大跨度預(yù)應(yīng)力索張弦網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工張拉過程試驗(yàn)研究

大跨度預(yù)應(yīng)力索張弦網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工張拉過程試驗(yàn)研究

0分層次張弦網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)張銀網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)是由剛性網(wǎng)殼和張拉的總體結(jié)構(gòu)中的柔性上弦拉索組成的自平衡空間索桿的支撐結(jié)構(gòu)。張弦網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)于1993年首先由日本川口衛(wèi)教授提出,并對(duì)跨度3m、矢高0.45m的張弦穹頂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模型試驗(yàn),分析得出弦支穹頂結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和極限承載力優(yōu)于單層網(wǎng)殼的結(jié)論。張弦網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)從提出到現(xiàn)在理論分析和工程應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式都為拉索撐桿支撐穹頂網(wǎng)殼形式,其中文獻(xiàn)、結(jié)合實(shí)際工程,完成了跨度為18.5m,矢高為1.284m的天津博物館弦支穹頂結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物靜力分級(jí)加載試驗(yàn)和動(dòng)力試驗(yàn)。從張弦網(wǎng)殼的組成結(jié)構(gòu)角度看,上部剛性結(jié)構(gòu)不僅局限于穹頂網(wǎng)殼形式,而用于提高結(jié)構(gòu)剛度和承載能力、降低荷載效應(yīng)的索桿體系的布置形式也隨剛性結(jié)構(gòu)形式而改變。對(duì)于新型張弦網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),雖然量大面廣的有限元數(shù)值分析必不可少,在允許條件下,試驗(yàn)研究卻是必要的和驗(yàn)證理論分析正確性和評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)性能的最可靠方法。與構(gòu)件分布均勻、面內(nèi)剛度大、面外彎曲剛度小、穩(wěn)定控制極限承載力的穹頂網(wǎng)殼形式不同,安徽大學(xué)體育館張弦網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的剛性網(wǎng)殼構(gòu)件有主次之分,六個(gè)角部的徑向構(gòu)件為主要傳力構(gòu)件。該結(jié)構(gòu)呈六角錐形,具有曲面內(nèi)剛度、曲面外彎曲剛度都較大、結(jié)構(gòu)以彎曲變形為主、強(qiáng)度控制極限承載力的特征。張弦穹頂網(wǎng)殼的撐桿均勻布置在網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)下,以全面提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力,而安徽大學(xué)體育館張弦網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的撐桿只布置在主脊梁下,直接加強(qiáng)主要傳力構(gòu)件。要明確這種新型的大跨度張弦網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力形態(tài)和結(jié)構(gòu)性質(zhì),除需要細(xì)致的理論分析外,有必要進(jìn)行試驗(yàn)研究。施加預(yù)應(yīng)力是結(jié)構(gòu)安裝工作中最為重要的一環(huán),通過模型的張拉過程試驗(yàn),驗(yàn)證施工過程仿真分析理論的正確性,同時(shí)可為原型結(jié)構(gòu)張拉方案的制定以及張拉施工方法的選擇提供參考。1試驗(yàn)總結(jié)1.1模型結(jié)構(gòu)的確定安徽大學(xué)體育館為安徽大學(xué)新校區(qū)的綜合性體育館,總建筑面積12170m2,建筑高度30.428m。體育館屋蓋采用由單層網(wǎng)殼及預(yù)應(yīng)力拉索撐桿構(gòu)成的張弦網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式,結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。剛性網(wǎng)殼的內(nèi)環(huán)桁架、外環(huán)桁架與肋環(huán)形網(wǎng)殼構(gòu)成結(jié)構(gòu)主體,天窗網(wǎng)殼支撐在內(nèi)環(huán)桁架上,斜索撐桿布置在主脊梁下,與環(huán)向布置的拉索平衡對(duì)剛性網(wǎng)殼提供支承。該屋蓋凈跨度87.8m,計(jì)入挑檐跨度達(dá)97.9m,屋蓋高度14.5m,屋蓋中央設(shè)置的正六邊形采光玻璃天窗的外接圓直徑為24m,屋蓋下部為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)徑向、環(huán)向主要構(gòu)件截面為:無凸出屋面構(gòu)件位置主脊梁截面為□750×350×12×16、徑向梁截面為□700×300×10×12、環(huán)向梁截面為□500×300×8×10;布置凸出屋面構(gòu)件位置主脊梁截面為□700×300×10×12、徑向梁截面為□600×300×8×10、環(huán)向梁截面為□400×250×8×10,鋼管構(gòu)件采用Q345B鋼。為較真實(shí)地模擬原型結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì),并考慮試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性確定屋蓋模型的幾何比例為Sl=1/6,模型凈跨度14.6m,高2.417m。若模型的所有鋼管構(gòu)件外徑和壁厚均按原型構(gòu)件的1∶6比例制作加工,則很難實(shí)現(xiàn)。依據(jù)模型與原型結(jié)構(gòu)的主脊梁撓度、最大節(jié)點(diǎn)位移和主要構(gòu)件應(yīng)力相似的原則,根據(jù)可選用的構(gòu)件規(guī)格對(duì)模型構(gòu)件進(jìn)行歸并。徑向環(huán)向主要構(gòu)件截面為:無凸出屋面構(gòu)件位置主脊梁截面為□100×60×2.5、徑向梁截面為□100×60×2.5、環(huán)向梁截面為□80×40×2;布置凸出屋面構(gòu)件位置主脊梁截面為□100×60×2.5、徑向梁截面為□80×40×2、環(huán)向梁截面為□60×40×2。由市場(chǎng)可采購情況確定鋼管材料為Q235鋼,鋼材屈服強(qiáng)度fy=235MPa,彈性模量E=2.06×105MPa;預(yù)應(yīng)力索采用不銹鋼鋼拉桿(下面提到的索均指鋼拉桿),屈服強(qiáng)度fy=550MPa,彈性模量由鋼拉桿的張拉試驗(yàn)標(biāo)定值確定,取三組標(biāo)定桿件的平均值E=199165MPa。原型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載取值:恒載0.6kN/m2,活載0.5kN/m2,雪荷載0.6kN/m2,模型試驗(yàn)的荷載取恒載與雪載的組合工況。根據(jù)相似關(guān)系,確定模型集中荷載的相似系數(shù)為SP=SES2ll2×(235/345)。由于模型構(gòu)件的鋼管壁很薄,為防止施工焊接過程中節(jié)點(diǎn)位置的管壁被焊穿,形成局部薄弱環(huán)節(jié)為加載過程留下隱患,模型設(shè)計(jì)中節(jié)點(diǎn)部分予以加強(qiáng),節(jié)點(diǎn)區(qū)構(gòu)件截面厚度統(tǒng)一加大為5mm。制作安裝完成后的試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。1.2節(jié)點(diǎn)荷載計(jì)算張弦網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)包括預(yù)應(yīng)力索張拉過程試驗(yàn)和荷載作用過程試驗(yàn),通過三個(gè)階段實(shí)施完成,具體過程為:(1)預(yù)應(yīng)力索張拉過程:分三步對(duì)張弦網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型施加預(yù)應(yīng)力使結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)的初始狀態(tài)。(2)非對(duì)稱荷載作用過程:從初始狀態(tài)開始,根據(jù)1.2恒+半跨1.4活的荷載工況,分五級(jí)對(duì)結(jié)構(gòu)施加等效節(jié)點(diǎn)荷載。(3)對(duì)稱荷載作用過程:卸載非對(duì)稱荷載至初始狀態(tài),根據(jù)1.2恒+1.4活的荷載工況,分五級(jí)對(duì)結(jié)構(gòu)施加等效節(jié)點(diǎn)荷載。荷載作用點(diǎn)布置:采用按面積分布節(jié)點(diǎn)荷載的方式對(duì)模型加載,以接近原型實(shí)際荷載分布形式。荷載作用點(diǎn)(重物吊掛點(diǎn))布置在徑向、環(huán)向構(gòu)件的交點(diǎn)處及天窗主脊梁的節(jié)點(diǎn)處。由于第4、5圈節(jié)點(diǎn)和天窗節(jié)點(diǎn)的間距很小,考慮試驗(yàn)加載人員穿行和吊掛托盤對(duì)加載點(diǎn)間隔的要求,該位置加載點(diǎn)間隔布置,節(jié)點(diǎn)荷載值按節(jié)點(diǎn)分擔(dān)的面積計(jì)算,共有加載點(diǎn)133個(gè)。預(yù)應(yīng)力通過擰緊鋼拉桿中央的扭轉(zhuǎn)套筒的方式施加,節(jié)點(diǎn)荷載以吊掛重物的方法施加,如圖3所示。根據(jù)理論分析的結(jié)果,依據(jù)監(jiān)測(cè)拉索軸力、節(jié)點(diǎn)最大位移、構(gòu)件最大應(yīng)變和結(jié)構(gòu)整體變形特征點(diǎn)的位置布置測(cè)點(diǎn)。(1)測(cè)量節(jié)點(diǎn)豎向位移在六榀主脊梁中兩組對(duì)角主脊梁上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)處分別布置一個(gè)位移計(jì)測(cè)量節(jié)點(diǎn)豎向位移;在六個(gè)網(wǎng)殼區(qū)格內(nèi)位移最大的節(jié)點(diǎn)上布置位移計(jì)測(cè)量節(jié)點(diǎn)豎向位移;在六個(gè)角部支座節(jié)點(diǎn)上各布置一個(gè)位移計(jì),測(cè)量支承張弦網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的箱形梁和圓柱在角部的綜合豎向位移,共有位移計(jì)39個(gè)。(2)環(huán)索和撐桿應(yīng)變片的布置每根斜索上布置三個(gè)應(yīng)變片,以120°的角度沿拉桿圓周均勻分布,其平均應(yīng)變值可以反映拉桿軸向應(yīng)變。受測(cè)點(diǎn)數(shù)量限制,環(huán)索和撐桿上的應(yīng)變片單側(cè)布置,外側(cè)的兩圈環(huán)索在兩端各布置一個(gè)應(yīng)變片,內(nèi)側(cè)兩圈環(huán)索在一端布置一個(gè)應(yīng)變片,撐桿上的應(yīng)變片布置在撐桿中部。在主脊梁、徑向梁、環(huán)向梁應(yīng)力較大的構(gòu)件上下表面布置應(yīng)變片,在應(yīng)力較大的內(nèi)環(huán)桁架、外環(huán)桁架和凸出邊環(huán)桁架的構(gòu)件上單側(cè)布置應(yīng)變片,應(yīng)變片共計(jì)163個(gè)。2試驗(yàn)結(jié)果的分析2.1拉索應(yīng)變的不均勻、附加變形模型制作、安裝誤差(尤其是撐桿上下節(jié)點(diǎn)制作誤差)的影響、同一圈索的不同步張拉、力矩扳手讀數(shù)精度的限制等多方面原因?qū)е挛挥谕蝗Φ男彼鲝埩刂浦挡煌?。在張拉初?拉索應(yīng)變讀數(shù)顯示沿拉桿圓周120°分布的三個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變值相差很大,有個(gè)別應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)樨?fù)值,拉索應(yīng)變的不均勻分布表明張拉過程中拉索存在彎曲或彎扭變形。隨拉力逐漸增大,三個(gè)應(yīng)變片讀數(shù)趨于均勻。位于同一圈的撐桿的應(yīng)變值相差較大,表明不同位置的撐桿受力狀態(tài)不完全相同。撐桿與主脊梁連接的上節(jié)點(diǎn)和與拉索連接的下節(jié)點(diǎn)的制作誤差不僅影響索的張拉力,而且對(duì)荷載作用下索力的變化過程產(chǎn)生了較大影響。五級(jí)非對(duì)稱荷載施加完成后索桿體系發(fā)生了較小的環(huán)向偏斜變形,斜索由此產(chǎn)生了附加變形,與理論值相比,該附加變形使斜索軸力實(shí)測(cè)值較理論值增加得快。張拉過程中結(jié)構(gòu)自適應(yīng)調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng),若加載速度過快,則結(jié)構(gòu)的變形不能充分發(fā)展,張拉后的預(yù)應(yīng)力值達(dá)不到設(shè)計(jì)的張拉控制值,因此張拉過程必須緩慢進(jìn)行,而且預(yù)應(yīng)力必須通過多級(jí)多步施加以降低施工難度。2.2數(shù)值結(jié)果分析模型張拉力設(shè)計(jì)值由模型與原型的相似關(guān)系確定,張拉試驗(yàn)過程中,斜索張拉力值見表1。結(jié)構(gòu)分區(qū)、主脊梁、索桿、節(jié)點(diǎn)編號(hào)如圖4所示。第三步張拉完成后結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)的初始狀態(tài),由表1可以看出此時(shí)模型斜索拉力理論控制值與實(shí)測(cè)值能很好的吻合,初始狀態(tài)主脊梁B、E變形的模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)值、模型理論值及原形結(jié)構(gòu)等效的理論值比較如圖5所示。由圖5可以看出,對(duì)斜索施加預(yù)應(yīng)力,拉索和撐桿對(duì)網(wǎng)殼提供支承,結(jié)構(gòu)整體發(fā)生向上的反拱變形。由于模型設(shè)計(jì)中將節(jié)點(diǎn)區(qū)加強(qiáng),模型實(shí)際剛度大于理論計(jì)算剛度,因此模型位移實(shí)測(cè)值小于理論值。模型的理論值與根據(jù)相似關(guān)系轉(zhuǎn)換的原型理論值非常接近,可見模型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與原型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的變形滿足試驗(yàn)相似性設(shè)計(jì)要求。根據(jù)可選用的構(gòu)件設(shè)計(jì)模型使模型的剛度略小于原型的等效剛度,因此模型節(jié)點(diǎn)位移理論值稍大于根據(jù)相似關(guān)系轉(zhuǎn)換的原型節(jié)點(diǎn)位移理論值。張弦網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性,施加預(yù)應(yīng)力階段,處于對(duì)稱位置的主脊梁B、E變形的理論值滿足對(duì)稱關(guān)系,而圖5中主脊梁B、E變形的實(shí)測(cè)值只近似滿足對(duì)稱關(guān)系。模型的制作誤差、誤差分布對(duì)不同位置主脊梁剛度的影響不同;索桿體系的制作和張拉力控制誤差使處于不同位置的撐桿對(duì)主脊梁提供的支承作用不同,由于上述原因主脊梁變形實(shí)測(cè)值與理論值不能完全吻合,對(duì)稱位置的主脊梁變形不完全符合對(duì)稱關(guān)系。2.3在非對(duì)稱加載層的測(cè)量值和理論值的比較分析中(1)模型剛度分布1.2恒+半跨1.4活的非對(duì)稱荷載五級(jí)加載完成時(shí),主脊梁變形的實(shí)測(cè)值與理論值比較如圖6所示;網(wǎng)殼c區(qū)格上的節(jié)點(diǎn)26(見圖4)的豎向位移在五級(jí)加載過程中的實(shí)測(cè)值與理論值比較,如圖7所示。由圖6、圖7可以看出,模型主脊梁變形和網(wǎng)殼區(qū)格上節(jié)點(diǎn)位移的理論值與實(shí)測(cè)值的分布規(guī)律基本相同、數(shù)值相近,表明模型理論值能反映模型結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)。非對(duì)稱荷載作用下三條曲線的分布規(guī)律為:模型節(jié)點(diǎn)位移實(shí)測(cè)值小于理論計(jì)算值,受節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和制作誤差的影響,模型實(shí)際剛度大于理論計(jì)算剛度;模型節(jié)點(diǎn)位移理論值略大于原型節(jié)點(diǎn)位移理論值,表明模型剛度相對(duì)較小。三條曲線反映的三個(gè)模型間的剛度關(guān)系與斜索張拉階段反映的剛度關(guān)系相同。由圖7可知,非對(duì)稱設(shè)計(jì)荷載作用下,結(jié)構(gòu)反應(yīng)基本為線性。位于有活荷載作用范圍的主脊梁A、B和無活荷載作用范圍的主脊梁D、E變形圖比較可以看出,非對(duì)稱荷載作用下,結(jié)構(gòu)發(fā)生反對(duì)稱形式的變形,較大荷載作用的半跨結(jié)構(gòu)發(fā)生向下的變形,較小荷載作用的半跨結(jié)構(gòu)發(fā)生向上的反拱變形。(2)不一法第1代電非對(duì)稱荷載五級(jí)加載過程中,主脊梁A位置的斜索A1、A5軸力實(shí)測(cè)值與理論值比較如圖8所示。A2-A4軸力變化規(guī)律與A1相近,主脊梁B～F位置的斜索軸力實(shí)測(cè)值和理論值與相應(yīng)主脊梁A位置斜索軸力變化規(guī)律基本相同,在此不一一列出。理論分析表明,斜索、環(huán)索和撐桿軸力滿足靜力平衡關(guān)系,位于同一圈的外側(cè)四圈斜索的軸力值相同;非對(duì)稱荷載作用使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反對(duì)稱變形,從第3級(jí)荷載開始發(fā)生反拱變形的主脊梁E下的第5圈斜索松弛,而其它位置的斜索保持張緊狀態(tài)。由圖8可以看出,與原型理論值相比,由于模型剛度相對(duì)較低,相同的荷載作用使模型發(fā)生較大的變形,斜索也隨之發(fā)生較大的變形,因此隨荷載增加,模型斜索軸力比原型按相似關(guān)系轉(zhuǎn)換的斜索軸力增加得相對(duì)較快。荷載作用起始階段,模型索力取值由試驗(yàn)張拉階段的實(shí)測(cè)值確定,該值大于起始階段原型的相似索力值;拉索和撐桿不僅發(fā)生軸向變形,而且還發(fā)生彎曲或彎扭變形,該附加變形導(dǎo)致拉索軸力增加,因此斜索軸力實(shí)測(cè)值大于理論值。2.4在對(duì)稱加載層的測(cè)量值和理論值之間的比較分析中(1)網(wǎng)殼區(qū)格剛度分析1.2恒+1.4活的對(duì)稱荷載作用狀態(tài),主脊梁變形的實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值比較如圖9所示。由圖9可見,模型主脊梁變形和網(wǎng)殼區(qū)格上節(jié)點(diǎn)位移的理論值與實(shí)測(cè)值的分布規(guī)律基本相同、數(shù)值相近,模型與原型理論值非常接近,表明模型理論值能反映對(duì)稱荷載作用下試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?shí)際變形狀態(tài)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)。由主脊梁A、B、D、E的變形(圖9)可以看出,對(duì)稱荷載作用下,結(jié)構(gòu)整體發(fā)生沿荷載方向的變形;處于對(duì)稱位置的主脊梁B、E變形的理論值表明結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱變形的特點(diǎn);實(shí)測(cè)值表明模型結(jié)構(gòu)發(fā)生了近似對(duì)稱形式的變形;無凸出屋面構(gòu)件位置的網(wǎng)殼區(qū)格剛度較低,該位置主脊梁發(fā)生相對(duì)較大的變形。圖9中主脊梁B、D、E變形的實(shí)測(cè)值略大于理論值,原因是非對(duì)稱荷載卸載完成后,受制作安裝誤差的影響,處于彈性狀態(tài)的結(jié)構(gòu)卸載后變形并不能完全恢復(fù),主脊梁存在殘余變形,對(duì)稱荷載作用下,結(jié)構(gòu)的實(shí)際變形是荷載增量產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形與殘余變形的疊加值,該值大于理論計(jì)算值。(2)計(jì)算結(jié)果比較對(duì)稱荷載五級(jí)加載過程中模型主脊梁A位置A1、A5軸力的實(shí)測(cè)值與理論值比較如圖10所示。對(duì)稱荷載作用下,位于剛度較小區(qū)格的主脊梁A、F發(fā)生較大的變形,該位置斜索也隨之發(fā)生較大變形,相同等級(jí)荷載作用下,與其它位置的第5圈斜索軸力值比較可知,該位置的斜索軸力值較大。由圖10可以看出,與原型理論值相比,由于模型理論計(jì)算剛度相對(duì)較低,相同荷載作用使模型發(fā)生較大的變形,隨荷載增加,模型斜索軸力比原型按相似關(guān)系轉(zhuǎn)換的斜索軸力增加得相對(duì)較快。與非對(duì)稱荷載工況相比,對(duì)稱荷載作用下位于同一圈的斜索軸力實(shí)測(cè)值比較均勻。加載完成后,各圈索桿沿環(huán)向的偏斜變形較小,索桿體系的附加變形對(duì)斜索軸力影響很小,即斜索的附加軸力較小,斜索軸力實(shí)測(cè)值增加得相對(duì)較慢。2.5施用預(yù)應(yīng)力作用前面分析表明,模型理論值與模型試驗(yàn)值能很好地吻合,模型理論值與原型理論值非常接近,模型設(shè)計(jì)滿足相似性要求,因此可以由模型試驗(yàn)結(jié)果推算原型結(jié)構(gòu)在真實(shí)荷載作用下的響應(yīng)及結(jié)構(gòu)性能。由模型試驗(yàn)結(jié)果確定原型結(jié)構(gòu)具有如下性質(zhì):(1)可以通過張拉斜索對(duì)結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力,預(yù)應(yīng)力作用使索桿體系與單層網(wǎng)殼形成相互作用的整體,共同抵抗荷載作用,預(yù)應(yīng)力作用使結(jié)構(gòu)發(fā)生反拱變形。(2)布置凸出屋面構(gòu)件的網(wǎng)殼區(qū)格剛度較大,無凸出屋面構(gòu)件的網(wǎng)殼區(qū)格剛度較小,張拉階段和荷載作用階段,位于無凸出屋面構(gòu)件位置的主脊梁和節(jié)點(diǎn)變形相對(duì)較大。(3)非對(duì)稱荷載作用下,結(jié)構(gòu)發(fā)生反對(duì)稱形式的變形,較大荷載作用的半跨結(jié)構(gòu)發(fā)生向下的變形,較小荷載作用的半跨結(jié)構(gòu)發(fā)生向上的反拱變形;對(duì)稱荷載作用下,結(jié)構(gòu)發(fā)生與荷載作用方向一致的對(duì)稱形式的變形。(