大跨空間預應力鋼結構的施工方法

大跨空間預應力鋼結構的施工方法

大跨空間鋼結構的預制施工技術主要包括施工分析、施工方法和牽引裝置。施工分析的內(nèi)容包括等效預張力找力分析、零狀態(tài)找形分析、環(huán)境溫度影響分析、施工過程分析、剛構拼裝分析、施工控制分析和拉索制作參數(shù)計算等;施工方法的內(nèi)容包括安裝方法和張拉方法;張拉裝備包括千斤頂和工裝等。在具體工程中,施工分析、施工方法和張拉裝備須以有效地建立預應力和控制位形為目標,協(xié)調(diào)一致,配套使用。大跨空間預應力鋼結構形式多樣,力學特性差異大,工程特點和工程條件更是無一相同,因此需要根據(jù)不同的結構形式和工程特點,采取相應的施工技術。本文結合雜交結構和張力結構中的典型結構形式,介紹各結構的主要施工技術,并集成為大跨空間鋼結構預應力施工成套技術。1風音石結構形式雜交結構是由索桿系和剛構雜交而成的大跨空間預應力鋼結構類型,其典型結構形式有張弦結構、斜拉結構和弦支穹頂?shù)取Ｓ捎诟鹘Y構形式中索、桿和剛構的構成(見表1)和空間拓撲關系、剛構和整體結構的力學性能等不同,因此各結構形式的拉索預應力施工技術也有所不同。1.1撐桿張拉及吊裝張弦結構中的下弦索和撐桿為上弦剛構提供了彈性下支撐點,平衡剛構的側推力。張弦結構整體具有桁架的力學特性,其中預應力可調(diào)控結構內(nèi)力和形狀。由于存在穩(wěn)定的上弦剛構,因此拉索不是張弦結構的必要構件。根據(jù)張弦結構的力學特性,下弦索各索段的索力較為均勻,因此一般情況下,拉索連續(xù)貫通撐桿下端的索夾。下弦索的空間姿態(tài)為平索,為便于將拉索的索頭與端部節(jié)點、索體與撐桿下端索夾分別連接,可采用“兩端牽引、多點提升”的安裝方法,從而減小拉索安裝時的索端牽引力,易于調(diào)整拉索安裝的空中姿態(tài)。宜先將索頭與端部節(jié)點連接,并適當放長,然后將索體跨中與中間撐桿索夾連接,然后再將索體與其他索夾連接。單榀拉索宜兩端張拉,便于調(diào)整撐桿沿跨度方向的偏擺,且一般僅張拉一次到位。若張弦結構在原位拼裝,則一般逐榀依次的拼裝剛構、安裝和張拉拉索,兩者流水施工,榀間索力有一定的相互影響,因此拉索張拉滯后剛構拼裝2~3榀進行;若單榀張弦結構在地面拼裝和張拉后吊裝就位,則榀間索力無影響。但需更加關注單榀張拉后結構矢高和跨度,便于吊裝后支座就位和榀間連系構件的安裝。對于撐桿可擺動的張弦結構(如哈爾濱會展中心),通過撐桿的擺動將索端張拉力傳遞至各索段,因此拉索張拉前將索體與索夾固定連接;對于撐桿固定的張弦結構(如2010年上海世博會主題館),索體應與索夾滑動連接,為克服索夾摩擦力,可邊張拉邊振動索夾附近的索體,采用“超張拉回松”技術,即通過索端超張拉來提高中間索段的索力,然后回松索端張拉力至正常值。張弦結構的索段較短,其預應力施工過程分析主要為張拉過程分析,因此索段模型一般采用兩節(jié)點直線模型(如ANSYS軟件中的只受拉、不受壓的Link10模型)即可滿足分析精度要求。在等效預張力的找力分析中,由于張弦結構中上弦剛構的剛度較弱,結構自重等外荷載在拉索中產(chǎn)生較大的索力,因此增量比值法較為適用,且同一根下弦索各索段的等效預張力一致。在環(huán)境溫度影響分析中,由于上弦剛構的制作和拼裝并不考慮環(huán)境溫度影響,因此采用“基于拉索等效預張力的正算法”,在拉索的制作和張拉中考慮環(huán)境溫度影響。在零狀態(tài)找形分析和拉索制作長度方面,若張拉變形大,且設計圖紙尺寸為張拉后位形,則必須進行全結構零狀態(tài)找形分析,保證張拉后整個結構的位形,且宜以設計圖紙尺寸和設計索力來確定拉索制作長度;否則,必要時可進行下弦索和撐桿子結構的零狀態(tài)找形分析,保證張拉后撐桿的空間姿態(tài),且宜以設計圖紙尺寸和等效預張力來確定拉索制作長度。在剛構焊接分析方面,由于上弦剛構拼裝焊接時一般處于自由狀態(tài),因此一般應采取構造和工藝措施保證焊接變形,而無需進行剛構焊接分析。在施工控制方面,一般以控制張拉力為主,以控制撐桿空間姿態(tài)為輔,但若上弦剛度弱,張拉變形大,結構跨度和矢高控制要求高,則需根據(jù)全結構零狀態(tài)找形分析結果進行拼裝,且張拉應以控制結構位形為主。1.2斜拉索張拉拉索斜拉結構中的前索為剛構提供彈性上支撐點,平衡豎向荷載,而背索和桅桿或塔柱為前索提供上支點,并平衡前索索力。由于獨立的懸挑剛構會失穩(wěn)傾覆,因此拉索是斜拉挑篷結構的必要構件,其預應力可調(diào)控懸挑剛構的內(nèi)力和形狀。斜拉索的空間姿態(tài)為直線形斜索,位于剛構(優(yōu)先安裝)的上方,索長,質量大,上索頭位置高。可根據(jù)結構特點和工程條件,采用天輪循環(huán)和一端牽引的安裝方法,實現(xiàn)無支架、少占用起重機、快速、方便地安裝拉索。拉索安裝過程中,須在桅桿或塔柱上設置纜風繩或斜撐,維持桅桿或塔柱的穩(wěn)定。斜拉結構中懸挑剛構的縱向聯(lián)系一般較強,以保證較好的整體性,因此均在剛構整體安裝完成后進行拉索張拉。單根斜拉索僅需一端張拉,張拉調(diào)節(jié)端設置在低端便于張拉作業(yè)。由于桅桿底部為鉸接支座,前索和背索的索力相互平衡,因此單桅桿上的斜拉索系一般采用被動張拉技術,考慮到張拉作業(yè)的安全性和方便性,一般選擇背索作為主動張拉索,而前索精確組裝、被動張拉。塔柱底部為固定支座,因此單塔柱上的斜拉索系均需主動張拉,且宜同批次協(xié)調(diào)同步張拉。同一結構上的各桅桿或塔柱的索系,一般對稱分批次張拉。斜拉結構的預應力施工過程分析主要為張拉過程分析,盡管索長,但斜角大,張力大,因此索段模型一般采用兩節(jié)點直線模型即可滿足分析精度要求。在等效預張力的找力分析中,由于斜拉結構中各桅桿或塔柱的索系之間、前索系和背索系之間乃至前索或背索之間,各層面上的索力相互影響都較大,因此收斂穩(wěn)定的退化補償法較為適用。在環(huán)境溫度影響分析中,由于剛構的制作和拼裝并不考慮環(huán)境溫度影響,因此采用“基于拉索等效預張力的正算法”,在拉索的制作和張拉中考慮環(huán)境溫度影響。在零狀態(tài)找形分析和拉索制作長度方面,由于斜拉結構的剛構一般按照設計圖紙拼裝,因此有必要時僅對斜拉索和桅桿進行子結構零狀態(tài)找形分析,保證張拉后桅桿的空間姿態(tài),且宜以設計圖紙尺寸和等效預張力來確定拉索制作長度。在剛構焊接分析方面,由于斜拉挑篷結構的懸挑剛構拼裝焊接時處于自由狀態(tài),因此一般應采取構造和工藝措施保證焊接變形,而無需進行剛構焊接分析。在施工控制方面,一般以控制張拉力為主,以控制桅桿空間姿態(tài)和剛構豎向位移為輔。1.3頂撐張拉統(tǒng)一張拉方案弦支穹頂由索穹頂下部的環(huán)索、斜索和撐桿與網(wǎng)殼雜交而成,其下部索桿系為上部網(wǎng)殼提供彈性下支撐點,平衡網(wǎng)殼的側推力。由于存在穩(wěn)定的上部網(wǎng)殼,因此拉索不是弦支穹頂?shù)谋匾獦嫾?其預應力主要調(diào)控結構內(nèi)力和支座反力。與輪輻式張弦網(wǎng)殼相比,弦支穹頂凈空高,環(huán)間索力差異大,同環(huán)斜索和環(huán)索的索力差異也大。設計時,斜索宜采用鋼拉桿,便于索桿系安裝時撐桿下端節(jié)點預偏定位;而環(huán)索索力大,同環(huán)環(huán)索索力均勻,宜采用鋼絲束等軟索,連續(xù)貫通撐桿下端索夾,節(jié)省環(huán)索索頭費用。網(wǎng)殼桿件一般散拼,其下滿鋪支架,因此支架搭設應預留穿索通道,且支架不能阻礙斜索、環(huán)索和撐桿安裝位置。網(wǎng)殼焊接量大,為控制焊接變形和內(nèi)力,先焊接外圍環(huán)桿,再焊接交叉形骨架桿件,形成穩(wěn)定構架后再對稱填補焊接其余桿件(見圖1)。索桿系安裝隨網(wǎng)殼拼裝流水施工,安裝順序與張拉方法密切相關。根據(jù)主動張拉構件類型,存在3種基本張拉方案:斜索張拉、環(huán)索張拉和撐桿頂撐張拉,如圖2所示。在初始態(tài)相同的條件下,3種張拉方案的安裝零狀態(tài)的撐桿位置是不同的,而且施工張拉力值、張拉點數(shù)及相應投入張拉裝備的能力和數(shù)量等均差異較大(見表2)。按照索力均勻性和撐桿垂直度的控制效果來排列,依次為斜索張拉、撐桿頂撐張拉和環(huán)索張拉。理論上來說,3種張拉方案均能應用于任何弦支穹頂,但綜合拉索材料費用、節(jié)點構造、張拉施工費用及張拉效率等因素,3種張拉方案實際應用的適用條件是不同的,如表3所示。與斜索張拉和撐桿頂撐張拉相對應的索桿系安裝順序為撐桿、環(huán)索和斜索;與環(huán)索張拉相對應的為撐桿、斜索和環(huán)索。拉索安裝后,尚需量取網(wǎng)殼安裝誤差調(diào)整索長,預緊主動張拉的索,使索桿系由無應力松弛狀態(tài)進入有應力初緊狀態(tài),其關鍵是要保證同環(huán)撐桿下節(jié)點相對上節(jié)點的偏移量一致。在上部網(wǎng)殼安裝成型、支座就位、各環(huán)拉索安裝、調(diào)差且預緊后,進行拉索張拉作業(yè)。弦支穹頂為群索系雜交結構,不可能對其所有拉索同步張拉。不僅需要根據(jù)張拉方法將索系分為主動張拉索系和被動張拉索系,而且對主動張拉索系還需分兩階段、逐環(huán)分批張拉。為保證支架落架前結構的安全性,在拉索進行第1次循環(huán)張拉后方可拆除支架;為保證張拉最終不受支架的影響,在第2次循環(huán)張拉前,將支架主動脫離網(wǎng)殼;外環(huán)對結構重要性優(yōu)于中環(huán)和內(nèi)環(huán),在第2次循環(huán)張拉順序為從內(nèi)環(huán)向外環(huán),以保證最外環(huán)索力不受相鄰環(huán)拉索張拉的影響。因此,第1階段從外逐環(huán)向內(nèi),張拉至設計初始態(tài)索力的90%;第2階段將支架主動脫離上部網(wǎng)殼,在無支架支撐的條件下,從內(nèi)逐環(huán)向外張拉就位。采用環(huán)索張拉法時,為克服索夾摩擦力,可采用邊張拉邊振動及超張拉回松技術。弦支穹頂?shù)乃鞫屋^短,其預應力施工過程分析主要為張拉過程分析,因此索段模型一般采用兩節(jié)點直線模型即可滿足分析精度要求。在等效預張力的找力分析中,由于弦支穹頂存在穩(wěn)定和大剛度的網(wǎng)殼,拉索為非必要構件,且結構自重等外荷載在拉索中產(chǎn)生的拉力與目標索力相比為小量,因此定量比值法較為適用,且同一根環(huán)索各索段的等效預張力一致。在環(huán)境溫度影響分析中,由于網(wǎng)殼的制作和拼裝并不考慮環(huán)境溫度影響,因此采用“基于拉索等效預張力的正算法”,在拉索的制作和張拉中考慮環(huán)境溫度影響。在零狀態(tài)找形分析和拉索制作長度方面,由于網(wǎng)殼一般按照設計圖紙拼裝,因此有必要時僅對斜索、環(huán)索和撐桿進行子結構零狀態(tài)找形分析,保證張拉后撐桿的空間姿態(tài),且宜以設計圖紙尺寸和等效預張力來確定拉索制作長度。在剛構焊接分析方面,由于網(wǎng)殼拼裝焊接時一般處于約束狀態(tài),因此有必要時應進行網(wǎng)殼焊接分析,優(yōu)化焊接拼裝方案,并采取構造和工藝措施控制焊接變形和焊接應力。張拉控制實行“力”和“形”雙控,其中在張拉第1階段以控制撐桿垂直度為主,在張拉第2階段以控制索力為主。2拉索安裝及施工過程設計方法張力結構是主要由大量拉索和少量壓桿構成的大跨空間預應力鋼結構類型,其典型結構形式有索穹頂、索網(wǎng)和索桁架等。張力結構中的拉索不僅是結構的必要構件,而且其預應力是形成結構剛度、承受荷載和維持形狀的必要條件,因此預應力是張力結構的靈魂。張力結構的施工方法與傳統(tǒng)結構不同,其施工過程就是結構不斷積累剛度和成型的過程?，F(xiàn)場施工過程主要包括3個步驟:組裝連接、牽引安裝和張拉成型。(1)組裝連接根據(jù)構件拓撲關系,將拉索和壓桿在無應力狀態(tài)下進行連接;(2)牽引安裝通過牽引或提升等方法將組裝的索桿系安裝至設計位置附近;(3)張拉成型通過張拉拉索或頂撐壓桿在結構中建立預應力使結構成型。施工階段索桿系位形與結構成型狀態(tài)差異較大,特別是在早期施工階段的差異非常大,而隨著牽引安裝和張拉成型,索桿系位形逐漸趨向、接近和達到成型狀態(tài)。在未張拉前索桿系為機構,主要呈現(xiàn)的是機構位移,而彈性位移是小量,另外鋼絲束等柔性拉索僅能受拉,不能受壓和受彎,因此張力結構施工過程中存在超大位移且包含機構位移和拉索松弛。張力結構的施工過程分析主要為牽引提升和張拉過程分析,為精確模擬索桿系的松垂狀態(tài),索段模擬須采用曲線模型或多折線模型。在等效預張力的找力分析中,由于張力結構為預應力自平衡體系,設計索力基于設計位形是基本平衡的,因此混合退化補償?shù)脑隽勘戎捣ㄝ^為適用。在環(huán)境溫度影響分析中,由于張力結構中的索桿系均可按無應力長度組裝,因此可直接采用“反算法“進行分析。在零狀態(tài)找形分析和拉索制作長度方面,若張拉變形大,且設計圖紙尺寸為張拉后位形,則必須進行全結構零狀態(tài)找形分析,保證張拉后整個結構的位形,且宜以設計圖紙尺寸和設計索力來確定拉索制作長度;在施工控制方面,地面組裝時應主控被動張拉索系的無應力組裝長度,張拉時應主控主動索系的張拉力。下面以索穹頂結構為例,介紹張力結構的創(chuàng)新施工技術。2.1頂空提升設備索穹頂是由環(huán)索、斜索、脊索、壓桿及內(nèi)拉環(huán)和外壓環(huán)構成的張力結構?！八黢讽斔芴嵘鳁U累積安裝方法”包括低空組裝、空中牽引提升和高空張拉3個階段,施工過程為:①在場地中心設置略高于索穹頂中心點設計高度的提升塔架,在地面組裝脊索網(wǎng)和中心受拉環(huán)(見圖3a);②在塔架頂部設置多點提升設備來豎直提升中心受拉環(huán),同時在受壓外環(huán)梁處設置牽引設備來斜向牽引脊索網(wǎng)(見圖3b);③在脊索網(wǎng)和中心受拉環(huán)牽引提升過程中,在接近地面和樓面的位置進行各環(huán)的環(huán)索、壓桿和斜索的擴展累積安裝,安裝順序可以根據(jù)提升過程中各安裝點離地面或樓面高度進行調(diào)整(圖3c);④提升牽引就位后,對最外環(huán)斜索進行張拉,使結構成型(見圖3d);⑤拆除提升塔架(見圖3e)。該施工方法的優(yōu)點為:通過設置在場地中央的提升塔架和設置在外環(huán)梁的牽引設備,對中心拉力環(huán)和脊索網(wǎng)進行提升,可以方便地改變中心拉力環(huán)的高度,顯著減小脊索牽引的距離和牽引力,降低脊索牽引安裝到位的施工難度;隨著中心拉力環(huán)和脊索網(wǎng)的提升,在接近地面或樓面的位置安裝壓桿、環(huán)索和斜索,可簡便安裝,減少高空安裝工作量,增加施工安全性;僅主動張拉最外環(huán)的斜索使結構成型,提高了張拉效率。該方法與Geiger安裝方法的比較如表4所示。2.2ndfem找形分析方法索桿系施工過程是動態(tài)的,但就某時刻的施工狀態(tài)而言,索桿系處于靜力平衡狀態(tài)。因此可將索桿系施工過程分析劃分為若干施工階段靜力平衡態(tài)的找形分析?！按_定索桿系靜力平衡態(tài)的非線性動力有限元法”(簡稱NDFEM),是基于非線性動力有限元,通過引入虛擬的慣性力和黏滯阻尼力,建立運動方程,將難以求解的靜力問題轉為易于求解的動力問題,并通過迭代更新索桿系位形,使索桿系的動力平衡狀態(tài)逐漸收斂于靜力平衡狀態(tài)。索桿系在分析前處于靜力不平衡狀態(tài),在分析中處于動力平衡狀態(tài),在收斂后達到靜力平衡狀態(tài),即索桿系由初始的靜力不平衡狀態(tài)間斷地運動(非連續(xù)運動)至穩(wěn)定的靜力平衡狀態(tài)。NDFEM找形分析的主要內(nèi)容是非線性動力平衡迭代和位形更新迭代,其總體步驟(見圖4)為:①建立初始有限元模型;②進行非線性動力有限元分析,當總動能達到峰值時更新有限元模型,重新進行動力分析,直到位形迭代收斂;③最后對位形迭代收斂的有限元模型進行非線性靜力分析,檢驗靜力平衡狀態(tài);人,提取分析結果。NDFEM法找形分析,將難以靜力平衡的有限元分析轉化為容易平衡的動力分析,并通過迭代更新位形,使索桿系狀態(tài)收斂于靜力平衡,很好解決了存在超大位移和機構位移的索桿系找形問題?？芍苯訉⒔Y構設計成型狀態(tài)的位形作為初始位形,無需假定索桿的運動軌跡或者設定趨向平衡位置的初始位移,并從以下方面保證了分析的穩(wěn)定性和高效性:①由于引入虛擬的慣性力和阻尼力,非線性動力有限元分析比非線性靜力有限元分析更容易收斂;②基于整體有限元的非線性動力平衡方程求解,其總動能具有整體性;③對連續(xù)3個時間步的總動能進行曲線擬合來確定總動能峰值及其時間點,采用線性插值方法確定該時間點的位移,以此更新索桿系位形;④分析過程中自動調(diào)整動力分析的