预应力条形钢拉板索穹顶及施工全过程分析

管东芝　 朱明亮　 郭正兴　 罗　斌　 陈雪琪　 丁明珉

(东南大学土木工程学院, 南京 210096)(东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 南京 210096)



预应力条形钢拉板索穹顶及施工全过程分析

管东芝 朱明亮 郭正兴 罗斌 陈雪琪 丁明珉

(东南大学土木工程学院, 南京 210096)(东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 南京 210096)

为了解决刚性屋面应用于常规索穹顶结构连接构造复杂的问题,提出了一种新型预应力钢拉板索穹顶结构.结合条形钢拉板的特点,基于非线性动力有限元法,提出了通过建立预分析模型确定初始形态的正施工过程分析方法.在无锡新区科技交流中心屋盖结构的基础上,设计了新型预应力钢拉板索穹顶结构模型,进行了无支架提升牵引施工全过程分析.结果表明：钢拉板索穹顶结构位形在建造过程中经历了悬垂状态、调整状态和刚化状态；提升索和牵引索的拉力在钢拉板外端点接近外支座时会有较大提高；条形钢拉板在整个施工过程中均保持弹性状态,且最终位形与索杆单元模拟的脊索位形相差不大,证明了新型预应力钢拉板索穹顶结构的可行性.

钢拉板;索穹顶;非线性动力有限元;找形;全过程分析

TU393.3;TU745.2

A

1001-0505(2016)05-1051-06

索穹顶结构是一种根据美国建筑师富勒提出的张拉整体思想形成的全张力结构[1],其空间跨越能力强,自重轻,传力途径明确.世界上第1座建成的索穹顶为美国工程师盖格设计的首尔奥运会体育场[2].此后,索穹顶结构在大跨空间结构邻域得到广泛运用,相继建成了红鸟体育馆、佐治亚穹顶、台湾桃园体育馆、皇冠体育馆、沙特阿拉伯利亚德大学体育馆等[3-4].2009年,浙江金华晟元集团标准厂房中庭采用了索穹顶结构,填补了我国大陆地区索穹顶工程的空白[5].同年,又建成了国内第1座刚性屋面索穹顶结构——无锡太湖国际高科技园区科技交流中心[6].2011年,在鄂尔多斯伊金霍洛旗建成了结构跨度达71.2 m的大型索穹顶结构[7].与此同时,中国(太原)煤炭交易中心索穹顶结构[8]建成,该结构为次索网索穹顶结构[9].随着多个项目的建设与实施,我国在索穹顶结构领域的研究和应用取得了长足的进步.

目前,索穹顶屋面系统根据覆盖材料的不同,主要分为柔性材料和刚性材料两大类.膜材料作为柔性材料已经在国内外著名索结构工程的屋面系统中得到较多应用.但国内气候和环境的现实状况,对现有膜材提出了更高的耐久性和自洁性要求,这使得采用单一膜面材料作为屋面时,建造和维护成本较高,一定程度上阻碍了索穹顶结构在我国大陆地区的工程应用[10].

常规刚性屋面材料,如压型钢板、彩钢板、玻璃面板、铝镁锰板等,结构受力合理,利于屋面保温,耐污染能力强,施工简便,造价较低,在国内钢屋盖结构中已得到广泛应用.刚性屋面板应用于常规索结构时,索体与刚性屋面之间的连接需要专门的构造连接措施,往往构造复杂,施工繁琐,增加了结构建造总成本.国内已有的刚性屋面索穹顶结构工程为无锡新区科技交流中心和中国(太原)煤炭交易中心,这2个工程均采用了次网格与索穹顶相连的方式形成刚性屋面索穹顶,次网格分别为肋环形网壳[11]和单层次索网[12].刚性屋面材料与索体之间的次结构往往搁置在撑杆顶端,从而增加了撑杆处节点构造的复杂程度,对索夹抗滑提出了更高的要求.

本文提出了一种新型预应力条形钢拉板索穹顶结构,旨在解决传统索穹顶与刚性屋面连接构造复杂、对刚性屋面次结构跨越能力要求高的问题,降低造价,提高了刚性屋面索穹顶结构的应用优势.与传统索穹顶结构相似,新型预应力条形钢拉板索穹顶在未施加预应力时呈柔软无刚度状态,利于采用无支架提升张拉施工方法,符合绿色施工的潮流.针对预应力条形钢拉板索穹顶的特点,基于确定索杆系静力平衡态的非线性动力有限元法(NDFEM)[13],提出了通过建立预分析模型来确定初始形态的正施工过程分析方法,取得了较好效果.

1　预应力条形钢拉板索穹顶结构

预应力条形钢拉板索穹顶结构由条形钢拉板、斜索、环索、撑杆、中心内环梁和周边外环梁构成(见图1).条形钢拉板根据承载力需要,可采用单层条状钢板带,或通过多层条状钢板带上下叠加而成,一端通过端部节点与中心内环梁连接,另一端与周边外环梁连接.撑杆的顶端通过连接节点与条形钢拉板连接,斜索连接相邻环撑杆的顶端和底端.环索连接同环撑杆的底端,并沿环向闭合.通过预应力张拉在整个结构中建立预应力分布,形成具有一定刚度的全张力结构.

图1　钢拉板索穹顶结构示意图

撑杆顶端连接节点由节点板、耳板和螺栓构成,节点板和条形钢拉板在对应位置预留螺栓孔,通过高强螺栓将节点板与条形钢拉板连为一体.下节点板的下表面焊接有耳板,耳板预留销轴孔,通过销轴与斜索和撑杆相连(见图2).

图2　撑杆顶节点示意图

常规索穹顶结构脊索不便于刚性屋面材料铺设.实际应用中,往往通过刚度相对较大的支撑次结构来连接屋面材料,支撑次结构搁置在撑杆顶端,这对次结构的跨越能力和索夹的力学性能提出了更高的要求.条形钢拉板呈扁平状,可根据需要在指定位置直接预留螺栓孔,在预应力条形钢拉板索穹顶结构张拉成型后,直接安装檩条等刚性材料,通过间隔分布的高强螺栓连接固定,直接铺设刚性屋面材料.

该新型预应力条形钢拉板索穹顶结构具有以下特点：① 条形钢拉板与上部刚性屋面连接节点构造简单,易于应用成熟的栓接技术,施工方便,有利于充分利用柔性结构与刚性屋面的受力特性；② 钢拉板厚度相对于整体结构跨度而言比较薄,在未施加预应力前,刚度较弱,呈柔性状态,能够利用现有预应力技术及机构运动学安装方式实现无支架安装,符合绿色施工的潮流；③ 相对于常规索结构,钢拉板不需要锚具、索夹等部件,且钢材价格相对于索体材料较低,进一步降低了造价,具有较大的推广应用潜力.

2　钢拉板索穹顶施工过程分析方法

新型预应力条形钢拉板索穹顶结构在未施加预应力之前,呈柔性可变状态,有利于采用成熟的无支架提升的安装方法[14-15]实施建造,但这对结构施工过程分析提出了更高的要求.

钢丝绳、钢绞线、钢丝束索、条形钢拉板等仅能承受拉力,不能承受压力和弯矩,属于柔性构件.在未张拉之前,索穹顶处于松弛状态,整体位形与设计状态的位形相差较大.柔性构件在施工过程中会产生机构位移、超大变形和单向传力等非线性情形,无法采用常规的线性静力有限元进行分析.

索穹顶结构采用无支架连续提升的方法进行安装时,虽然位形状态是连续变化的,但施工过程缓慢,结构在每个时刻均可认为处于静力平衡状态.因此,可以对若干个关键时刻的施工位形进行找形分析,从而有效掌握全施工过程的结构状态.确定索杆系静力平衡态的非线性动力有限元法[13]的核心在于,对处于非静力平衡状态位形的结构进行非线性动力分析,根据分析结果不断更新索杆系的位形,最终结构位形将收敛于唯一确定的静力平衡状态位形.在分析过程中,引入虚设的惯性力和黏滞阻尼力,以便于非线性动力分析的求解.该方法适用于位形变化大的柔性结构施工过程分析,具有良好的效果.

在开始进行柔性结构施工过程分析时,往往只有结构的设计态位形是明确的,故常以结构设计态位形作为初始态,采用逆过程分析法进行柔性结构施工态找形分析,即从结构设计态出发,采用与实际施工顺序相反的过程来确定柔性结构在不同施工步骤中的位形,从而确定各施工步骤中结构的形态和内力状态.采用NDFEM法对常规索穹顶结构进行施工过程分析时,常采用索、杆单元来模拟索穹顶结构中的拉索和撑杆构件.索、杆单元不传递弯矩,仅传递轴力,在进行动力有限元平衡方程求解和更新位形的过程中,索单元的空间位形将向实际拉索的轴力方向变化,索单元的位形也将逼近实际拉索的位形.

不同于常规索结构,新型预应力钢拉板索穹顶结构上部脊索部分为连续钢拉板.在施工过程中,需要了解钢拉板由于弯曲产生的应力状况,但是索单元不能传递弯矩,无法量化这部分影响,而基于梁单元能够计算弯曲应力,故适宜采用梁单元来模拟钢拉板.

采用NDFEM法来进行常规索结构的施工逆过程找形分析时,在有限元模型更新位形的过程中,拉索部分会出现受压的不平衡状态.随着持续的位形更新,这种不平衡状态快速过渡到平衡状态.当采用不传递弯矩的索单元来模拟拉索时,平衡状态下有限元模型中的拉索位形将趋近于实际拉索的位形,从而达到模拟分析的目的.然而,在钢拉板索穹顶结构的有限元模型中,钢拉板部分采用梁单元来模拟.采用NDFEM法进行钢拉板索穹顶结构的施工逆过程分析时,条形钢拉板也会出现受压的状态.在受压状态下,模拟钢拉板的梁单元之间易产生较大弯折,由于梁单元能够传递弯矩和轴力,弯折状态下的钢拉板模型仍能够达到平衡状态.NDFEM法中,结构达到平衡状态时,将停止迭代计算,从而导致有限元模型中的钢拉板位形难以逼近于实际结构的位形,无法达到模拟分析的目的.故常规逆过程分析法不适于采用梁单元模拟的钢拉板结构,需要结合NDFEM法对施工过程分析方法进行改进.

根据上述分析可知,采用NDFEM法进行施工过程找形分析(特别是对于采用梁单元模拟的柔性构件)时,宜避免柔性构件在更新位形过程中出现受压状态.考虑到索穹顶的实际施工过程中,索穹顶的拉索构件均一直处于受拉状态,故进行新型预应力钢拉板索穹顶结构施工过程分析时,宜按照实际施工顺序进行正过程分析.

进行施工正过程分析时,结构初始位形的确定是关键.条形钢拉板在完全无应力时呈平直状态.根据该特点,可结合钢拉板索穹顶结构的几何构型和尺寸规格,以无应力平直条形钢拉板构件作为依据,建立预分析模型.通过NDFEM法对预分析模型进行平衡态找形分析,并缩短其他拉索构件模型达到无预应力长度.经过NDFEM法的分析求解和位形更新,预分析模型将逐步接近于平衡状态,该平衡状态时的位形即为施工正分析的初始位形.

3　应用分析

3.1模型设计

无锡新区科技交流中心屋盖结构为我国首个刚性屋面索穹顶结构,该屋盖平面为直径24 m的圆形平面,周边为多层钢筋混凝土框架结构.索穹顶结构为3环、10榀的环肋型索穹顶；屋面檩条直接搁置在撑杆顶端、内拉环以及外压环上；拉索采用外包双层聚乙烯护套的1670级钢丝束索,脊索通过索夹连续贯通2个撑杆顶端,环索连续穿过多个撑杆下端索夹.

以该索穹顶结构为基础,将上层脊索替换为条形钢拉板,即可形成预应力钢拉板索穹顶结构.由于拉索材料为脆性材料,应力比系数在结构设计时常控制在0.4以下,普通钢结构在最不利工况下的应力比系数常控制在0.8左右,钢拉板材料采用屈服强度为460 MPa的钢材,为简化设计过程,将1/2拉索破断力作为条形钢拉板的拉力设计值,以确定钢拉板构件截面尺寸.无锡新区科技交流中心屋盖上部脊索为1670级73φ5 mm钢丝束索,根据上述原则,确定钢拉板截面高16 mm,宽160 mm,其他构件规格不变.

3.2施工过程分析

无锡新区科技交流中心索穹顶结构采用了无支架提升牵引施工技术[14]进行建造,该建造过程分为3个阶段：低空组装连接阶段、空中提升牵引阶段和高空张拉成型阶段.低空组装连接时,近地面处组装内拉环、脊索、斜索、环索和压杆,形成无应力状态的索穹顶机构.然后,以外环梁为支座,交替提升、牵引外环脊索和内拉环,直到外环脊索与外支座连接就位,此为空中提升牵引阶段.最后,在高空主动张拉外环斜索,直至索穹顶结构成型.

预应力钢拉板索穹顶模型模拟分析的施工过程采用与无锡新区科技交流中心索穹顶相同的建造过程,着重分析空中提升牵引阶段和高空张拉成型阶段.为节约计算资源、减少分析时间,钢拉板构件采用梁单元进行模拟,其他构件采用杆单元模拟.根据第2节中确定的方法,建立预分析模型(见图3).根据施工中工况1的位置来设置提升索、牵引索和张拉索各10根,长度见表1,采用NDFEM法进行初始平衡态找形分析,形成施工过程正分析的初始模型.以初始模型为基础,根据施工过程顺序,采用NDFEM法进行分析.分析工况见表1,并将前一个工况收敛的模型作为下一个工况分析的基础模型.

图3　预应力钢拉板索穹顶预分析模型

工况牵引索原长/m提升索原长/m张拉索原长/m外斜索放长/mm阶段014.017.02.0200预分析114.017.02.0200提升牵引211.515.02.0200提升牵引39.013.52.0200提升牵引46.512.82.0200提升牵引54.512.32.0200提升牵引62.511.82.0200提升牵引71.011.42.0200提升牵引811.42.0200提升牵引91.6200牵引张拉索101.2200牵引张拉索110.8200牵引张拉索120.4200牵引张拉索13200牵引张拉索14160张拉外斜索15120张拉外斜索1680张拉外斜索1740张拉外斜索1820张拉外斜索190张拉外斜索

3.3分析结果

经过施工过程分析,关键工况下的静力平衡位形见图4,关键节点相对支座的标高变化曲线见图5.由图可知,在提升牵引阶段(工况1～工况8),钢拉板索穹顶的位置高度迅速提升,结构体系整体处于悬垂状态,钢拉板呈现ω形,其他索杆构件悬挂在钢拉板下,处于稳定位形.在牵引张拉索阶段(工况9～工况13),钢拉板索穹顶与外环支座相连就位,随着外斜索逐渐靠近外环支座,直至与外环支座相连,钢拉板索穹顶位形处于调整状态,从ω形转变为m形.张拉外斜索时,位形逐渐达到设计态位形,工况17后,结构处于刚化状态,预应力分布逐步达到设计状态,最终形成具有一定刚度且能承受外荷载的空间结构.

图4　关键工况静力平衡态位形

图5　关键节点相对外环的标高变化曲线

提升索力、牵引索力变化曲线见图6,外环斜索力和外环钢拉板轴力变化曲线见图7.施工过程中,钢拉板最大应力变化曲线见图8.由图可知,在提升牵引阶段前期(工况1～工况6),提升索和牵引索与水平面的夹角逐渐减小,索力缓慢增大；工况7下,提升索与水平面夹角非常小,提升力增加显著,达到峰值；工况8下,提升索保持不变,牵引索将钢拉板外端点牵引就位,故牵引索力达到峰值,条形钢拉板与外环支座连接后,结构整体重量由条形钢拉板承担,提升索力下降.工况1～工况16下,外斜索力和钢拉板轴力保持在较低水平；工况17下,内环钢拉板开始受拉,初步形成钢拉板索穹顶整体结构；进一步张拉外斜索,外斜索力和外环钢拉板轴力迅速增加,直至结构完全成型.在提升牵引过程中,条形钢拉板应力保持在30 MPa左右.当结构开始刚化时,钢拉板应力迅速增加；达到设计状态时,应力达到峰值256.7 MPa,钢拉板一直处于弹性状态.

图6　提升索力和牵引索力变化曲线

图7　外环斜索和外环钢拉板轴力变化曲线

图8　钢拉板最大应力变化曲线

文献[14]采用索杆有限元模型对无锡新区科技交流中心索穹顶结构进行施工过程分析,取得了较好的应用效果.本文采用梁单元模拟条形钢拉板构件,进行钢拉板索穹顶的施工过程分析.为比较不同单元类型对脊索模拟分析结果的影响,分别提取了这2个模型在相同施工工况下压杆顶点相对于脊索外端点与内拉环顶点连线中点的标高差值,以反映2个模型脊索位形的差异,结果见图9.由图可知,在提升牵引阶段,结构完全处于松弛状态,该差值较大,即采用梁单元模拟的钢拉板构件位形与采用杆单元模拟的脊索构件位形具有明显差异.随着整体结构逐渐就位成型,结构刚度逐渐增大,特别是结构开始刚化后,该差值逐渐变小.结构完全达到设计状态时,构件预应力较大,这2个模型的脊索位形几乎无差异,说明采用梁单元模拟钢拉板构件进行钢拉板索穹顶结构的施工全过程分析具有较高的可行性.

图9　不同模型压杆顶点相对标高差值图

4　结论

1) 将常规索穹顶结构上层脊索替换为条形钢拉板,形成新型预应力钢拉板索穹顶结构.条形钢拉板与上部刚性屋面连接构造简单,降低成本,利于刚性屋面索穹顶结构的推广应用.该结构在未张拉时,呈柔性状态,能够利用现有预应力技术及机构运动学安装方式实现无支架安装,符合绿色施工的潮流,具有较高的应用价值.

2) 进行新型预应力钢拉板索穹顶结构施工过程分析时,采用梁单元模拟钢拉板构件,基于NDFEM法的逆施工过程分析方法无法适用于钢拉板索穹顶结构.针对钢拉板构件的特点,通过建立预分析模型,确定初始形态,实现基于NDFEM法的钢拉板索穹顶结构正施工过程分析.该方法能够较好地确定钢拉板索穹顶在各施工工况下的位形,分析内力结果,具有较好的应用效果.

3) 基于实际索穹顶工程,确定了新型预应力钢拉板索穹顶结构模型,并进行了提升牵引和张拉过程分析.在整个施工过程中,钢拉板索穹顶位形经历了悬垂状态、调整状态和刚化状态,从最初的ω形逐渐转变为m形,最终达到索穹顶设计态位形.条形钢拉板构件在整个施工过程中均保持弹性状态,且最终位形与索杆单元模拟的脊索位形相差不大,进一步证明了新型预应力钢拉板索穹顶结构的可行性.

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Prestressing steel tensile strip cable dome and its construction process analysis

Guan Dongzhi Zhu Mingliang Guo Zhengxing Luo Bin Chen Xueqi Ding Mingmin

(School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China) (Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)

In order to solve the problem of the complex connecting details in rigid roofs used in conventional cable dome structures, a new prestressing steel tensile strip cable dome structure was put forward. Considering the characteristics of steel tensile strips, a positive construction process analysis method by establishing a pre-analysis model to determine the initial shape was proposed according to the nonlinear dynamic finite element method. Based on the roof structure in the Wuxi New District Science and Technology Exchange Center, a model for this new prestressing tensile steel strip cable dome was established. The construction process of non-bracket tow-lifting was analyzed. The results show that during the constructing process, the configuration of the prestressing tensile steel strip cable dome undergoes suspension state, adjustment state and stiffening state. The forces of lifting and towing cables increase significantly when the endpoints of steel strips approach outside supports. The steel tensile strips remain elastic throughout the whole construction process, and the final configuration is similar to that of the ridge cable simulated by cable or bar elements, which demonstrates that the new structure is feasible.

tensile steel strip; cable dome; nonlinear dynamic finite element; form finding; complete process analysis

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.026

2016-01-16.作者简介: 管东芝(1989—),男,博士生;朱明亮(联系人),男,博士,讲师,zhumingliangseu@163.com.

国家自然科学基金资助项目(51308105)、中央高校基本科研业务费专项资金资助项目、江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目(KYLX_0149,KYLX_0152).

引用本文: 管东芝,朱明亮,郭正兴,等.预应力条形钢拉板索穹顶及施工全过程分析[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(5):1051-1056. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.026.