管東芝　 朱明亮　 郭正興　 羅　斌　 陳雪琪　 丁明珉

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)(東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)

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預(yù)應(yīng)力條形鋼拉板索穹頂及施工全過(guò)程分析

管東芝 朱明亮 郭正興 羅斌 陳雪琪 丁明珉

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)(東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)

為了解決剛性屋面應(yīng)用于常規(guī)索穹頂結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造復(fù)雜的問(wèn)題,提出了一種新型預(yù)應(yīng)力鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu).結(jié)合條形鋼拉板的特點(diǎn),基于非線性動(dòng)力有限元法,提出了通過(guò)建立預(yù)分析模型確定初始形態(tài)的正施工過(guò)程分析方法.在無(wú)錫新區(qū)科技交流中心屋蓋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了新型預(yù)應(yīng)力鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu)模型,進(jìn)行了無(wú)支架提升牽引施工全過(guò)程分析.結(jié)果表明：鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu)位形在建造過(guò)程中經(jīng)歷了懸垂?fàn)顟B(tài)、調(diào)整狀態(tài)和剛化狀態(tài)；提升索和牽引索的拉力在鋼拉板外端點(diǎn)接近外支座時(shí)會(huì)有較大提高；條形鋼拉板在整個(gè)施工過(guò)程中均保持彈性狀態(tài),且最終位形與索桿單元模擬的脊索位形相差不大,證明了新型預(yù)應(yīng)力鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu)的可行性.

鋼拉板;索穹頂;非線性動(dòng)力有限元;找形;全過(guò)程分析

TU393.3;TU745.2

A

1001-0505(2016)05-1051-06

索穹頂結(jié)構(gòu)是一種根據(jù)美國(guó)建筑師富勒提出的張拉整體思想形成的全張力結(jié)構(gòu)[1],其空間跨越能力強(qiáng),自重輕,傳力途徑明確.世界上第1座建成的索穹頂為美國(guó)工程師蓋格設(shè)計(jì)的首爾奧運(yùn)會(huì)體育場(chǎng)[2].此后,索穹頂結(jié)構(gòu)在大跨空間結(jié)構(gòu)鄰域得到廣泛運(yùn)用,相繼建成了紅鳥(niǎo)體育館、佐治亞穹頂、臺(tái)灣桃園體育館、皇冠體育館、沙特阿拉伯利亞德大學(xué)體育館等[3-4].2009年,浙江金華晟元集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)廠房中庭采用了索穹頂結(jié)構(gòu),填補(bǔ)了我國(guó)大陸地區(qū)索穹頂工程的空白[5].同年,又建成了國(guó)內(nèi)第1座剛性屋面索穹頂結(jié)構(gòu)——無(wú)錫太湖國(guó)際高科技園區(qū)科技交流中心[6].2011年,在鄂爾多斯伊金霍洛旗建成了結(jié)構(gòu)跨度達(dá)71.2 m的大型索穹頂結(jié)構(gòu)[7].與此同時(shí),中國(guó)(太原)煤炭交易中心索穹頂結(jié)構(gòu)[8]建成,該結(jié)構(gòu)為次索網(wǎng)索穹頂結(jié)構(gòu)[9].隨著多個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)與實(shí)施,我國(guó)在索穹頂結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步.

目前,索穹頂屋面系統(tǒng)根據(jù)覆蓋材料的不同,主要分為柔性材料和剛性材料兩大類(lèi).膜材料作為柔性材料已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外著名索結(jié)構(gòu)工程的屋面系統(tǒng)中得到較多應(yīng)用.但國(guó)內(nèi)氣候和環(huán)境的現(xiàn)實(shí)狀況,對(duì)現(xiàn)有膜材提出了更高的耐久性和自潔性要求,這使得采用單一膜面材料作為屋面時(shí),建造和維護(hù)成本較高,一定程度上阻礙了索穹頂結(jié)構(gòu)在我國(guó)大陸地區(qū)的工程應(yīng)用[10].

常規(guī)剛性屋面材料,如壓型鋼板、彩鋼板、玻璃面板、鋁鎂錳板等,結(jié)構(gòu)受力合理,利于屋面保溫,耐污染能力強(qiáng),施工簡(jiǎn)便,造價(jià)較低,在國(guó)內(nèi)鋼屋蓋結(jié)構(gòu)中已得到廣泛應(yīng)用.剛性屋面板應(yīng)用于常規(guī)索結(jié)構(gòu)時(shí),索體與剛性屋面之間的連接需要專門(mén)的構(gòu)造連接措施,往往構(gòu)造復(fù)雜,施工繁瑣,增加了結(jié)構(gòu)建造總成本.國(guó)內(nèi)已有的剛性屋面索穹頂結(jié)構(gòu)工程為無(wú)錫新區(qū)科技交流中心和中國(guó)(太原)煤炭交易中心,這2個(gè)工程均采用了次網(wǎng)格與索穹頂相連的方式形成剛性屋面索穹頂,次網(wǎng)格分別為肋環(huán)形網(wǎng)殼[11]和單層次索網(wǎng)[12].剛性屋面材料與索體之間的次結(jié)構(gòu)往往擱置在撐桿頂端,從而增加了撐桿處節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的復(fù)雜程度,對(duì)索夾抗滑提出了更高的要求.

本文提出了一種新型預(yù)應(yīng)力條形鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu),旨在解決傳統(tǒng)索穹頂與剛性屋面連接構(gòu)造復(fù)雜、對(duì)剛性屋面次結(jié)構(gòu)跨越能力要求高的問(wèn)題,降低造價(jià),提高了剛性屋面索穹頂結(jié)構(gòu)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì).與傳統(tǒng)索穹頂結(jié)構(gòu)相似,新型預(yù)應(yīng)力條形鋼拉板索穹頂在未施加預(yù)應(yīng)力時(shí)呈柔軟無(wú)剛度狀態(tài),利于采用無(wú)支架提升張拉施工方法,符合綠色施工的潮流.針對(duì)預(yù)應(yīng)力條形鋼拉板索穹頂?shù)奶攸c(diǎn),基于確定索桿系靜力平衡態(tài)的非線性動(dòng)力有限元法(NDFEM)[13],提出了通過(guò)建立預(yù)分析模型來(lái)確定初始形態(tài)的正施工過(guò)程分析方法,取得了較好效果.

1　預(yù)應(yīng)力條形鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu)

預(yù)應(yīng)力條形鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu)由條形鋼拉板、斜索、環(huán)索、撐桿、中心內(nèi)環(huán)梁和周邊外環(huán)梁構(gòu)成(見(jiàn)圖1).條形鋼拉板根據(jù)承載力需要,可采用單層條狀鋼板帶,或通過(guò)多層條狀鋼板帶上下疊加而成,一端通過(guò)端部節(jié)點(diǎn)與中心內(nèi)環(huán)梁連接,另一端與周邊外環(huán)梁連接.撐桿的頂端通過(guò)連接節(jié)點(diǎn)與條形鋼拉板連接,斜索連接相鄰環(huán)撐桿的頂端和底端.環(huán)索連接同環(huán)撐桿的底端,并沿環(huán)向閉合.通過(guò)預(yù)應(yīng)力張拉在整個(gè)結(jié)構(gòu)中建立預(yù)應(yīng)力分布,形成具有一定剛度的全張力結(jié)構(gòu).

圖1　鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu)示意圖

撐桿頂端連接節(jié)點(diǎn)由節(jié)點(diǎn)板、耳板和螺栓構(gòu)成,節(jié)點(diǎn)板和條形鋼拉板在對(duì)應(yīng)位置預(yù)留螺栓孔,通過(guò)高強(qiáng)螺栓將節(jié)點(diǎn)板與條形鋼拉板連為一體.下節(jié)點(diǎn)板的下表面焊接有耳板,耳板預(yù)留銷(xiāo)軸孔,通過(guò)銷(xiāo)軸與斜索和撐桿相連(見(jiàn)圖2).

圖2　撐桿頂節(jié)點(diǎn)示意圖

常規(guī)索穹頂結(jié)構(gòu)脊索不便于剛性屋面材料鋪設(shè).實(shí)際應(yīng)用中,往往通過(guò)剛度相對(duì)較大的支撐次結(jié)構(gòu)來(lái)連接屋面材料,支撐次結(jié)構(gòu)擱置在撐桿頂端,這對(duì)次結(jié)構(gòu)的跨越能力和索夾的力學(xué)性能提出了更高的要求.條形鋼拉板呈扁平狀,可根據(jù)需要在指定位置直接預(yù)留螺栓孔,在預(yù)應(yīng)力條形鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu)張拉成型后,直接安裝檁條等剛性材料,通過(guò)間隔分布的高強(qiáng)螺栓連接固定,直接鋪設(shè)剛性屋面材料.

該新型預(yù)應(yīng)力條形鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：① 條形鋼拉板與上部剛性屋面連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單,易于應(yīng)用成熟的栓接技術(shù),施工方便,有利于充分利用柔性結(jié)構(gòu)與剛性屋面的受力特性；② 鋼拉板厚度相對(duì)于整體結(jié)構(gòu)跨度而言比較薄,在未施加預(yù)應(yīng)力前,剛度較弱,呈柔性狀態(tài),能夠利用現(xiàn)有預(yù)應(yīng)力技術(shù)及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)安裝方式實(shí)現(xiàn)無(wú)支架安裝,符合綠色施工的潮流；③ 相對(duì)于常規(guī)索結(jié)構(gòu),鋼拉板不需要錨具、索夾等部件,且鋼材價(jià)格相對(duì)于索體材料較低,進(jìn)一步降低了造價(jià),具有較大的推廣應(yīng)用潛力.

2　鋼拉板索穹頂施工過(guò)程分析方法

新型預(yù)應(yīng)力條形鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu)在未施加預(yù)應(yīng)力之前,呈柔性可變狀態(tài),有利于采用成熟的無(wú)支架提升的安裝方法[14-15]實(shí)施建造,但這對(duì)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程分析提出了更高的要求.

鋼絲繩、鋼絞線、鋼絲束索、條形鋼拉板等僅能承受拉力,不能承受壓力和彎矩,屬于柔性構(gòu)件.在未張拉之前,索穹頂處于松弛狀態(tài),整體位形與設(shè)計(jì)狀態(tài)的位形相差較大.柔性構(gòu)件在施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生機(jī)構(gòu)位移、超大變形和單向傳力等非線性情形,無(wú)法采用常規(guī)的線性靜力有限元進(jìn)行分析.

索穹頂結(jié)構(gòu)采用無(wú)支架連續(xù)提升的方法進(jìn)行安裝時(shí),雖然位形狀態(tài)是連續(xù)變化的,但施工過(guò)程緩慢,結(jié)構(gòu)在每個(gè)時(shí)刻均可認(rèn)為處于靜力平衡狀態(tài).因此,可以對(duì)若干個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻的施工位形進(jìn)行找形分析,從而有效掌握全施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)狀態(tài).確定索桿系靜力平衡態(tài)的非線性動(dòng)力有限元法[13]的核心在于,對(duì)處于非靜力平衡狀態(tài)位形的結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性動(dòng)力分析,根據(jù)分析結(jié)果不斷更新索桿系的位形,最終結(jié)構(gòu)位形將收斂于唯一確定的靜力平衡狀態(tài)位形.在分析過(guò)程中,引入虛設(shè)的慣性力和黏滯阻尼力,以便于非線性動(dòng)力分析的求解.該方法適用于位形變化大的柔性結(jié)構(gòu)施工過(guò)程分析,具有良好的效果.

在開(kāi)始進(jìn)行柔性結(jié)構(gòu)施工過(guò)程分析時(shí),往往只有結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)態(tài)位形是明確的,故常以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)態(tài)位形作為初始態(tài),采用逆過(guò)程分析法進(jìn)行柔性結(jié)構(gòu)施工態(tài)找形分析,即從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)態(tài)出發(fā),采用與實(shí)際施工順序相反的過(guò)程來(lái)確定柔性結(jié)構(gòu)在不同施工步驟中的位形,從而確定各施工步驟中結(jié)構(gòu)的形態(tài)和內(nèi)力狀態(tài).采用NDFEM法對(duì)常規(guī)索穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工過(guò)程分析時(shí),常采用索、桿單元來(lái)模擬索穹頂結(jié)構(gòu)中的拉索和撐桿構(gòu)件.索、桿單元不傳遞彎矩,僅傳遞軸力,在進(jìn)行動(dòng)力有限元平衡方程求解和更新位形的過(guò)程中,索單元的空間位形將向?qū)嶋H拉索的軸力方向變化,索單元的位形也將逼近實(shí)際拉索的位形.

不同于常規(guī)索結(jié)構(gòu),新型預(yù)應(yīng)力鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu)上部脊索部分為連續(xù)鋼拉板.在施工過(guò)程中,需要了解鋼拉板由于彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力狀況,但是索單元不能傳遞彎矩,無(wú)法量化這部分影響,而基于梁?jiǎn)卧軌蛴?jì)算彎曲應(yīng)力,故適宜采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬鋼拉板.

采用NDFEM法來(lái)進(jìn)行常規(guī)索結(jié)構(gòu)的施工逆過(guò)程找形分析時(shí),在有限元模型更新位形的過(guò)程中,拉索部分會(huì)出現(xiàn)受壓的不平衡狀態(tài).隨著持續(xù)的位形更新,這種不平衡狀態(tài)快速過(guò)渡到平衡狀態(tài).當(dāng)采用不傳遞彎矩的索單元來(lái)模擬拉索時(shí),平衡狀態(tài)下有限元模型中的拉索位形將趨近于實(shí)際拉索的位形,從而達(dá)到模擬分析的目的.然而,在鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu)的有限元模型中,鋼拉板部分采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬.采用NDFEM法進(jìn)行鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu)的施工逆過(guò)程分析時(shí),條形鋼拉板也會(huì)出現(xiàn)受壓的狀態(tài).在受壓狀態(tài)下,模擬鋼拉板的梁?jiǎn)卧g易產(chǎn)生較大彎折,由于梁?jiǎn)卧軌騻鬟f彎矩和軸力,彎折狀態(tài)下的鋼拉板模型仍能夠達(dá)到平衡狀態(tài).NDFEM法中,結(jié)構(gòu)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí),將停止迭代計(jì)算,從而導(dǎo)致有限元模型中的鋼拉板位形難以逼近于實(shí)際結(jié)構(gòu)的位形,無(wú)法達(dá)到模擬分析的目的.故常規(guī)逆過(guò)程分析法不適于采用梁?jiǎn)卧M的鋼拉板結(jié)構(gòu),需要結(jié)合NDFEM法對(duì)施工過(guò)程分析方法進(jìn)行改進(jìn).

根據(jù)上述分析可知,采用NDFEM法進(jìn)行施工過(guò)程找形分析(特別是對(duì)于采用梁?jiǎn)卧M的柔性構(gòu)件)時(shí),宜避免柔性構(gòu)件在更新位形過(guò)程中出現(xiàn)受壓狀態(tài).考慮到索穹頂?shù)膶?shí)際施工過(guò)程中,索穹頂?shù)睦鳂?gòu)件均一直處于受拉狀態(tài),故進(jìn)行新型預(yù)應(yīng)力鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu)施工過(guò)程分析時(shí),宜按照實(shí)際施工順序進(jìn)行正過(guò)程分析.

進(jìn)行施工正過(guò)程分析時(shí),結(jié)構(gòu)初始位形的確定是關(guān)鍵.條形鋼拉板在完全無(wú)應(yīng)力時(shí)呈平直狀態(tài).根據(jù)該特點(diǎn),可結(jié)合鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)型和尺寸規(guī)格,以無(wú)應(yīng)力平直條形鋼拉板構(gòu)件作為依據(jù),建立預(yù)分析模型.通過(guò)NDFEM法對(duì)預(yù)分析模型進(jìn)行平衡態(tài)找形分析,并縮短其他拉索構(gòu)件模型達(dá)到無(wú)預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)度.經(jīng)過(guò)NDFEM法的分析求解和位形更新,預(yù)分析模型將逐步接近于平衡狀態(tài),該平衡狀態(tài)時(shí)的位形即為施工正分析的初始位形.

3　應(yīng)用分析

3.1模型設(shè)計(jì)

無(wú)錫新區(qū)科技交流中心屋蓋結(jié)構(gòu)為我國(guó)首個(gè)剛性屋面索穹頂結(jié)構(gòu),該屋蓋平面為直徑24 m的圓形平面,周邊為多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu).索穹頂結(jié)構(gòu)為3環(huán)、10榀的環(huán)肋型索穹頂；屋面檁條直接擱置在撐桿頂端、內(nèi)拉環(huán)以及外壓環(huán)上；拉索采用外包雙層聚乙烯護(hù)套的1670級(jí)鋼絲束索,脊索通過(guò)索夾連續(xù)貫通2個(gè)撐桿頂端,環(huán)索連續(xù)穿過(guò)多個(gè)撐桿下端索夾.

以該索穹頂結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),將上層脊索替換為條形鋼拉板,即可形成預(yù)應(yīng)力鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu).由于拉索材料為脆性材料,應(yīng)力比系數(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)?？刂圃?.4以下,普通鋼結(jié)構(gòu)在最不利工況下的應(yīng)力比系數(shù)?？刂圃?.8左右,鋼拉板材料采用屈服強(qiáng)度為460 MPa的鋼材,為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程,將1/2拉索破斷力作為條形鋼拉板的拉力設(shè)計(jì)值,以確定鋼拉板構(gòu)件截面尺寸.無(wú)錫新區(qū)科技交流中心屋蓋上部脊索為1670級(jí)73φ5 mm鋼絲束索,根據(jù)上述原則,確定鋼拉板截面高16 mm,寬160 mm,其他構(gòu)件規(guī)格不變.

3.2施工過(guò)程分析

無(wú)錫新區(qū)科技交流中心索穹頂結(jié)構(gòu)采用了無(wú)支架提升牽引施工技術(shù)[14]進(jìn)行建造,該建造過(guò)程分為3個(gè)階段：低空組裝連接階段、空中提升牽引階段和高空張拉成型階段.低空組裝連接時(shí),近地面處組裝內(nèi)拉環(huán)、脊索、斜索、環(huán)索和壓桿,形成無(wú)應(yīng)力狀態(tài)的索穹頂機(jī)構(gòu).然后,以外環(huán)梁為支座,交替提升、牽引外環(huán)脊索和內(nèi)拉環(huán),直到外環(huán)脊索與外支座連接就位,此為空中提升牽引階段.最后,在高空主動(dòng)張拉外環(huán)斜索,直至索穹頂結(jié)構(gòu)成型.

預(yù)應(yīng)力鋼拉板索穹頂模型模擬分析的施工過(guò)程采用與無(wú)錫新區(qū)科技交流中心索穹頂相同的建造過(guò)程,著重分析空中提升牽引階段和高空張拉成型階段.為節(jié)約計(jì)算資源、減少分析時(shí)間,鋼拉板構(gòu)件采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,其他構(gòu)件采用桿單元模擬.根據(jù)第2節(jié)中確定的方法,建立預(yù)分析模型(見(jiàn)圖3).根據(jù)施工中工況1的位置來(lái)設(shè)置提升索、牽引索和張拉索各10根,長(zhǎng)度見(jiàn)表1,采用NDFEM法進(jìn)行初始平衡態(tài)找形分析,形成施工過(guò)程正分析的初始模型.以初始模型為基礎(chǔ),根據(jù)施工過(guò)程順序,采用NDFEM法進(jìn)行分析.分析工況見(jiàn)表1,并將前一個(gè)工況收斂的模型作為下一個(gè)工況分析的基礎(chǔ)模型.

圖3　預(yù)應(yīng)力鋼拉板索穹頂預(yù)分析模型

工況牽引索原長(zhǎng)/m提升索原長(zhǎng)/m張拉索原長(zhǎng)/m外斜索放長(zhǎng)/mm階段014.017.02.0200預(yù)分析114.017.02.0200提升牽引211.515.02.0200提升牽引39.013.52.0200提升牽引46.512.82.0200提升牽引54.512.32.0200提升牽引62.511.82.0200提升牽引71.011.42.0200提升牽引811.42.0200提升牽引91.6200牽引張拉索101.2200牽引張拉索110.8200牽引張拉索120.4200牽引張拉索13200牽引張拉索14160張拉外斜索15120張拉外斜索1680張拉外斜索1740張拉外斜索1820張拉外斜索190張拉外斜索

3.3分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)施工過(guò)程分析,關(guān)鍵工況下的靜力平衡位形見(jiàn)圖4,關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)相對(duì)支座的標(biāo)高變化曲線見(jiàn)圖5.由圖可知,在提升牽引階段(工況1～工況8),鋼拉板索穹頂?shù)奈恢酶叨妊杆偬嵘?結(jié)構(gòu)體系整體處于懸垂?fàn)顟B(tài),鋼拉板呈現(xiàn)ω形,其他索桿構(gòu)件懸掛在鋼拉板下,處于穩(wěn)定位形.在牽引張拉索階段(工況9～工況13),鋼拉板索穹頂與外環(huán)支座相連就位,隨著外斜索逐漸靠近外環(huán)支座,直至與外環(huán)支座相連,鋼拉板索穹頂位形處于調(diào)整狀態(tài),從ω形轉(zhuǎn)變?yōu)閙形.張拉外斜索時(shí),位形逐漸達(dá)到設(shè)計(jì)態(tài)位形,工況17后,結(jié)構(gòu)處于剛化狀態(tài),預(yù)應(yīng)力分布逐步達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài),最終形成具有一定剛度且能承受外荷載的空間結(jié)構(gòu).

圖4　關(guān)鍵工況靜力平衡態(tài)位形

圖5　關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)相對(duì)外環(huán)的標(biāo)高變化曲線

提升索力、牽引索力變化曲線見(jiàn)圖6,外環(huán)斜索力和外環(huán)鋼拉板軸力變化曲線見(jiàn)圖7.施工過(guò)程中,鋼拉板最大應(yīng)力變化曲線見(jiàn)圖8.由圖可知,在提升牽引階段前期(工況1～工況6),提升索和牽引索與水平面的夾角逐漸減小,索力緩慢增大；工況7下,提升索與水平面夾角非常小,提升力增加顯著,達(dá)到峰值；工況8下,提升索保持不變,牽引索將鋼拉板外端點(diǎn)牽引就位,故牽引索力達(dá)到峰值,條形鋼拉板與外環(huán)支座連接后,結(jié)構(gòu)整體重量由條形鋼拉板承擔(dān),提升索力下降.工況1～工況16下,外斜索力和鋼拉板軸力保持在較低水平；工況17下,內(nèi)環(huán)鋼拉板開(kāi)始受拉,初步形成鋼拉板索穹頂整體結(jié)構(gòu)；進(jìn)一步張拉外斜索,外斜索力和外環(huán)鋼拉板軸力迅速增加,直至結(jié)構(gòu)完全成型.在提升牽引過(guò)程中,條形鋼拉板應(yīng)力保持在30 MPa左右.當(dāng)結(jié)構(gòu)開(kāi)始剛化時(shí),鋼拉板應(yīng)力迅速增加；達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí),應(yīng)力達(dá)到峰值256.7 MPa,鋼拉板一直處于彈性狀態(tài).

圖6　提升索力和牽引索力變化曲線

圖7　外環(huán)斜索和外環(huán)鋼拉板軸力變化曲線

圖8　鋼拉板最大應(yīng)力變化曲線

文獻(xiàn)[14]采用索桿有限元模型對(duì)無(wú)錫新區(qū)科技交流中心索穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工過(guò)程分析,取得了較好的應(yīng)用效果.本文采用梁?jiǎn)卧M條形鋼拉板構(gòu)件,進(jìn)行鋼拉板索穹頂?shù)氖┕み^(guò)程分析.為比較不同單元類(lèi)型對(duì)脊索模擬分析結(jié)果的影響,分別提取了這2個(gè)模型在相同施工工況下壓桿頂點(diǎn)相對(duì)于脊索外端點(diǎn)與內(nèi)拉環(huán)頂點(diǎn)連線中點(diǎn)的標(biāo)高差值,以反映2個(gè)模型脊索位形的差異,結(jié)果見(jiàn)圖9.由圖可知,在提升牽引階段,結(jié)構(gòu)完全處于松弛狀態(tài),該差值較大,即采用梁?jiǎn)卧M的鋼拉板構(gòu)件位形與采用桿單元模擬的脊索構(gòu)件位形具有明顯差異.隨著整體結(jié)構(gòu)逐漸就位成型,結(jié)構(gòu)剛度逐漸增大,特別是結(jié)構(gòu)開(kāi)始剛化后,該差值逐漸變小.結(jié)構(gòu)完全達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí),構(gòu)件預(yù)應(yīng)力較大,這2個(gè)模型的脊索位形幾乎無(wú)差異,說(shuō)明采用梁?jiǎn)卧M鋼拉板構(gòu)件進(jìn)行鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu)的施工全過(guò)程分析具有較高的可行性.

圖9　不同模型壓桿頂點(diǎn)相對(duì)標(biāo)高差值圖

4　結(jié)論

1) 將常規(guī)索穹頂結(jié)構(gòu)上層脊索替換為條形鋼拉板,形成新型預(yù)應(yīng)力鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu).條形鋼拉板與上部剛性屋面連接構(gòu)造簡(jiǎn)單,降低成本,利于剛性屋面索穹頂結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用.該結(jié)構(gòu)在未張拉時(shí),呈柔性狀態(tài),能夠利用現(xiàn)有預(yù)應(yīng)力技術(shù)及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)安裝方式實(shí)現(xiàn)無(wú)支架安裝,符合綠色施工的潮流,具有較高的應(yīng)用價(jià)值.

2) 進(jìn)行新型預(yù)應(yīng)力鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu)施工過(guò)程分析時(shí),采用梁?jiǎn)卧M鋼拉板構(gòu)件,基于NDFEM法的逆施工過(guò)程分析方法無(wú)法適用于鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu).針對(duì)鋼拉板構(gòu)件的特點(diǎn),通過(guò)建立預(yù)分析模型,確定初始形態(tài),實(shí)現(xiàn)基于NDFEM法的鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu)正施工過(guò)程分析.該方法能夠較好地確定鋼拉板索穹頂在各施工工況下的位形,分析內(nèi)力結(jié)果,具有較好的應(yīng)用效果.

3) 基于實(shí)際索穹頂工程,確定了新型預(yù)應(yīng)力鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu)模型,并進(jìn)行了提升牽引和張拉過(guò)程分析.在整個(gè)施工過(guò)程中,鋼拉板索穹頂位形經(jīng)歷了懸垂?fàn)顟B(tài)、調(diào)整狀態(tài)和剛化狀態(tài),從最初的ω形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閙形,最終達(dá)到索穹頂設(shè)計(jì)態(tài)位形.條形鋼拉板構(gòu)件在整個(gè)施工過(guò)程中均保持彈性狀態(tài),且最終位形與索桿單元模擬的脊索位形相差不大,進(jìn)一步證明了新型預(yù)應(yīng)力鋼拉板索穹頂結(jié)構(gòu)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.作者簡(jiǎn)介: 管東芝(1989—),男,博士生;朱明亮(聯(lián)系人),男,博士,講師,zhumingliangseu@163.com.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51308105)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目、江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(KYLX_0149,KYLX_0152).

引用本文: 管東芝,朱明亮,郭正興,等.預(yù)應(yīng)力條形鋼拉板索穹頂及施工全過(guò)程分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,46(5):1051-1056. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.026.