大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工中若干問題的探討

大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工中若干問題的探討

20世紀80年代初，日本的m.saith教授首次提出了“屋頂結(jié)構(gòu)”的概念。它叫的是“通過支撐桿張開梁”的基本形式，這是一種類似于結(jié)構(gòu)的好嘗試。將已被放棄的拱（梁）結(jié)構(gòu)與懸索結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，形成了一種新的結(jié)構(gòu)形式，具有合理的支撐結(jié)構(gòu)和施工方便的特點。張弦梁結(jié)構(gòu)是由上弦剛性拱(或組合桁架)、撐桿以及下弦柔性索組成的自平衡受力體系,其合理地將各種構(gòu)件(抗拉、抗壓、抗壓彎)組合在一起,充分發(fā)揮了其各自的材料力學性能,因而整個體系具有許多良好的受力性能。例如,弦的預(yù)應(yīng)力使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反撓度,故結(jié)構(gòu)在荷載作用下的最終撓度可以減小,從而提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。撐桿對抗彎受壓構(gòu)件提供彈性支撐,改善后者的受力性能。壓彎構(gòu)件通常采用拱,由弦承受拱的水平推力,減輕拱對支座產(chǎn)生的負擔,所以張弦梁結(jié)構(gòu)是一種特點突出的大跨結(jié)構(gòu),具有良好的應(yīng)用價值和發(fā)展前景。雖然大跨張弦梁結(jié)構(gòu)已應(yīng)用于諸多實際工程中,但對其理論和試驗的系統(tǒng)研究還是較少,尚落后于實際工程應(yīng)用,因此有必要對此進一步加以研究和探討,提出合理的設(shè)計、施工和優(yōu)化方法,以達到技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全適用的目的。1結(jié)構(gòu)設(shè)計的一些概念張弦梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點是與其預(yù)應(yīng)力施工緊密聯(lián)系,設(shè)計時要考慮施工中預(yù)應(yīng)力度的大小及施工順序,因此結(jié)構(gòu)計算時應(yīng)區(qū)分以下幾種狀態(tài):零狀態(tài)初始狀態(tài)工作狀態(tài)明確張弦梁結(jié)構(gòu)的上述3種受力狀態(tài),對合理準確地建立計算分析模型意義重大。2張弦梁結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析目前不同的研究對張弦梁結(jié)構(gòu)提出了不同的力學模型,總的來說有2種:(1)將撐桿連續(xù)化,將整個結(jié)構(gòu)看作是特殊的魚腹梁;(2)將梁(拱)離散成若干單元,用有限元方法進行分析。文獻對張弦梁結(jié)構(gòu)提出如下假設(shè):(1)材料符合虎克定律;(2)拱梁與索之間的聯(lián)系撐桿是連續(xù)分布的,即把拱梁與索之間的離散力簡化為連續(xù)分布的作用力,并假定這些連續(xù)撐桿為剛性,不考慮其軸向變形;(3)曲梁的曲率半徑與截面高度之比Rh≥5,符合小曲率構(gòu)件假設(shè);(4)僅考慮小垂度和豎向荷載作用。因張弦梁結(jié)構(gòu)中的索通常屬于只拉不壓型非線性單元,因此計算時需考慮幾何大變形這一非線性因素?；谏鲜黾僭O(shè),考慮幾何非線性的影響,可列出以下平衡方程:位移方程為:變形協(xié)調(diào)方程為:[1+H10姨1+(dxdz10)2(E1A1)]姨1+(dxdz10)2=dxdu10+2(dx)2(dw10+dz10)2⑹[1+H20姨1+(dxdz20)2(E2A2)]姨1+(dxdz20)2=dxdu20+2(dx)2(dw20+dz20)2⑺根據(jù)基本假設(shè)(3),并忽略拱梁剪切變形的影響,可得拱曲率變化與彎矩的關(guān)系式如下:式中:z10(x)、z1(x)為結(jié)構(gòu)變形前后索的曲線;z20(x)、z2(x)為結(jié)構(gòu)變形前后曲梁的曲線;u10(x)、w10(x)為索的水平及豎向位移;u20(x)、w20(x)為拱梁的水平及豎向位移;r0(x)為撐桿的作用力,以受壓為正;H10、H20為索和曲梁截面上合力的水平分力,以離開截面方向為正,其中H10由施工張拉預(yù)應(yīng)力T確定,已知;M0(x)為曲梁截面彎矩,以使曲梁變平為正;E1、E2為索和曲梁的彈性模量;A1、A2為索和曲梁的橫截面面積。聯(lián)立以上各式,結(jié)合邊界條件即可求解。張弦梁結(jié)構(gòu)在施加預(yù)應(yīng)力階段和使用荷載階段的計算均可采用以上各式,該法很好地體現(xiàn)了張弦梁結(jié)構(gòu)的受力特性,采用的理論比較完善,基本假設(shè)與實際相符。但由于考慮幾何非線性,采用理論公式計算解析解并不現(xiàn)實,需借助計算機技術(shù),采用數(shù)值方法解決。目前已能非常方便地解決相關(guān)問題,并在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到成功應(yīng)用。采用有限元法建立結(jié)構(gòu)計算模型可將張弦梁結(jié)構(gòu)離散化為梁單元、索單元和桿單元。對梁可直接采用曲線形式,或?qū)⒘簡卧本€化,采用多段直線單元形式;對撐桿可采用二力桿單元;對下弦索考慮其幾何非線性,需建立單元剛度矩陣和整體剛度矩陣,通過數(shù)值方法求解。另外,在施工階段由于拉索的預(yù)應(yīng)力尚未施加,張弦梁結(jié)構(gòu)的幾何非線性特點十分突出,而目前大型計算軟件分析時對一些設(shè)計理論與方法較難明確把握,因此目前很多學者基于幾何非線性理論,自行編制有限元計算程序求解[4~5]。在使用階段,結(jié)構(gòu)的幾何非線性問題相對不突出,在跨度不大的情況下,張弦梁整體結(jié)構(gòu)的幾何非線性可以忽略。因拱的剛性比索的柔性影響大得多,且使用工程拉索預(yù)應(yīng)力提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度,因此可不考慮整體結(jié)構(gòu)幾何非線性的影響,可按線性分析。這時可很方便地使用目前成熟的有限元軟件(如SAP2000,ANSYS,ALGOR等)建立張弦梁結(jié)構(gòu)的有限元模型,然后計算該結(jié)構(gòu)在外荷載作用下各單元內(nèi)力和各節(jié)點位移。3無側(cè)向支撐張弦梁結(jié)構(gòu)的外穩(wěn)定性分析張弦梁的穩(wěn)定問題有兩類,一是局部穩(wěn)定性,即構(gòu)件如上弦桿和撐桿的穩(wěn)定問題,可按規(guī)范規(guī)定的壓彎構(gòu)件進行驗算;二是張弦梁作為整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題,又可分為平面內(nèi)和平面外兩種,前者可將結(jié)構(gòu)簡化為彈性支座的多跨連續(xù)拱梁,給出彈性狀態(tài)和幾何非線性狀態(tài)下系數(shù)K的求法,按照初參數(shù)的方法進行分析,從而求得結(jié)構(gòu)極限荷載以及相應(yīng)的屈曲形式。對于空間無側(cè)向支撐的張弦梁結(jié)構(gòu)可不考慮撐桿和索的影響,按照拱的平面外穩(wěn)定性分析方法進行分析,其計算長度為整個跨度;對于有側(cè)向支撐的結(jié)構(gòu)可以將其計算長度取為支撐間的長度,其計算方法與無側(cè)向支撐相同。由于張弦梁結(jié)構(gòu)單位重量輕,在風荷載作用下容易發(fā)生較大的變形和振動,甚至導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力索松弛而使結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。水平和豎向地震作用引起的反應(yīng)往往是同數(shù)量級的,地震反應(yīng)分析一般需考慮三維地震輸入。由于結(jié)構(gòu)跨越了較大跨度,且可能支承在不同結(jié)構(gòu)上,故異相位差問題突出。大跨空間結(jié)構(gòu)的頻率分布密集,往往前十幾階振型均對地震反應(yīng)有貢獻。此外,在風載和地震作用下,張弦梁結(jié)構(gòu)的支撐和節(jié)點連接等也會出現(xiàn)不同于靜力荷載作用時的性能和破壞特征。4梁結(jié)構(gòu)連接和節(jié)點設(shè)計4.1主要連接方法2支撐桿連接特性和上部抗壓彎件4英尺和支撐桿之間的連接4個彈簧連接和壓彎件4.2節(jié)點設(shè)計分配醫(yī)鋼拉索、桁架腹桿的安裝桁架兩端與預(yù)應(yīng)力拉索的連接節(jié)點是張弦桁架結(jié)構(gòu)中最重要的節(jié)點,結(jié)構(gòu)上的預(yù)應(yīng)力是通過在該節(jié)點上對預(yù)應(yīng)力鋼索進行張拉而建立的,與節(jié)點相連的下弦桿和拉索是整個結(jié)構(gòu)中受力最大的桿件,因夾角很小故需解決其“相碰”的問題,把節(jié)點與下弦桿相連的部分設(shè)計成一個錐形的筒,讓拉索從筒壁斜穿而過。設(shè)計上要保證錐形筒的壁在開孔后的截面大于下弦桿的截面。拉索的端部錨固在錐形筒尾部的大圓盤上,之所以做成大圓盤是因張拉預(yù)應(yīng)力鋼索的穿心千斤頂?shù)姆戳芤С性谄渖?。此外該?jié)點還連接著桁架腹桿、桁架端部垂直支撐和下部混凝土結(jié)構(gòu),因此其形狀特別復(fù)雜,通常采用鑄鋼制作。為了保證結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力的自平衡和釋放部分溫度應(yīng)力,張弦梁的支座節(jié)點通常設(shè)計成一端固定一端可以有限水平滑動的支座。預(yù)應(yīng)力錨索張拉轉(zhuǎn)動該節(jié)點應(yīng)滿足以下要求:(1)能讓撐桿在張弦桁架平面內(nèi)繞節(jié)點轉(zhuǎn)動,因預(yù)應(yīng)力索張拉時撐桿會發(fā)生轉(zhuǎn)動;(2)要保證節(jié)點在拉索上不發(fā)生滑動,否則會變成一個機動體系。目前工程上多采用2個實心球組成的索球節(jié)點來扣緊下弦拉索。平面外限制轉(zhuǎn)動下弦索平面外沒有支撐,故撐桿和上弦桿件的節(jié)點通常設(shè)計成平面內(nèi)可以轉(zhuǎn)動,平面外限制轉(zhuǎn)動的節(jié)點構(gòu)造方式,一般采用2塊鋼板在一定程度上限制撐桿出平面外的轉(zhuǎn)動,在平面內(nèi)則是一理想的完全鉸,撐桿在桁架平面內(nèi)可繞著節(jié)點自由轉(zhuǎn)動。5內(nèi)部預(yù)測力的調(diào)整和增加只有在對索施加一定的預(yù)拉力后,張弦梁才能成為具有整體剛度的承重結(jié)構(gòu),因此索內(nèi)預(yù)拉力的施加是其成形的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。5.1t0的控制率索內(nèi)引進預(yù)拉力的目的是形成必要的整體剛度并獲得理想的幾何位形,首先結(jié)構(gòu)整體剛度必須保證張弦梁形成一相對獨立結(jié)構(gòu),可以僅依靠結(jié)構(gòu)支座支承其重量,此時索內(nèi)拉力與結(jié)構(gòu)自重平衡,T0=Te;索在任何外荷載作用下都不能松弛。其次,為獲得理想的幾何形體,必須控制T0的最大值。以浦東國際機場候機樓R2張弦梁屋架為例,張拉過程中當張弦梁脫離臨時支架后,每施加10kN預(yù)拉力,張弦梁跨中頂部則上拱50mm且加速上拱,由此帶動支座產(chǎn)生相對水平位移,影響結(jié)構(gòu)的幾何位形。張弦梁結(jié)構(gòu)的上拱速率與剛性構(gòu)件的相對剛度及其外形有關(guān),剛度越大則曲率半徑越大,上拱速度越小。最后,最佳預(yù)拉力的設(shè)定在滿足結(jié)構(gòu)整體剛度和幾何位形的前提下還要考慮其在使用過程中的性能,盡量減少剛性構(gòu)件在使用荷載作用下的應(yīng)力和結(jié)構(gòu)的變形。5.2內(nèi)部預(yù)測力的加入墊墊連接法張拉赫法避免繼承方法是使用結(jié)構(gòu)重量或增加結(jié)構(gòu)配重來增加預(yù)拉伸5.3再次張拉時,張弦梁施工為黨的土地資源統(tǒng)一安裝,且一般采用張拉鋼索法對大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)施加預(yù)拉力,鋼索可在張弦梁構(gòu)件在結(jié)構(gòu)支座處裝配后一次張拉;也可在臨時支架上張拉后提升并滑移至結(jié)構(gòu)支座處,但可能還有必要在其安裝到結(jié)構(gòu)支座處后再次張拉,即分批張拉。其原因如下:(1)考慮到張弦梁整體剛度形成后的強幾何非線性和屋面荷載尚未施加等因素,若在臨時支架上將全部預(yù)拉力一次施加上去,則可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形過大,無法獲得理想的幾何位形;(2)對安裝在支座上的張弦梁結(jié)構(gòu)再次張拉可以調(diào)整幾何位形方面的施工誤差,提高施工質(zhì)量?？傊?索內(nèi)預(yù)拉力施加方案應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點、張拉機具、錨具特點和吊裝能力等綜合確定,必要時可采用不同方法的組合施工方法。6施工監(jiān)測部分大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)施工分為上弦拱梁(立體桁架等組合形式)施工、下弦索張拉、屋蓋整體安裝以及施工監(jiān)測和動態(tài)調(diào)整等4個部分。由于大跨度空間結(jié)構(gòu)體量較大,加上下弦柔性拉索的存在,結(jié)構(gòu)施工階段存在一定的幾何非線性,因此對其施工過程及具體方法應(yīng)給予重點關(guān)注。6.1上弦拱梁現(xiàn)場吊裝施工由于大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)是平面或空間自平衡體系,故施工時可利用此特點根據(jù)已有的施工經(jīng)驗,上弦拱梁施工可采用以下方法:全部地面組裝,利用千斤頂或其它機具整體吊裝;部分地面組裝,部分借助腳手架或其它方式高空裝配;滿鋪腳手架高空裝配方法。后兩種方法不易施工拼裝,且質(zhì)量難以保證,除非不便于吊裝,一般不宜采用。6.2施工張拉方式張弦梁屬于半柔性結(jié)構(gòu),下弦拉索張拉成型后,其結(jié)構(gòu)體系才能形成。張拉吊裝施工工藝是保證其工作性態(tài)的必要條件,因此對其要求較高。張弦梁的施工控制方法有2種:(1)控制索張力,要求有專業(yè)儀器,往往需多次地反復(fù)張拉;(2)控制索原長,建立在理論假設(shè)的基礎(chǔ)上,與實際工程有一定的差別。張弦梁的施工張拉方式按空間位置分為以下幾種:(1)原位張拉:施工方便,但所需場地大,施工效率低;(2)胎架張拉:所需場地小,施工快捷,但胎架柱頂鋼支座設(shè)計復(fù)雜,且難以準確計入摩擦力的影響;(3)吊起張拉:施工效率高,無須設(shè)計胎架柱頂鋼支座,消除了摩擦力的影響,張拉值更準確,但需要附加設(shè)備參與施工,較難測量撓度與控制索力。如在地面胎膜上張拉桁架時,起拱量為桁架自重、檁條、支撐和屋面設(shè)備荷載一起作用下的拱度值,則預(yù)應(yīng)力張拉在一階段就可完成,稱為一次張拉;如在地面胎膜上張拉桁架時起拱量只考慮桁架自重,待檁條、支撐和屋面設(shè)備安裝后再張拉到設(shè)計形狀,稱為二次或多次張拉。通常結(jié)構(gòu)對預(yù)應(yīng)力的反應(yīng)較敏感,故預(yù)應(yīng)力的施加要分段進行,以免施工時產(chǎn)生過大的變形或內(nèi)力。6.3屋頂蓋的總安裝[9.10]高地服裝法安裝滑動方法6.4施工過程模擬通過追蹤施工過程中結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力與計算結(jié)果的差值,動態(tài)調(diào)整張拉及施工過程,從而保證結(jié)構(gòu)施工成型精確及安全可靠,施工過程的動態(tài)模擬是此類容易產(chǎn)生大變形的柔性結(jié)構(gòu)應(yīng)重點解決的問題。7結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工建議7.1結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計⑴當結(jié)構(gòu)跨度不大,拱梁出平面穩(wěn)定性較好時,可以采用一階段設(shè)計,否則應(yīng)按二階段或多階段設(shè)計,以控制吊裝前張弦的拉力;⑵對于張弦梁這種較柔的結(jié)構(gòu),應(yīng)適當掌握每一步張拉值,在控制反拱、滿足強度和穩(wěn)定要求以及追求經(jīng)濟性方面找到平衡點;⑶張弦梁結(jié)構(gòu)在施工吊裝時易發(fā)生平面外失穩(wěn)事故,故設(shè)計時應(yīng)考慮增大拱梁截面積、截面雙軸慣性矩或減少長細比;⑷由于張力需多次調(diào)整,應(yīng)采用可微調(diào)和預(yù)應(yīng)力損失小的錨具,同時因索和錨具接頭處剛度突變,故應(yīng)適當考慮疲勞強度。7.2梁側(cè)支安裝或拉結(jié)支點安裝⑴因施工工況與使用階段存在差異,故在結(jié)構(gòu)安裝前應(yīng)進行詳細的結(jié)構(gòu)分析,掌握結(jié)構(gòu)在各種工況下的性能;⑵施工時應(yīng)采取措施在梁側(cè)增加支撐或拉結(jié)支點,以保證吊裝時結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及結(jié)構(gòu)就位后檁條或聯(lián)系拉桿安裝方便;⑶施工時應(yīng)注意結(jié)構(gòu)的反應(yīng),對于重要結(jié)構(gòu)應(yīng)同時測量各控制點的內(nèi)力和位移并及時與結(jié)構(gòu)分析結(jié)果進行比較,在保證施工在有準備的情況下進行的同時也為日后的工程實踐和研究提供參考。8張弦桁架及預(yù)應(yīng)力的施加張弦梁結(jié)構(gòu)的若干實際工程應(yīng)用已經(jīng)證明,該類結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、傳力明確、施工方便快捷和建筑造型與結(jié)構(gòu)布置完美結(jié)合等優(yōu)點,在大跨度空間結(jié)構(gòu)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。而目前的理論研究尤其是結(jié)構(gòu)分析與施工過程相結(jié)合的系統(tǒng)分析尚落后于實際工程應(yīng)用,因此有必要進一步加以研究和探討,提出合理的設(shè)計、施工和優(yōu)化方法,以建造技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全適用的大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)。單榀張弦桁架胎架拼裝→張拉→吊裝→區(qū)段拼裝→(滑移)→整體拼裝→(張拉)。其施工步驟為:(1)在地面搭設(shè)水平胎架,將張弦桁架分段按設(shè)計要求焊接拼裝,并保證其幾何尺寸精度;(2)將拉索置于張弦桁架下放空間中,兩頭套入管節(jié)點,采用千斤頂預(yù)緊、就位;(3)在張弦桁架兩端設(shè)置千斤頂逐步張拉;(4)采用2臺大型起重機起吊張弦桁架至安裝高度,安放于邊節(jié)間位置;(5)張弦桁架之間通過檁條、支撐等桿件組成穩(wěn)定體系后,區(qū)段整體水平滑移就位。目前國內(nèi)已建大跨度張弦桁架結(jié)構(gòu)如上海浦東國際機場航站樓、廣州國際會議展覽中心、哈爾濱會展體育中心等均采用此法施工。常規(guī)方案為桁架分段吊裝→高空原位拼裝→支架卸載(被動施加預(yù)應(yīng)力)或高空張拉→(補充張拉),在結(jié)