弦支屋頂屋蓋設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

弦支屋頂屋蓋設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

0上分層網(wǎng)殼,下索桿體系深圳平山體育中心是2011年夏季世界博覽會(huì)的一個(gè)籃球場。總面積15000米，總座位4600人。如圖1所示，健身房的結(jié)構(gòu)為弦樂軌道結(jié)構(gòu)。弦支穹頂屋蓋形狀為球面,跨度72m;整個(gè)屋蓋曲面面積為4753m2,投影面積為4071.5m2。該弦支穹頂結(jié)構(gòu)由上部單層網(wǎng)殼和下部弦支索桿體系構(gòu)成。上部單層網(wǎng)殼網(wǎng)格為葵花形布置形式(圖2),網(wǎng)殼桿件采用圓鋼管(ue788325×12,ue788325×10,ue788325×8),節(jié)點(diǎn)形式主要為插板式相貫焊接節(jié)點(diǎn)和少量鑄鋼節(jié)點(diǎn),最外環(huán)支座節(jié)點(diǎn)為焊接球節(jié)點(diǎn),焊接球節(jié)點(diǎn)通過加勁肋、錨板和錨栓與下部混凝土結(jié)構(gòu)固接。下部索桿體系為肋環(huán)型,由環(huán)向索和徑向斜拉鋼拉桿構(gòu)成,共設(shè)2環(huán)。其中環(huán)向索為平行鋼絲束(ue7885×151,ue7885×61),徑向鋼拉桿為高強(qiáng)合金鋼棒(ue78880,ue78860,ue78840),另外局部設(shè)置構(gòu)造鋼棒,各環(huán)向索均為單索。撐桿采用圓鋼管(ue788194t5,ue788154t5),上端與網(wǎng)殼沿徑向單向鉸接,下端通過索桿鑄鋼節(jié)點(diǎn)與斜拉鋼棒單向鉸接,節(jié)點(diǎn)設(shè)索夾。1層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)概況鋼屋蓋所采用的弦支穹頂跨度為72m,矢高為7.2m,矢跨比為0.1,屬于大跨徑、小矢跨比的扁平單層網(wǎng)殼。結(jié)構(gòu)采用圓形弦支穹頂屋面;采用2道環(huán)索弦支體系,環(huán)索間隔12m;單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)由中心到邊緣等分為6圈,各圈投影間距為6.0m;由屋蓋中心,每隔2圈下設(shè)豎直撐桿、環(huán)索等,通過斜拉鋼棒將整個(gè)弦支體系連成整體(圖3)。整個(gè)屋蓋結(jié)構(gòu)支承于圓周邊24根混凝土柱上,支座均與下部混凝土結(jié)構(gòu)固接。屋面最高標(biāo)高約為26.7m,屋蓋結(jié)構(gòu)立面圖見圖4。該結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力索桿體系,外環(huán)環(huán)向索為24邊形、內(nèi)環(huán)為12邊形,每個(gè)撐桿下節(jié)點(diǎn)即索夾處設(shè)置單根徑向斜拉鋼棒。由于該結(jié)構(gòu)單層網(wǎng)殼采用的是傳統(tǒng)球面葵花形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)外形,結(jié)構(gòu)呈極軸對稱,因此各環(huán)內(nèi)徑向鋼拉桿、環(huán)向索及撐桿的軸力均相同,便于同步張拉過程中的分區(qū)控制。2整體穩(wěn)定分析針對不同的設(shè)計(jì)內(nèi)容,采用了多種計(jì)算模型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。模型一:上部屋蓋鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)總裝計(jì)算模型(圖5(a)),采用ETABS,SAP2000進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)上下部共同工作計(jì)算分析,以此計(jì)入下部結(jié)構(gòu)對屋蓋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響,同時(shí)可準(zhǔn)確計(jì)算屋蓋鋼結(jié)構(gòu)對下部看臺(tái)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。單層網(wǎng)殼、豎向撐桿采用空間桿單元,斜拉鋼棒、索采用Cable單元,下部混凝土梁、柱采用桿單元,板采用殼單元。模型二:屋蓋鋼結(jié)構(gòu)與看臺(tái)以上混凝土柱的單獨(dú)計(jì)算模型(圖5(b)),采用SAP2000,ANSYS軟件,考慮材料非線性、幾何非線性,進(jìn)行整體穩(wěn)定分析。模型三:關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元有限元模型(圖5(c)),采用ANSYS軟件,Solid95單元進(jìn)行模擬。3屋頂層結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是傾斜分支屋頂層的結(jié)構(gòu)3.1結(jié)構(gòu)自振特性分析總體控制標(biāo)準(zhǔn)為:屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年,設(shè)計(jì)使用年限為100年,考慮到為大運(yùn)會(huì)項(xiàng)目,結(jié)構(gòu)安全等級(jí)提高為一級(jí),結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1,抗震設(shè)防類別為乙類。變形控制指標(biāo):50年重現(xiàn)期風(fēng)荷載下及小震作用下主體結(jié)構(gòu)的層間位移角限值為1/550,屋蓋鋼結(jié)構(gòu)在永久和可變荷載作用下?lián)隙认拗悼刂茷榭缍鹊?/400,撓度限值可扣去起拱值。結(jié)構(gòu)舒適度(動(dòng)力特性)控制指標(biāo):屋蓋鋼結(jié)構(gòu)豎向自振頻率控制大于1.0Hz,樓蓋結(jié)構(gòu)豎向自振頻率控制大于3.0Hz。定義屈曲系數(shù)K為結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定及受壓構(gòu)件局部穩(wěn)定極限屈曲荷載與(恒+活)荷載的比值,屋蓋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定控制指標(biāo):線彈性屈曲K>10,考慮初始缺陷的幾何非線性屈曲K>5,同時(shí)考慮幾何非線性和材料非線性的雙非線性屈曲K>2.5。鋼結(jié)構(gòu)桿件強(qiáng)度控制標(biāo)準(zhǔn):構(gòu)件應(yīng)力與材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度之比控制在0.85之內(nèi)。斜拉鋼棒、索強(qiáng)度控制標(biāo)準(zhǔn):最大內(nèi)力與其破斷力之比控制在0.5以下。3.2結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力的確定從預(yù)應(yīng)力數(shù)值大小來看,預(yù)應(yīng)力過小將起不到改善結(jié)構(gòu)受力性能的效果,預(yù)應(yīng)力過大則會(huì)造成上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)和對周邊構(gòu)件產(chǎn)生較大的反向徑向約束,從而起到不利作用。因此在進(jìn)行弦支穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),如何確定恰當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力是該類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的首要問題。弦支穹頂結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力主要有兩個(gè)作用:1)降低結(jié)構(gòu)對周邊構(gòu)件的徑向水平約束反力;2)降低上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)內(nèi)力峰值、控制結(jié)構(gòu)變形和提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能。通過受力分析比較,本工程結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力的確定由以下原則進(jìn)行控制:(1)重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下的撓度控制:單層網(wǎng)殼安裝完成后,斜向鋼棒上施加預(yù)應(yīng)力使網(wǎng)殼在跨中形成一定的上拱;當(dāng)覆蓋上部的屋面體系后(即施加附加荷載后),網(wǎng)殼跨中在總重力荷載作用下的撓度變形基本為零。(2)重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下屋蓋外推力大小控制:施加預(yù)應(yīng)力后,重力荷載作用下網(wǎng)殼邊緣的外推力接近于零,屋蓋為自平衡體系。(3)組合工況作用下斜向鋼拉棒拉應(yīng)力控制:最不利組合工況作用下,斜拉鋼棒設(shè)計(jì)最大拉應(yīng)力小于0.5fy;考慮到任何工況下,鋼索不退出工作,并且保持一定的張力水平,反向風(fēng)荷載組合工況下,斜拉鋼棒設(shè)計(jì)最小拉應(yīng)力大于0.05fy。經(jīng)計(jì)算分析,本工程由中心至外圈分別采用ue78840,ue78860及ue78880低合金鋼棒,張拉預(yù)應(yīng)力控制在(0.2~0.3)fy。3.3單因素屋頂結(jié)構(gòu)分析3.3.1單層網(wǎng)殼模型的試劑選擇單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在殼平面外剛度較小,對缺陷敏感及穩(wěn)定性是其設(shè)計(jì)的控制因素,通常桿件應(yīng)力與材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度比較低,遠(yuǎn)沒有發(fā)揮材料的強(qiáng)度,且隨著跨度的增加,缺陷敏感性及穩(wěn)定問題將變得較為復(fù)雜,材料的利用率下降很快。故單層網(wǎng)殼常用的矢跨比一般在1/5~1/8之間。小矢跨比的網(wǎng)殼穩(wěn)定性較差,且淺平的球面屋頂要產(chǎn)生較大的側(cè)向推力,需設(shè)置強(qiáng)大的拉力環(huán)。大矢跨比的網(wǎng)殼穩(wěn)定性雖稍好,但將增加結(jié)構(gòu)高度和不必要的建筑空間,且依然對缺陷敏感。當(dāng)單層網(wǎng)殼與下部的索桿體系結(jié)合在一起時(shí),形成上剛下柔的自平衡受力體系,大大提高了單層網(wǎng)殼的穩(wěn)定性,基本消除了單層網(wǎng)殼的外推力,克服了單層網(wǎng)殼小矢跨比的缺點(diǎn)。為了更好地發(fā)揮弦支穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn),對弦支穹頂?shù)氖缚绫热〉眯∫恍?可以更好體現(xiàn)其良好的受力性能。弦支穹頂中的單層網(wǎng)殼矢跨比建議可取1/12~1/8。本工程矢跨比取1/10。3.3.2斜拉鋼棒軸力fv的變化斜拉鋼棒傾斜角度θ(即桿軸與水平面的夾角)的大小,直接影響到預(yù)應(yīng)力弦支體系的工作效率。由圖6有:可見,θ越大,Fv越大,斜拉鋼棒軸力的豎向分量作用對于網(wǎng)殼的豎向變形控制效率則較高,而Fh則越小,其減小網(wǎng)殼邊緣水平外推力的效率將有所下降。考慮到建筑使用空間等要求,建筑師希望θ應(yīng)盡量減小,最大不宜超過25°。設(shè)斜拉鋼棒軸力F為200kN,分別取θ=5°,10°,15°,20°,25°進(jìn)行對比,由式(1)有:θ=5°時(shí),Fv=17kN,Fh=199kN,豎直撐桿長度L=5.1m;θ=10°時(shí),Fv=35kN,Fh=197kN,L=6.2m;θ=15°時(shí),Fv=52kN,Fh=193kN,L=7.3m;θ=20°時(shí),Fv=68kN,Fh=188kN,L=8.4m;θ=25°時(shí),Fv=84kN,Fh=181kN,L=9.7m?？梢?θ在0°~25°間變化時(shí),斜拉鋼棒軸力水平分力Fh變化幅度不大;但豎直分力Fv差別較大;隨著θ的增大,撐桿加長,Fv逐漸增大,更有利于張拉體系產(chǎn)生向上的反力以平衡重力荷載作用,利于減小環(huán)索預(yù)應(yīng)力。但應(yīng)注意的是,如豎向撐桿過長須采取必需的措施防止撐桿屈曲,且需更大的空間放置撐桿,當(dāng)屋面標(biāo)高已經(jīng)確定時(shí),環(huán)索及節(jié)點(diǎn)標(biāo)高將降低,不利于看臺(tái)上部觀眾的視線角度。綜合考慮預(yù)應(yīng)力工作效率和建筑、結(jié)構(gòu)性能要求,本工程取斜拉鋼棒傾角θ=15°。3.3.3環(huán)索弦支體系弦支穹頂通過索桿體系為上部單層網(wǎng)殼提供一個(gè)向上的撐力,索的布置與上部單層殼的布置相互影響。但計(jì)算分析表明,環(huán)索布置方式對穹頂整體性能影響不大,只是對結(jié)構(gòu)上層網(wǎng)殼桿件的內(nèi)力有一些影響。下部索桿體系按上部單層每節(jié)點(diǎn)下對應(yīng)有撐桿滿布索桿時(shí),并不能最好地改善結(jié)構(gòu)的受力性能。對于工程中常見的單層網(wǎng)殼來說,每環(huán)桿件及同環(huán)桿件節(jié)點(diǎn)之間間距多為4~8m(也利于上部屋面檁條系統(tǒng)的鋪設(shè))。這時(shí),從經(jīng)濟(jì)和適用方面考慮,隔圈布置環(huán)索優(yōu)于連續(xù)布置環(huán)索,在同一環(huán)中不滿跨布置索桿優(yōu)于滿跨布置環(huán)索。對于本工程,跨度72m,圓形網(wǎng)殼設(shè)6圈環(huán)桿,環(huán)間距6m,通過對比分析,若采用單道環(huán)索弦支體系,單層殼跨度較大,預(yù)應(yīng)力效率不足;若采用3道環(huán)索弦支體系,每道間隔9m,單層網(wǎng)殼構(gòu)成相對復(fù)雜,桿件數(shù)量明顯增加,用鋼量增加4.5kg/m2,索用量增加3.5t,鑄鋼節(jié)點(diǎn)增加2t;同時(shí)預(yù)應(yīng)力張拉過程更復(fù)雜,施工周期更長,無論對施工還是經(jīng)濟(jì)效益都不利。本工程最終選擇采用2道環(huán)索方案,從外往里隔圈布置環(huán)索,每環(huán)每隔一節(jié)點(diǎn)布置索桿。3.3.4構(gòu)造鋼連桿本工程下部索桿體系采用肋環(huán)型,肋環(huán)型拉索的布置形式?jīng)Q定了徑向鋼拉桿和撐桿對環(huán)向索環(huán)向約束較小,易產(chǎn)生環(huán)向的偏擺,故在整個(gè)拉索索系中增加了局部構(gòu)造鋼拉桿,以增加索系沿環(huán)向的穩(wěn)定性。同時(shí),構(gòu)造鋼拉桿對屋蓋體系的扭轉(zhuǎn)性能也有較大影響,如圖7所示。計(jì)算表明,增加局部構(gòu)造鋼拉桿后,屋蓋結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)主振型由未加前結(jié)構(gòu)的第1階振型降為第3階振型,扭轉(zhuǎn)第1周期由原來的0.85s降為0.34s以下,構(gòu)造鋼拉桿有效地提高了屋蓋結(jié)構(gòu)索桿體系的抗扭性能。本工程沿外圈環(huán)索設(shè)置了12根構(gòu)造鋼拉桿,內(nèi)圈環(huán)索上設(shè)置了6根構(gòu)造鋼拉桿。3.4結(jié)構(gòu)非線性模擬分析穩(wěn)定問題一直是網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題,索桿張拉體系有效地提高了單層網(wǎng)殼的穩(wěn)定性,但穩(wěn)定性能的分析驗(yàn)算仍是弦支穹頂屋蓋結(jié)構(gòu)分析的重要問題之一。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析驗(yàn)算主要分為兩個(gè)步驟:第1步為線性屈曲穩(wěn)定分析,也即特征值屈曲分析;第2步為非線性穩(wěn)定分析,主要是考慮初始缺陷的情況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)荷載-變形全過程的非線性模擬分析,可以更準(zhǔn)確地分析本工程屋蓋結(jié)構(gòu)在考慮大變形情況下的穩(wěn)定承載能力。在分析中通常應(yīng)考慮應(yīng)力剛化效應(yīng)。對初始幾何缺陷,采用的是一致缺陷模態(tài)法,以結(jié)構(gòu)線性屈曲分析中最低階的屈曲模態(tài)作為初始幾何缺陷分布模態(tài),最大缺陷值取跨度的1/300,以此引入結(jié)構(gòu)模型中,進(jìn)行非線性全過程迭代分析。分析中還同時(shí)考慮了材料非線性問題,結(jié)合初始幾何缺陷非線性,進(jìn)行了雙非線性穩(wěn)定分析。下部混凝土結(jié)構(gòu)部分在穩(wěn)定分析中可視為線彈性,但需考慮其在長期荷載作用下的剛度退化,計(jì)算中取其彈性模量為原數(shù)值的0.25倍予以簡化考慮。本工程線彈性、幾何非線性、雙非線性的第1階屈曲荷載系數(shù)分別為11,7.74,5.48,在失穩(wěn)破壞區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取了3個(gè)點(diǎn),各點(diǎn)的非線性計(jì)算結(jié)果見圖8,9,圖中縱軸表示重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值的加載倍數(shù),橫軸為結(jié)構(gòu)極限失穩(wěn)破壞區(qū)域內(nèi)若干節(jié)點(diǎn)的撓度變化值。分析結(jié)果表明,本工程弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性能可以滿足要求,并具有足夠的安全儲(chǔ)備及較好的延性特征。3.5節(jié)點(diǎn)類型和應(yīng)力分析本工程匯交桿件數(shù)量多、形式復(fù)雜,節(jié)點(diǎn)及支座須承擔(dān)在結(jié)構(gòu)使用時(shí)桿件傳來的拉、壓、剪切等復(fù)雜組合應(yīng)力。設(shè)計(jì)時(shí)首先根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范(規(guī)程)進(jìn)行簡化計(jì)算;然后建立三維實(shí)體有限元模型進(jìn)行節(jié)點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變分析,在有限元分析基礎(chǔ)上對高應(yīng)力區(qū)采取構(gòu)造加強(qiáng)措施,保證節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)安全。主要有四種典型節(jié)點(diǎn):1)支座節(jié)點(diǎn):采用焊接球節(jié)點(diǎn)并通過埋件與下部混凝土柱剛接;2)單層網(wǎng)殼6桿節(jié)點(diǎn):網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件之間均采用剛性連接,節(jié)點(diǎn)采用相貫焊接節(jié)點(diǎn);3)撐桿-單層網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn):撐桿與單層殼采用銷鉸接;4)索桿節(jié)點(diǎn):索桿節(jié)點(diǎn)是將徑向預(yù)拉力轉(zhuǎn)換為體系預(yù)應(yīng)力平衡荷載的關(guān)鍵部位,節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造和受力均較復(fù)雜,故一般采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)。各典型節(jié)點(diǎn)構(gòu)造做法見圖10~13。有限元計(jì)算分析忽略焊縫對計(jì)算結(jié)果的影響以簡化模型。圖14為典型節(jié)點(diǎn)有限元應(yīng)力云圖。分析結(jié)果表明,節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中部位最大的vonMises應(yīng)力在250MPa左右,主要分布于加勁連接板處,應(yīng)力值不豐滿,應(yīng)力集中處以外應(yīng)力值迅速減小,節(jié)點(diǎn)區(qū)平均應(yīng)力水平大約在50~90MPa,可以保證節(jié)點(diǎn)極限承載力至少為所施加荷載的3倍。最不利工況下,索桿節(jié)點(diǎn)應(yīng)力水平均在150MPa以下,可以保證其極限承載力為索破斷荷載的2倍以上。節(jié)點(diǎn)可以保證結(jié)構(gòu)的正常安全運(yùn)行。3.6種方法所使用的方法目前,國內(nèi)外弦支穹頂?shù)念A(yù)應(yīng)力張拉常見有以下3種方法。本工程下部索桿體系采用了肋環(huán)型單索布置形式,在方法選擇時(shí)依據(jù)這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對預(yù)應(yīng)力的張拉方法進(jìn)行選取。(1)大直徑索系設(shè)計(jì)要點(diǎn)本工程的環(huán)向索接近圓形,形狀有利于實(shí)施環(huán)向索張拉。但由于該結(jié)構(gòu)環(huán)索采用單索的形式且僅布置了2圈索系,外環(huán)索索力較大(近2300kN),除需配備大噸位張拉設(shè)備外,大直徑索體在索桿節(jié)點(diǎn)中不便于有效滑動(dòng),也導(dǎo)致?lián)螚U的垂直度不能得到有效控制,撐桿間環(huán)索內(nèi)建立的張拉力也不均勻,易導(dǎo)致索系張拉后無法達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力態(tài)。(2)環(huán)向索的交互控制由于環(huán)向索采用單索形式,頂升撐桿不易實(shí)現(xiàn)徑向斜拉鋼棒、環(huán)向索和撐桿三軸線匯交于一點(diǎn),也不利于實(shí)現(xiàn)環(huán)向索位于同一平面的線形控制;此外,由于本工程撐桿上節(jié)點(diǎn)采用徑向擺動(dòng)的單向鉸節(jié)點(diǎn)且撐桿長度較長(約7.3m),撐桿頂升過程中由于單根徑向拉桿對