溫度荷載的方式對結(jié)構(gòu)施加初始應(yīng)變,根據(jù)被動索在施工過程中的零應(yīng)力索長不變原理,通過調(diào)整主動索溫度荷載來改變拉索的零應(yīng)力長度,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力施加控制;構(gòu)件的安裝拆除模擬則可以通過有限元的生死單元技術(shù)實現(xiàn),即通過修改構(gòu)件的剛度矩陣來決定其是否參與計算,實現(xiàn)構(gòu)件的安裝拆除模擬,具體步驟如下:(1)基于初始幾何態(tài)找形結(jié)果建立結(jié)構(gòu)整體有限元模型;(2)一次性殺死模型所有下部預(yù)應(yīng)力索桿單元,使結(jié)構(gòu)處于施工前的初始“零”狀態(tài);(3)根據(jù)實際施工進(jìn)度,依次激活和殺死相應(yīng)階段的單元,根據(jù)預(yù)應(yīng)力控制水平得到零應(yīng)力索長,通過施加相應(yīng)的溫度荷載施加控制應(yīng)力,實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力施工全過程模擬。4.2計算(1)型鋼桁架變形通過斜索張拉方案施工全過程模擬得到了施工過程中巨型桁架的關(guān)鍵響應(yīng)數(shù)據(jù)。限于篇幅以下只對各階段關(guān)鍵響應(yīng)指標(biāo)最值進(jìn)行分析,具體結(jié)果見表3?？梢钥闯?預(yù)應(yīng)力施工過程中巨型桁架最大豎向位移為203.6mm(L/570,L=116m),發(fā)生在徑向索張拉結(jié)束階段,變形滿足要求;撐桿最大壓應(yīng)力為49.9MPa,發(fā)生在第三級第二圈索張拉的第二步(第17施工階段),巨型桁架最大拉應(yīng)力為216MPa,最大壓應(yīng)力為155MPa,均發(fā)生在張拉結(jié)束階段,且均小于構(gòu)件設(shè)計承載力,滿足施工安全要求。(2)張拉過程中最大徑向索力曲線圖圖7為施工各階段拉索最大內(nèi)力曲線圖,從圖中可以看出,預(yù)應(yīng)力施工過程中拉索最大應(yīng)力為447MPa,發(fā)生在第三級第二圈索張拉的第二步(第17施工階段),小于設(shè)計強度。以施工中產(chǎn)生最大徑向索力的9號徑向索和最大環(huán)向索力的外圈環(huán)索為分析對象,圖8為兩者施工各階段索力曲線圖,可以看出,最大徑向索力為1321.3kN,張拉千斤頂選擇需滿足此要求,最大環(huán)向索力為3613.4kN,均發(fā)生在張拉結(jié)束階段;從曲線變化規(guī)律可以看出,徑向索和環(huán)向索的內(nèi)力只在其所在圈張拉時變化明顯,其它圈張拉時對其影響不大,這是由于巨型桁架剛度較大,使得各圈張拉相互影響較小。(3)術(shù)后外來圈支撐圖9為臨時支撐在拆除前的軸力云圖,從圖中可以看出,由于已施加預(yù)應(yīng)力引起撐桿頂升,拆撐前除外圈8根臨時支撐外其余支撐均與桁架脫離,軸力為0,外圈支撐最大軸力為97.3kN,相對較小,此時拆除支撐胎架較為合理,且滿足施工安全要求。5不同索破斷對結(jié)構(gòu)安全性能的影響為了考察臨時支撐拆除后及使用過程中拉索意外破斷對結(jié)構(gòu)安全的影響,通過生死單元技術(shù)對臨時支撐拆除階段和結(jié)構(gòu)使用階段的徑向索和環(huán)索破斷進(jìn)行了模擬分析,給出了兩個階段不同拉索破斷時的結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平和撓度變化,并評估了不同索破斷對結(jié)構(gòu)安全性能的影響。5.1不同位置索破斷模擬支撐拆除后,結(jié)構(gòu)獨立受荷,邊界條件變化較大,是施工的敏感階段,容易引發(fā)拉索的破斷失效,通過對拆除支撐后不同位置索破斷模擬來考察此時意外斷索對整個結(jié)構(gòu)的影響。(1)解決徑向索、型鋼桁架應(yīng)力與變形的計算圖10、11為拆除支撐后64根徑向索中任意一根破斷時的結(jié)構(gòu)最大絕對應(yīng)力和豎向變形,從圖中可以看出編號26、35、38和47的徑向索破斷時拉索絕對應(yīng)力達(dá)到最大值,為309MPa,編號3、10、15和22的徑向索破斷時巨型桁架絕對應(yīng)力達(dá)到最大值為199MPa,編號17和20的徑向索破斷時巨型桁架絕對豎向變形達(dá)到最大值為328mm(L/354),最大應(yīng)力與最大變形均滿足要求。(2)結(jié)構(gòu)損傷的穩(wěn)定性分析表明各圈任一環(huán)索破斷都將導(dǎo)致該圈索整體失效,圖12、13給出了拆除支撐后各圈環(huán)索失效時結(jié)構(gòu)最大絕對應(yīng)力和豎向變形,可以看出外圈環(huán)索破斷為環(huán)索破斷最不利狀態(tài),此時拉索最大絕對應(yīng)力達(dá)到309MPa,巨型桁架最大絕對應(yīng)力為154MPa,最大絕對豎向變形為80mm(L/1333)。5.2不同位置索破斷失效模擬結(jié)構(gòu)進(jìn)入使用階段以后所承受的外荷載突然加大,也容易引發(fā)拉索的破斷,通過對張拉完成后模型在(恒荷載+0.5活荷載)作用下的不同位置索破斷失效模擬,來考察使用狀態(tài)下意外斷索對整個結(jié)構(gòu)的影響。(1)徑向索破斷時的絕對應(yīng)力圖14、15為64根徑向索中任意一根破斷時的結(jié)構(gòu)最大絕對應(yīng)力和豎向變形,從圖中可以看出編號26、35、38和47的徑向索破斷時拉索絕對應(yīng)力最大,為597MPa,編號10的徑向索破斷時巨型桁架絕對應(yīng)力達(dá)到最大值為419MPa,超過鋼材設(shè)計強度,編號16的徑向索破斷時巨型桁架絕對豎向變形達(dá)到最大值為282mm(L/411)。(2)結(jié)構(gòu)體系分析圖16、17給出了使用階段各圈環(huán)索失效時結(jié)構(gòu)最大絕對應(yīng)力和豎向變形?？梢钥闯?外圈環(huán)索破斷為環(huán)索破斷最不利狀態(tài),此時拉索最大絕對應(yīng)力為557MPa,巨型桁架最大絕對應(yīng)力為273MPa,最大絕對豎向變形為186mm(L/624)。綜合以上分析可以看出,由于拆撐階段結(jié)構(gòu)所承受的外荷載較小,各索破斷時結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵響應(yīng)指標(biāo)均滿足設(shè)計要求,結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài),而使用階段結(jié)構(gòu)所承受的外荷載較大,部分索破斷時巨型桁架桿件超過設(shè)計強度,不滿足設(shè)計要求,結(jié)構(gòu)安全存在隱患;較之第二圈和內(nèi)圈,結(jié)構(gòu)對外圈索的破斷更為敏感;由于環(huán)索破斷導(dǎo)致整圈索失效,內(nèi)力重分布較為均勻,而徑向索破斷則導(dǎo)致局部應(yīng)力過大,更容易引起結(jié)構(gòu)的局部失效,施工中應(yīng)引起重視。6施工模擬結(jié)果針對大連體育館巨型網(wǎng)格弦支穹頂環(huán)索面為傾斜橢圓面的特點,確定采用徑向索張拉法進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施工,并對施工進(jìn)行了全面的分析,得到如下結(jié)論:(1)優(yōu)化迭代法可以有效地對施工初始幾何態(tài)進(jìn)行找形,保證預(yù)應(yīng)力態(tài)