超大面积单层网壳结构滑移施工桅杆-斜拉索加强方案研究*

伍锦鹏,马晓晖,侯彦果,朱博莉,张德欣,闻陈宝,顾爽爽,贺 雄

(1.北京建工集团有限责任公司,北京 100088; 2.清华大学土木工程系,北京 100084; 3.北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083; 4.中冶(上海)钢结构科技有限公司,上海 201908)

0 引言

目前,滑移施工技术多为双层或多层的空间网格结构滑移施工技术,一般整体滑移多用于整体刚度较强的多层网格结构或小跨度单层网壳结构。对于大跨度单层网格结构,屋盖整体刚度较弱,控制其挠度和应力水平,保证结构应力与变形在安全范围内是整体滑移成功的关键。

为解决安装滑移过程中网壳变形过大、网壳和网格柱无法对口安装或拼接构件附加应力过大造成结构承载力降低问题,本文提出单桅杆-斜拉索和V形桅杆-斜拉索两种加强方案提升屋盖整体刚度。桅杆-斜拉索多为大跨结构承载主体部分,而本项目首次提出其作为临时单层网壳结构加强结构,有以下优点：①整体加固方案与单层网壳结构构成一个自平衡体系,即使拉索和桅杆在施加预应力后会对局部结构产生力的作用,但不会给滑移支撑胎架及纵向支撑桁架增加任何附加力,滑移支撑结构仅承担单层网壳结构自重;②桅杆固定在单层网壳结构V形撑中间,其压力对V形撑产生拉力,而单层网壳结构重力荷载使V形撑受压,拉、压力部分抵消使V形撑实际轴力降低,而在仅重力作用下,V形撑压力能显著降低;③桅杆-斜拉索预应力的实施,仅需对桅杆一侧拉索进行张拉,张拉设备包括倒链葫芦或反拧花篮螺杆等简单工具;④斜拉索与屋盖网格可采用非金属的绑带节点连接,操作灵活方便。

本文基于有限元软件ANSYS,对菱形网壳屋盖通过两种桅杆-斜拉索加强方案进行研究和对比,分析斜拉索吊点位置、桅杆高度和数量、斜拉索数量对屋盖位移和应力的影响,探究方案的可行性。

1 工程概况

1.1 结构概况

北京星火站交通枢纽工程枢纽区屋盖为超大面积斜交单层钢网壳结构,长146.5m、宽146.8m,曲面最高处高约9.6m,最低处高约0.45m,枢纽区立面标高如图1所示。网壳屋面东侧雨棚结构采用钢框架体系,长96m、宽27.5m、高7.6m。

图1 枢纽区立面标高Fig.1 The facade elevation of the hub area

网壳构件截面以箱形为主,钢材材质主要为 Q355B,Q345GJC。网壳底部支撑结构主要为钢柱、斜支撑及菱形网格柱,柱顶设置抗震支座,菱形网格柱与屋面网壳自然衔接为一体,底部支承于 -19.000m 基础。

1.2 施工方法

单层网壳结构跨度大,采用高空滑移施工技术,钢结构安装工程危险性较大,施工过程中结构稳定性十分重要,因此需精准控制滑移过程中的变形和应力。

整个枢纽区屋架共设置4条滑移轨道(见图2),其中滑移轨道1,2、滑移轨道2,3及滑移轨道3,4分别相距36,28,28m。屋盖吊装到位后采用爬行器同时顶推至设定位置。滑移轨道1,2间距最大,变形也最大,在自重作用下跨中挠度达97mm,不满足GB 50017—2017《钢结构设计标准》要求。此外,大挠度会导致网壳屋盖、网格柱、斜支撑合龙时无法对准,若通过焊接或其他施工技术强行对接会造成网格柱和斜支撑支座反力与结构一次成型存在较大差异,出现附加应力,从而降低网壳稳定性。由此,加强屋盖滑移时的刚度,减小其滑移过程中产生的变形,降低结构对接误差是本文研究重点。

图2 滑移屋架和轨道Fig.2 The sliding roof and rails

2 桅杆-斜拉索加强方案对比

2.1 有限元模型介绍

采用通用有限元软件ANSYS对网壳屋盖进行受力分析,其中网壳构件采用beam188单元,桅杆和拉索采用link180单元。滑移轨道上部为V形撑与屋盖相连,由于实际滑移轨道对于V形撑水平向约束较弱,因此边界条件仅约束z向位移(竖向位移),两端角点约束x,y向位移,防止平动和面内转动,其余位置均不约束水平向位移。

屋盖均采用Q355钢,钢材弹性模量为210 062MPa, 泊松比为0.3,密度为7 850kg/m3。考虑施工设备、工人等,荷载采用自重荷载的1.2倍。桅杆和拉索刚度设置为钢材刚度的10 000倍,刚度足够大近似无穷刚度,拉索受力下无法伸长,从而控制屋盖挠度,相当于对所有拉索均施加预应力。最终,可根据无穷刚度时的索力反推正常刚度下拉索预应力。本文桅杆-斜拉索采用无穷刚度。

2.2 加强方案介绍

1)第1种为单桅杆-斜拉索方案,如图3所示。在滑移轨道2即轴位置设置桅杆,桅杆与V形撑底部铰接。每根桅杆初步设置4道拉索,桅杆顶端通过耳板和拉索相连,拉索另一端分别与⑦～,～轴跨中网架相连。

图3 单桅杆-斜拉索示意Fig.3 The single mast-cable

图4 V形桅杆-斜拉索示意Fig.4 The V-shaped mast-cable

2)第2种为V形桅杆-斜拉索方案,如图 4所示。同样地,在滑移轨道2即轴位置设置桅杆,V形桅杆与V形撑底部铰接。每根桅杆初步设置5道拉索,桅杆顶端通过耳板和拉索相连,拉索另一端分别与⑦～,～轴跨中网架相连,其中1道拉索接近垂直角度吊于⑦～轴。

2.3 加强方案对比

无加强和两种加强方案位移对比如图5所示。由图5可知,在无加强情况下网壳屋盖⑦～轴跨中最大位移为97mm,超过规范要求和拼装网壳屋面及网格柱施工要求;在单桅杆-斜拉索加强下,跨中位移降低至42mm,同比降低了57%;在V形桅杆-斜拉索加强下,跨中位移降低至40mm,同比降低了59%。两种加强方案均能有效控制位移,最终可通过一定预张力将屋盖挠度控制在安装和拼接的允许范围内。

图5 无加强和两种加强方案下屋盖位移对比(单位：mm)Fig.5 Comparison of the roof displacement of the non-strengthening and two strengthening schemes(unit：mm)

图6 拉索布置示意Fig.6 Arrangement of the cables

此外,在桅杆-斜拉索加强下,V形撑应力得到有效缓解。在无加强方案中,某V形撑应力为111MPa;在单桅杆-斜拉索作用下,相同位置V形撑应力降低至44MPa,降低了60%;同理在V形桅杆-斜拉索作用下,相同位置V形撑应力降低至66MPa,降低了41%。可见桅杆加强体系可降低V形撑应力,使V形撑有更多的安全储备。

综上所述,单桅杆-斜拉索和V形桅杆-斜拉索均能有效控制屋盖挠度,并且对于屋盖应力和V形撑应力均有减小作用,构件应力小于屋盖钢材Q355强度的0.6倍,结构材料强度存在一定安全余量。考虑到单桅杆-斜拉索形式更简单,因此,加强方案采用单桅杆模式。

3 单桅杆-斜拉索加强结构优化分析

3.1 拉索数量对屋盖加强的影响

单桅杆-4道拉索和单桅杆-3道拉索如图 6所示。分析发现：在4道拉索作用下,屋盖⑦～轴跨中最大位移由97mm降低至42mm,降低了57%;在3道拉索作用下,屋盖⑦～轴跨中最大位移由97mm降低至45mm,降低了54%。两者对于位移的约束均呈现良好的效果,考虑到施工便捷性,采用单桅杆-3道拉索的方案更具优势。

3.2 桅杆高度对屋盖加强的影响

基于构件运输、加工等实际情况,桅杆高度最高不超过15m。考虑参数化分析,桅杆高度取10～20m。采用9根桅杆-3道拉索方案,横向上拉索一侧吊于⑦～轴跨中,另一侧吊于轴;纵向上相邻桅杆相邻拉索共点。其余参数与第2节相同。

由图7可知,随着桅杆高度增加,跨中最大位移减小,对比斜率发现减小的效率会随着桅杆高度增加逐渐降低。总体上,桅杆高度越高,拉索斜率越大,更多拉力的竖向分力用于提升屋盖,降低位移;桅杆高度越低,拉索水平分力越大,更多的拉力用于平衡水平力,导致加强体系效率越低。综合构件加工运输和挠度控制效率,可采用14,15,16m桅杆高度,基于材料用量和构件稳定问题,桅杆高度取14m。

图7 桅杆高度对屋盖最大位移的影响Fig.7 Influence of the mast height on the roof maximum displacement

图8 拉索纵向吊点布置Fig.8 Layout of the cable longitudinal lifting points

3.3 斜拉索吊点位置对屋盖加强的影响

不同拉索吊点位置对拉索预张力、挠度控制程度、屋盖网壳受力均匀程度均有影响。重点分析斜拉索纵向吊点位置即相邻拉索是否共点和斜拉索横向吊点位置对屋盖位移和应力的影响,综合对比判断选出合理的吊点方案。

1)斜拉索纵向吊点位置

纵向相邻桅杆相邻斜拉索吊点可采用不共点和共点两种类型,分别如图 8a,8b所示。如果采用不共点方案,吊点数量多,斜拉索对屋架的拉力更均匀;而采用共点方案,吊点数量减少一半,拉索定位、施工更便捷。由此分别讨论两种情况对位移和应力的影响。

不同纵向吊点下屋盖位移如图9所示。可以看出两者的差异性较小,两种方案均可。整体上构件应力均较小,不同吊点方式对于应力的影响比较小。综合以上,采用纵向相邻拉索共点的方案更合理,便于施工和定位。

图9 不同纵向吊点下屋盖位移(单位：mm)Fig.9 Roof displacement under different longitudinal lifting points(unit： mm)

图10 拉索横向吊点布置Fig.10 Layout of the cable lateral lifting points

2)斜拉索横向吊点位置

不同横向吊点下屋盖位移如图11所示。由图 11a可知,为减小⑦～轴跨中位移,吊于～轴跨中的斜拉索会将～轴的屋盖拉起,造成该区域大面积反拱,可能会导致网壳屋盖中间跨和网格柱对接出现问题。为缓解反拱现象,将斜拉索吊于轴,如图 11b所示,此时拉索作用力直接传递至滑移轨道支座上,对～轴屋盖挠度无影响。因此,采用吊点位于轨道上方的模式更合理。

图11 不同横向吊点下屋盖位移(单位：mm)Fig.11 Roof displacement under different lateral lifting points(unit： mm)

4 结语

1)整体加固方案与单层网壳结构构成一个自平衡体系,尽管拉索和桅杆在预应力施加后会对结构产生局部力的作用,但不会给滑移支撑胎架及纵向支撑桁架增加任何附加力,滑移支撑结构仅承担单层网壳结构自重。

2)单桅杆-斜拉索和V形桅杆-斜拉索均能有效控制屋盖挠度,并且对于屋盖应力和V形撑应力均有减小的作用,结构材料强度存在一定安全余量。单桅杆-斜拉索形式更简单,因此更利于施工。

3)对于单桅杆-斜拉索加强方案,采用4道拉索和3道拉索,拉索间均能形成稳定的四角锥和三角锥,而两种拉索模式对于位移的约束均呈现良好效果,但考虑到施工便捷性,采用单桅杆-3道斜拉索方案更具优势。

4)对于单桅杆-斜拉索加强方案,桅杆高度越高,拉索斜率越大,更多拉力的竖向分力用于提升屋盖,降低挠度;桅杆高度越低,拉索水平分力越大,更多的拉力用于平衡水平力,导致加强体系效率越低。综合构件加工运输和挠度控制效率,可采用14,15,16m桅杆高度,基于材料用量和构件稳定问题,选择桅杆高度14m。

5)基于施工便利性和挠度控制效果,纵向相邻桅杆相邻斜拉索吊点可采用共点类型。横向上,拉索一侧约束网壳屋盖跨中挠度,另一侧则保持桅杆-斜拉索结构平衡,为缓解制衡一侧的屋架反拱,可将横向拉索吊点设置于结构邻近轨道处。