47羅斌煙臺世貿(mào)中心張弦梁零狀態(tài)找形分析和預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)

1、煙臺世貿(mào)中心張弦梁零狀態(tài)找形分析和預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)羅斌1 陳岳1 羅明2（東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210096） （南京東大現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力工程有限責(zé)任公司，南京 210018）摘 要 煙臺世貿(mào)中心張弦梁采用分單元累積滑移法安裝，在使用階段兩端支座鉸接固定，設(shè)計圖紙的尺寸為拉索張拉完成后的結(jié)構(gòu)形狀，須進行零狀態(tài)找形分析，以確定結(jié)構(gòu)的安裝尺寸。本文先以迭代法確定模擬拉索預(yù)張力的初始應(yīng)變值，然后采取逆迭代法進行零狀態(tài)找形。另外預(yù)應(yīng)力施工采取以控制結(jié)構(gòu)跨度為主的方案，確保預(yù)應(yīng)力態(tài)下的結(jié)構(gòu)狀況滿足設(shè)計要求。關(guān)鍵詞 張弦梁，找形，預(yù)應(yīng)力，施工技術(shù)1 工程概況煙臺世貿(mào)中心共有五個分區(qū)，其中一至四區(qū)的鋼屋蓋為預(yù)

2、應(yīng)力張弦梁結(jié)構(gòu)，每個分區(qū)有15榀張弦梁，總共60榀，總覆蓋面積為131mm×288m。該工程的張弦梁上部為倒三角形桁架，下部為外包雙層PE的1670級扭絞型半平行高強鋼絲束拉索（PES C5-163），桁架和拉索之間為撐桿（180×10）,見圖1。每榀張弦梁的支座跨度為65m，桁架矢高5.86m，拉索垂度1.14m，跨中總高度為7m。拉索施工張拉力為600kN。由于桁架構(gòu)件規(guī)格不同，張弦梁共有三種類型，即ZXL1、ZXL2、ZXL3。圖1 張弦梁三維圖羅斌，男，1977年出生，工學(xué)博士2 總體施工方案張弦梁總體施工方案為：搭設(shè)拼裝胎架，在張弦梁兩端的混凝土柱頂及縱向混凝土連

3、梁上鋪設(shè)滑移軌道；在胎架上拼裝和張拉張弦梁（張拉支座允許滑移），然后分單元累積滑移就位；固定支座后安裝屋面板。由于該工程張弦梁由多家鋼結(jié)構(gòu)施工單位負(fù)責(zé)安裝，因此在總體方案一致的基礎(chǔ)上，各單位根據(jù)自身和現(xiàn)場條件，采取了多種的安裝方案。1）在屋蓋一端的外側(cè)地面上搭設(shè)單榀的拼裝胎架（圖2），張弦梁在胎架上安裝和張拉完畢后，吊裝至混凝土柱頂?shù)幕栖壍郎?，然后分單元用卷揚機在兩端支座處同步牽引、累積滑移就位。圖22）在屋蓋一端的兩榀張弦梁下搭設(shè)兩榀拼裝胎架（圖3）。兩榀張弦梁各自在胎架上分別安裝和張拉后，安裝兩者之間的縱向連系鋼桁架，然后以兩榀為一滑移單元，用卷揚機牽引滑移就位。 圖3 圖43）在屋蓋一

4、端的二層混凝土摟面上搭設(shè)單榀胎架（圖4），該胎架兩端的格構(gòu)支撐與混凝土柱在同一條軸線上，且頂標(biāo)高一致，兩者之間用臨時型鋼梁連系?；其撥壴诨炷林?、縱向混凝土連系梁、臨時型鋼梁及胎架兩端的格構(gòu)支撐上貫通。張弦梁在胎架上安裝和張拉后，用兩臺頂推器分單元累積頂推就位。3 構(gòu)件制作和結(jié)構(gòu)安裝的尺寸問題該工程三種類型的張弦梁，若按照設(shè)計圖紙?zhí)峁┑某叽邕M行制作和安裝（即零狀態(tài)），在施加600kN的張拉力后，結(jié)構(gòu)在自重和預(yù)張力作用下（即初始態(tài)），結(jié)構(gòu)變形后的尺寸見表1。表1 按設(shè)計圖紙尺寸安裝后結(jié)構(gòu)初始態(tài)的尺寸編號狀態(tài)跨度桁架矢高拉索垂度零狀態(tài)（mm）6500058601140ZXL1初始態(tài)（mm）64

5、9056057945（mm）-95197-195ZXL2初始態(tài)（mm）648706121882（mm）-130261-258ZXL3初始態(tài)（mm）649286003999（mm）-72143-141由于張弦梁滑移就位后，其支座與下部混凝土結(jié)構(gòu)固定。而張弦梁兩端的混凝土柱頂預(yù)埋件之間以及滑移軌道之間的中心距離為65m。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范（GB50205-2001）規(guī)定，該工程張弦梁安裝跨度以及支座中心允許最大偏差為±30mm。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，三種張弦梁在初始態(tài)下的結(jié)構(gòu)跨度偏差均超過了允許值。另外三者矢高的不同也影響了縱向連系桁架和檁條的安裝。因此，須進行零狀態(tài)找形分析，即

6、確定結(jié)構(gòu)的制作和安裝尺寸，保證在自重和預(yù)應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)外形和索力達(dá)到設(shè)計圖紙的尺寸和要求。這樣，三種張弦梁按照不同的尺寸安裝，但在初始態(tài)下具有相同的尺寸和索力，結(jié)構(gòu)跨度和矢高問題都能很好地解決。4 零狀態(tài)找形分析方法和計算結(jié)果零狀態(tài)即無應(yīng)力狀態(tài)。該狀態(tài)下結(jié)構(gòu)不存在任何外載（包括自重等），構(gòu)件中也不存在任何內(nèi)力，對應(yīng)于施工階段在支架上拼裝完后的結(jié)構(gòu)狀況。在拉索初始預(yù)張力和結(jié)構(gòu)自重作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，達(dá)到平衡，此時結(jié)構(gòu)處于初始態(tài)，對應(yīng)于施工階段預(yù)應(yīng)力張拉完畢，支架拆除后的結(jié)構(gòu)狀況，初始態(tài)為平衡態(tài)。（1）零狀態(tài)找形分析方法已知初始態(tài)下的結(jié)構(gòu)尺寸、節(jié)點坐標(biāo)以及索力，須確定零狀態(tài)下結(jié)構(gòu)安裝尺寸和各節(jié)

7、點的安裝坐標(biāo)。因此采用逆迭代法進行零狀態(tài)找形，其中用初始應(yīng)變來模擬拉索的初始預(yù)張力。在零狀態(tài)找形前，尚須先采用迭代法確定拉索中的初始應(yīng)變值。1）迭代法確定拉索的初始應(yīng)變值已知拉索的預(yù)張力（）、彈性模量（E）和截面積（A），建立包含拉索的有限元模型。迭代步驟如下：拉索初始應(yīng)變的初值?。?。將初始應(yīng)變（）施加在拉索上，在結(jié)構(gòu)自重共同作用下，分析得到索力（），則： 。重復(fù)，直到迭代次數(shù)達(dá)到預(yù)定值（N）或者索力（）滿足收斂準(zhǔn)則，則停止迭代。對于預(yù)應(yīng)力柔性結(jié)構(gòu)，分析時采用NewtonRaphson求解，并考慮結(jié)構(gòu)大變形和應(yīng)力剛化效應(yīng)，拉索可采用桿單元（可受拉和受壓）。迭代的收斂準(zhǔn)則可采用公式：，收斂標(biāo)準(zhǔn)

8、（）可取5%。若滿足收斂準(zhǔn)則，則即為拉索預(yù)張力模擬所需的初始應(yīng)變值。2）零狀態(tài)找形的逆迭代法已知初始態(tài)下結(jié)構(gòu)各節(jié)點的坐標(biāo)，以及模擬初始預(yù)張力的拉索初始應(yīng)變值，逆迭代法的迭代步驟如下：按照初始態(tài)下結(jié)構(gòu)各節(jié)點的坐標(biāo)（X0）建立有限元模型，并令X1X0。將結(jié)構(gòu)自重和拉索的初始應(yīng)變值施加在結(jié)構(gòu)中，進行有限元分析，求得各節(jié)點的位移（k）。若（Xk+k）與X0偏差滿足收斂條件，則迭代收斂；否則，調(diào)整節(jié)點坐標(biāo)為：Xk+1X0-k。重復(fù)步驟，直至迭代收斂或迭代次數(shù)達(dá)到預(yù)定值（N）。若迭代收斂，則Xk為所要確定的零狀態(tài)節(jié)點坐標(biāo)。張弦梁形狀改變后，在同樣結(jié)構(gòu)自重和拉索初始應(yīng)變作用下，索力也有所變化。由于該工程張弦

9、梁跨度較大，結(jié)構(gòu)尺寸改變量對于整個結(jié)構(gòu)尺寸來說非常小，因此，在滿足精度的基礎(chǔ)上，為簡化分析，在零狀態(tài)找形分析迭代過程中，拉索初始應(yīng)變?nèi)」潭ㄖ担ń?jīng)對比分析，索力誤差僅為1）。（2）零狀態(tài)找形分析結(jié)果按照表2零狀態(tài)尺寸建立有限元模型，施加結(jié)構(gòu)自重和拉索初始應(yīng)變值后，結(jié)構(gòu)變形達(dá)到初始態(tài)，此時結(jié)構(gòu)尺寸與設(shè)計圖紙是一致的，且索力也達(dá)到設(shè)計索力600kN，證明了找形方法的正確性和結(jié)果的準(zhǔn)確性。表2 零狀態(tài)找形分析結(jié)果（單位：mm）編號狀態(tài)跨度桁架矢高拉索垂度ZXL1零狀態(tài)6509256621336-92198-196ZXL2零狀態(tài)6512155981399-121262-259ZXL3零狀態(tài)6506757

10、171282-67143-142初始態(tài)65000586011405 預(yù)應(yīng)力施工方案根據(jù)本工程的結(jié)構(gòu)特點和總體施工方案，采取以下的預(yù)應(yīng)力施工方案。（1）預(yù)應(yīng)力張拉主要控制內(nèi)容為：索力、結(jié)構(gòu)跨度和桁架矢高。圖5以ZXL1為例，說明結(jié)構(gòu)跨度和跨中豎向位移隨張拉力線性變化的規(guī)律。這三者的控制優(yōu)先順序為：首先應(yīng)控制結(jié)構(gòu)跨度，其次為索力，最后為桁架矢高。 圖5 ZXL1結(jié)構(gòu)跨度和跨中豎向位移隨張拉力變化曲線圖（2）拉索制作長度、索夾位置等均須根據(jù)零狀態(tài)下的節(jié)點坐標(biāo)來確定。（3）拉索制作時，根據(jù)拉索初始應(yīng)變值按照有應(yīng)力長度生產(chǎn)拉索，且在有應(yīng)力長度下標(biāo)記索夾位置。（4）拉索安裝時嚴(yán)格按照標(biāo)記位置將拉索與撐桿相連。（5）由于胎架上兩端張拉支座是允許滑移的，且存在一定的摩擦力，因此在張拉支座前設(shè)置擋板，以便于控制張拉后結(jié)構(gòu)的跨度，并保證張拉后張弦梁兩端支座均位于滑移軌道中心。（6）由于張弦梁跨度較大，為防止撐桿下端向一側(cè)傾斜，采用兩端同步張拉，且一次張拉到位。（7）為控制兩端張拉的同步性，張拉分5級：0>25>50>75&