弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系中拉索的應(yīng)用

1、弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系中拉索的應(yīng)用連云港市建設(shè)監(jiān)理有限公司 紀(jì)懷軍 劉佳沁【摘要】連云港市體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋為弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系，弦支穹頂結(jié)構(gòu)是將張拉整體、索穹頂?shù)热嵝越Y(jié)構(gòu)的概念和單層網(wǎng)殼相結(jié)合而形成的一種新型的空間結(jié)構(gòu)體系。它應(yīng)用了張拉整體的思想,將單層網(wǎng)殼和預(yù)應(yīng)力拉索巧妙的結(jié)合起來,使弦支穹頂?shù)氖芰π阅鼙葐螌泳W(wǎng)殼有很大的改善,結(jié)構(gòu)的整體剛度比單層網(wǎng)殼有很大提高。它作為一種新型的復(fù)合結(jié)構(gòu)體系由上部的單層球面網(wǎng)殼，下部的預(yù)應(yīng)力環(huán)索和斜索以及聯(lián)系二者的撐桿組成，相對(duì)于單層網(wǎng)殼和索穹頂結(jié)構(gòu),它可以更經(jīng)濟(jì)、更合理、更美觀。目前,大跨度空間結(jié)構(gòu)是發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)類型，大跨度建筑及作為其核心的空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

2、已是代表一個(gè)國(guó)家建筑科技水平的重要標(biāo)志之一。【關(guān)鍵詞】 弦支穹頂 預(yù)應(yīng)力 拉索1工程概況連云港市體育館主體結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)相結(jié)合，屋蓋結(jié)構(gòu)形式新穎，布置復(fù)雜，建筑效果美觀。體育館主館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋形狀為不規(guī)則圓形，屋蓋采用弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系，跨度為90米；該結(jié)構(gòu)體系由上部單層網(wǎng)殼和下部弦支索桿體系構(gòu)成，設(shè)置六道環(huán)向索，局部布置構(gòu)造鋼棒；其中撐桿采用圓鋼管，上下端鉸接，環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼索規(guī)格分別為5*139、5*85、5*55，纜索材料采用包雙層高強(qiáng)度鋼絲扭鉸型鋼絞線，單根鋼絲直徑5mm，抗拉強(qiáng)度不小于1670Mpa，屈服強(qiáng)度不小于1410Mpa，鋼索抗拉彈性模量（E）不小于1.9

3、5;105Mpa，徑向索采用鋼拉桿規(guī)格為60，抗拉強(qiáng)度為835Mpa。該結(jié)構(gòu)具有用鋼量小，結(jié)構(gòu)輕盈，鋼結(jié)構(gòu)主體截面類型少的特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)如圖所示：2關(guān)鍵施工技術(shù)、工藝2.1技術(shù)路線概述本體育館屋蓋總體安裝順序?yàn)椋簩⑸蠈泳W(wǎng)殼和懸挑部分的鋼結(jié)構(gòu)全部安裝結(jié)束后，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。網(wǎng)殼安裝結(jié)束后，在腳手架支撐作用下所形成的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)圖紙相吻合；支座為徑向可滑動(dòng)支座；施加預(yù)應(yīng)力的方法為徑向索張拉，張拉分兩級(jí)，采取以控制張拉力為主，監(jiān)測(cè)伸長(zhǎng)值為輔的控制原則；張拉順序由外向內(nèi)張拉設(shè)計(jì)力的70%，由內(nèi)向外張拉設(shè)計(jì)力的100%。2.2具體技術(shù)路線：預(yù)應(yīng)力施加原則預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程，關(guān)鍵技術(shù)、工藝為施加預(yù)應(yīng)力。以施加預(yù)應(yīng)

4、力前結(jié)構(gòu)的位形為初始位形，設(shè)定拉索中的預(yù)應(yīng)力，此時(shí)，結(jié)構(gòu)的初始位形不能滿足結(jié)構(gòu)的平衡條件，在節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生了不平衡力，由于不平衡力的作用，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移，從而得到結(jié)構(gòu)新的位形，節(jié)點(diǎn)不平衡力趨近于零。本工程具體找形過程分為以下四個(gè)狀態(tài)：a、放樣態(tài)（預(yù)應(yīng)力零狀態(tài)）：無自重、無預(yù)應(yīng)力作用的放樣狀態(tài)；b、預(yù)應(yīng)力平衡態(tài)：自重、預(yù)應(yīng)力作用下的自平衡狀態(tài)；c、恒荷載態(tài)：自重、預(yù)應(yīng)力、并屋蓋恒載作用下的自平衡狀態(tài)；d、設(shè)計(jì)荷載態(tài)：在預(yù)應(yīng)力零狀態(tài)的基礎(chǔ)上，承受設(shè)計(jì)荷載作用的狀態(tài)。放樣態(tài)所對(duì)應(yīng)的幾何參數(shù)是構(gòu)件工廠加工的尺寸依據(jù)；自重態(tài)所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)就是整個(gè)結(jié)構(gòu)安裝結(jié)束后在自重作用下的狀態(tài)；對(duì)安裝后的結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值后

5、得到預(yù)應(yīng)力平衡態(tài)，其對(duì)應(yīng)的幾何參數(shù)是設(shè)計(jì)圖紙上該結(jié)構(gòu)的幾何外形，即設(shè)計(jì)人員希望得到的幾何外形，此時(shí)索內(nèi)預(yù)應(yīng)力已經(jīng)使單層網(wǎng)殼、撐桿和索三者形成共同工作的整體；在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)施加恒載，結(jié)構(gòu)由預(yù)應(yīng)力平衡態(tài)變?yōu)楹爿d態(tài)，施加設(shè)計(jì)荷載作用時(shí)變?yōu)樵O(shè)計(jì)荷載態(tài)，如下圖所示：為了合理的確定拉索預(yù)應(yīng)力值，首先對(duì)未施加預(yù)應(yīng)力的張弦單層網(wǎng)殼進(jìn)行了靜力分析。如果以減小甚至消除弦支穹頂對(duì)下部支撐體系的水平推力為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于可滑動(dòng)鉸支，則以減小弦支穹頂?shù)乃轿灰疲瑧?yīng)使支座節(jié)點(diǎn)在拉索預(yù)拉力及屋面荷載的共同作用下水平的徑向位移接近于零。當(dāng)然還要滿足在施加預(yù)應(yīng)力和荷載作用下，結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力要在設(shè)計(jì)應(yīng)力范圍之內(nèi)，同時(shí)控制整體豎向位移，

6、水平位移也要在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。預(yù)應(yīng)力施工方法本工程徑向拉索采用鋼拉桿（可調(diào)節(jié)），在施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，張拉徑向索，這樣結(jié)構(gòu)整體就能夠施加上預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力調(diào)整方法，所有撐桿可調(diào)，彌補(bǔ)制作缺陷。為了彌補(bǔ)上層網(wǎng)殼制作和安裝產(chǎn)生的誤差，在張拉前，將網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確定位后，通過調(diào)節(jié)撐桿來減小誤差，在張拉環(huán)向索后，可以通過調(diào)節(jié)撐桿的方法來調(diào)整鋼索的預(yù)應(yīng)力，使鋼索及整體結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)。預(yù)應(yīng)力施工保證措施，網(wǎng)殼逐球定位，提高安裝精度。為了保證能夠順利裝索，施張預(yù)應(yīng)力，進(jìn)而使整體結(jié)構(gòu)在施工結(jié)束后能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，必須提高上層網(wǎng)殼安裝的精度。本工程在網(wǎng)殼安裝時(shí)，要做到逐個(gè)球節(jié)點(diǎn)三維準(zhǔn)確定位，提高網(wǎng)殼的整體安裝精度

7、。3工程重點(diǎn)、難點(diǎn)3.1工程所需材料種類多、數(shù)量多、要求高。3.2桿件精度控制較多，鑄鋼節(jié)點(diǎn)制作精度要求高，大規(guī)格桿件焊接難度大。3.3桁架跨度大、構(gòu)件重，施工高度高。3.4吊裝節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與加固比較困難。3.5現(xiàn)場(chǎng)拼裝精度高，高空拼裝定位難度大。3.6工作面較分散，各工作面同時(shí)展開，機(jī)械設(shè)備整體協(xié)調(diào)比較困難。3.7索體的安裝精度很高，索體長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)量只有3至4cm，環(huán)索分段較多。3.8安裝過程中索體由于索體較重，PE護(hù)套容易損傷。3.9本體育館鋼結(jié)構(gòu)工程索頭、錨具較多，而索頭、錨具越多，脫錨的隱患越大。4針對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)的保證措施4.1索體安裝精度由于索體的安裝精度很高，索體長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)量只有不到4

8、cm，因此為了保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的安裝精度，需要把分段制作完成的桁架在工廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)拼裝，同時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)后上部單層網(wǎng)殼的安裝要求精度更高。4.2索體的施工保證為了防止在鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中飛濺的火花灼傷索體，一方面要在索體表面纏繞防火布保護(hù)，同時(shí)如果焊接部位正下方有索體經(jīng)過的，要在焊接部位下面搭設(shè)防止火花飛落的防火板，避免火花直接飛落到索體上。4.3弦支穹頂結(jié)構(gòu)的張拉方式主要有兩種：張拉環(huán)向索和張拉徑向索。這兩種張拉方式帶有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，要根據(jù)工程特點(diǎn)選擇合適的張拉方法。張拉環(huán)向索張拉點(diǎn)少，設(shè)備和人員需求量小，環(huán)向索力容易保證，但張拉環(huán)向索的最大缺點(diǎn)是：環(huán)向索和索節(jié)點(diǎn)存在很大的摩擦力，此摩擦力會(huì)造成撐桿和徑向

9、索力分布嚴(yán)重不均勻，造成結(jié)構(gòu)起拱不均勻。張拉徑向索可以很好的彌補(bǔ)此缺點(diǎn)，對(duì)于全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，張拉徑向索時(shí)索節(jié)點(diǎn)無切向位移，本工程有一定的不對(duì)稱性，在索力設(shè)計(jì)時(shí)，一個(gè)原則是盡量減小索節(jié)點(diǎn)的切向位移，經(jīng)索力的調(diào)整，無論張拉過程中還是張拉完成后索節(jié)點(diǎn)的切向位移都小于2mm。另外，本工程徑向索是成對(duì)的，可以通過調(diào)整其中一根徑向索，調(diào)節(jié)索節(jié)點(diǎn)的切向位移以及撐桿內(nèi)力，因此張拉徑向索可以保證環(huán)向索、徑向索、撐桿內(nèi)力以及結(jié)構(gòu)起拱分布均勻。張拉徑向索的缺點(diǎn)是張拉點(diǎn)多，設(shè)備和人員需求量大，環(huán)向索力只能通過徑向索力反算。本工程特點(diǎn)是：每個(gè)環(huán)向索節(jié)點(diǎn)，對(duì)于兩根撐桿和兩根徑向索，環(huán)向索分為12段，夾角為30度，角度較大，張

10、拉環(huán)向索會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力，造成兩根撐桿內(nèi)力嚴(yán)重不均勻，有些撐桿內(nèi)力會(huì)變號(hào)，而且張拉完成后撐桿的內(nèi)力無法調(diào)整，因此本工程采取張拉徑向索的張拉方式。4.4減少索頭、錨具、環(huán)索連接，增加調(diào)節(jié)套筒，增加環(huán)索與索節(jié)頭摩擦裝置降低摩擦力，只預(yù)張拉環(huán)索，在張拉過程中使環(huán)索與索節(jié)點(diǎn)的位置較穩(wěn)定，通過張拉徑向索施加預(yù)應(yīng)力。4.5預(yù)應(yīng)力張拉過程中不同工況下的預(yù)應(yīng)力建立，應(yīng)在仿真計(jì)算結(jié)果的指導(dǎo)下進(jìn)行。并應(yīng)規(guī)定結(jié)構(gòu)的不同荷載，如屋面荷載、懸掛荷載的施加步驟和方法，盡可能均勻、對(duì)稱、勻速的施工，避免出現(xiàn)過大的集中荷載。預(yù)應(yīng)力施加過程的控制，在每一個(gè)階段預(yù)應(yīng)力過程中，結(jié)構(gòu)都經(jīng)歷一個(gè)自適應(yīng)的過程，結(jié)構(gòu)會(huì)經(jīng)過自平衡而使內(nèi)力

11、重分布，形狀也隨之改變，所以預(yù)應(yīng)力過程的監(jiān)控是十分重要的。本工程委托專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu),采取可靠的監(jiān)測(cè)手段，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的變形和預(yù)應(yīng)力鋼索的受力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以確保結(jié)構(gòu)施工期安全，保證結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)與原設(shè)計(jì)相符。4.6工程作業(yè)區(qū)分散各區(qū)定位由專業(yè)測(cè)量工程師負(fù)責(zé)和總包單位做好基準(zhǔn)線的交接驗(yàn)收工作，對(duì)每根軸線位置由兩組人復(fù)核，從而保證定位軸線及每榀構(gòu)件的定位準(zhǔn)確。4.7做好每區(qū)的施工計(jì)劃，并由相應(yīng)的勞動(dòng)力、材料、設(shè)備，計(jì)劃與之相對(duì)應(yīng)，保證施工的正常按計(jì)劃施工。5施工質(zhì)量控制措施5.1施工準(zhǔn)備過程的質(zhì)量控制優(yōu)化施工方案和合理安排施工程序，做好每道工序的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)控制，搞好圖紙審查和技術(shù)交底工作。嚴(yán)格控制進(jìn)場(chǎng)原材

12、料的質(zhì)量，審核原材的出廠合格證等相關(guān)質(zhì)保資料，對(duì)需復(fù)檢的材料進(jìn)行見證取樣，嚴(yán)禁不合格材料的使用。合理配備施工機(jī)械，搞好維修保養(yǎng)工作，使機(jī)械處于良好的工作狀態(tài)。預(yù)應(yīng)力鋼索制作加工的質(zhì)量要求a、調(diào)直為了使鋼索受荷后各根鋼絲或各股鋼絞線受力均勻，鋼索的制作時(shí)下料長(zhǎng)度要求嚴(yán)格、準(zhǔn)確、等長(zhǎng)。下料采用“應(yīng)力下料法”，將開盤在200300MPa拉應(yīng)力下的鋼絲或鋼絞線調(diào)直，可消除一些非彈性因素的影響。b、下料嚴(yán)格控制鋼絲或鋼絞線的號(hào)料。制作通長(zhǎng)、水平且與索等長(zhǎng)的槽道，平行放入鋼索或鋼絞線，使其不互相交叉、扭曲，在槽道定位板處控制索的下料長(zhǎng)度。c、切割鋼索應(yīng)用切割機(jī)切割，嚴(yán)禁用電弧切割或用氣割，以防止損傷鋼絲。

13、d、編索宜用梳孔板向一方向梳理，同時(shí)編扎，每隔1米左右用細(xì)鋼絲編排扎緊，不讓鋼絲在索中交互扭壓。編扎成束后形成圓形截面，每隔1米左右再用鐵絲扎緊。e、鋼索的預(yù)張拉鋼索的預(yù)張拉是為了消除索的非彈性變形，保證在使用時(shí)的彈性工作。預(yù)張拉在工廠內(nèi)進(jìn)行，一般選取鋼絲極限強(qiáng)度的50%55%為預(yù)張力，持荷時(shí)間為0.52.0h。f、鋼索的防護(hù)鋼索在防護(hù)前必須表面處理，認(rèn)真除污。鋼索的防護(hù)方法有：黃油裹布；塑料涂層；多層液體氯丁橡膠防護(hù)；表面油漆；鋼索用套管；內(nèi)灌液體氯丁橡膠；將環(huán)氧樹脂粉末噴于鋼絲上再熱熔，固化形成，外加PE套管。這些防護(hù)方法可適應(yīng)周圍無嚴(yán)重侵蝕性的一般環(huán)境。5.2施工過程的質(zhì)量控制安裝構(gòu)件前

14、應(yīng)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行質(zhì)量檢查，審批施工單位質(zhì)量報(bào)驗(yàn)單。嚴(yán)格控制各種測(cè)量?jī)x器，在施工前均應(yīng)送檢標(biāo)定，合格后方可使用。安裝施工中各工序之間要嚴(yán)格執(zhí)行“三檢制”，保證各種偏差在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。嚴(yán)格要求施工單位的質(zhì)量檢查員對(duì)各工序必須嚴(yán)格檢驗(yàn)，自檢合格后進(jìn)行報(bào)驗(yàn)。張拉過程控制施工前建立仿真模擬張拉工況，以此作為指導(dǎo)試張拉的依據(jù)。張拉逐級(jí)加載分成兩級(jí)，分別為0.7con、1.0con。張拉時(shí)，服從統(tǒng)一指揮，按張拉給定的控制技術(shù)參數(shù)進(jìn)行精確控制張拉。5.2.6張拉質(zhì)量控制方法和要求張拉時(shí)按標(biāo)定的數(shù)值進(jìn)行張拉，用伸長(zhǎng)值和油壓傳感器數(shù)值進(jìn)行校核；認(rèn)真檢查張拉設(shè)備和與張拉設(shè)備相接的鋼索，以保證張拉安全、有效；張拉嚴(yán)格

15、按照操作規(guī)程進(jìn)行，控制給油速度，給油時(shí)間不應(yīng)低于0.5min；張拉設(shè)備形心與預(yù)應(yīng)力鋼索在同一軸線上。5.3預(yù)應(yīng)力張拉應(yīng)急預(yù)案在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉過程中可能出現(xiàn)的情況有很多，比如：由于張拉過程沒有達(dá)到同步，造成結(jié)構(gòu)變形；由于某種原因造成短時(shí)間停電，使張拉過程暫時(shí)停止等等。對(duì)于第一種情況，可以通過控制給泵油壓的速度使索力小的加快給油速度，索力比較大的減慢給油速度，這樣就可以達(dá)到同一圈的環(huán)向索索力相同的目的。對(duì)于第二種情況，可以通過在張拉的同時(shí)把調(diào)節(jié)套筒擰緊，保證索力變化跟張拉過程是同步的；突然停電狀態(tài)下，在短時(shí)間內(nèi)，千斤頂還是處于持力狀態(tài)，并且油泵回油還需要一段時(shí)間。5.4預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的施工仿真計(jì)算由

16、于在預(yù)應(yīng)力鋼索張拉完成前結(jié)構(gòu)尚未形成，弦支穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)整體剛度較差，因此必須用有限元計(jì)算理論，使用有限元計(jì)算軟件進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的施工仿真計(jì)算，以保證結(jié)構(gòu)施工過程中及結(jié)構(gòu)使用期安全。施工仿真計(jì)算實(shí)際上是預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工方案中及其重要的工作。因?yàn)槭┕み^程會(huì)使結(jié)構(gòu)經(jīng)歷不同的初始幾何態(tài)和預(yù)應(yīng)力態(tài)，這樣實(shí)際施工過程必須和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初衷吻合，加載方式、加載次序及加載量級(jí)應(yīng)充分考慮，且在實(shí)際施工中嚴(yán)格遵守。理論上將概念迥異的兩個(gè)階段或兩個(gè)狀態(tài)分別稱為初始幾何態(tài)和預(yù)應(yīng)態(tài)，這兩個(gè)狀態(tài)的分析理論和方法是不同的。在施工中嚴(yán)格地組織施工順序，確定加載方式，準(zhǔn)確實(shí)施加載量是必要的。與施工過程相對(duì)應(yīng)，施工仿真計(jì)算分為以下三

17、個(gè)過程：安裝完上層網(wǎng)殼（包括懸挑部分），拉索預(yù)緊和支撐腳手架拆除、張拉過程。6索力檢測(cè)的必要性和意義隨著索結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用，索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算理論也得到了很大的完善和發(fā)展。索作為結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件，索力是索結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，施工過程中索力控制是關(guān)系到施工過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力和結(jié)構(gòu)狀態(tài)等的重要環(huán)節(jié)。同時(shí)使用過程中結(jié)構(gòu)材質(zhì)的惡化、缺陷或意外事故引起的結(jié)構(gòu)損傷等因素都會(huì)引起索力的損失和變化。如何確定施工過程和使用過程的結(jié)構(gòu)索力的大小已成為工程設(shè)計(jì)人員面前的一個(gè)重大問題，也是當(dāng)前結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)中的一個(gè)重要課題。在本工程弦支穹頂結(jié)構(gòu)中，采用了連續(xù)折線索作為下弦，索與斜桿之間采用了滑動(dòng)支座。設(shè)計(jì)時(shí)是按照理想滑動(dòng)條件進(jìn)行計(jì)算分析的，但實(shí)際施工及使用階段，索與斜桿之間存在一定的摩擦力，且索在使用階段會(huì)產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力松弛效應(yīng)。所以，結(jié)構(gòu)的計(jì)算設(shè)計(jì)假定與實(shí)際施工及使用情況間存在不可避免的差異，這樣，結(jié)構(gòu)施工完畢后索力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求以及結(jié)構(gòu)在使用階段索力是否在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)工作便成為衡量本工程結(jié)構(gòu)安全性的最主要標(biāo)志。拉索是本工程中重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和受力構(gòu)件，因此索力的監(jiān)測(cè)是十分必要和重要的。本次索力測(cè)量不僅可以記錄在施工過程和使用過