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1、第八届伞困现代结构工程学术研讨会 2 0 0 8 奥运会羽毛球馆弦支穹顶结构支座 约束条件施工仿真分析宰 张爱林王敬仁 北京J ：业大学建T 学院，北京1 0 0 1 2 4 ) 提要：弦支穹顶结构属了预应力钢结构新兴结构目前对其研究尚不深_ 入，尤其施工过程仿真分析的研究更足少之又少。本文对 2 0 0 8 奥运会羽毛球馆弦支穹顶结构和另一种无环粱桁架的弦支穹顶结构两种计算模型计算比较。通过对模拟分析所得的 结果对比分析可知，弦支穹顶结构存施工过程巾对边界支座约束条件要求较低，同时弦支穹顶结构边环粱的存在也削弱了 弦支穹顶结构在施1 二过程中支座约束条件改变对结构产生的影响。 关键词：弦支穹
2、顶，施工模拟，支库约束，仿真分析 一、刖吾 由于弦支穹顶结构属于预应力钢结构新兴结构，目前对其研究尚不深入，尤其施工过程仿真分析的研究更是 少之义少。相关文献指出对j 二预应力网壳结构来说，支座约束在一定的范围内不会引起网壳内力和位移的较大 变化。在此理论基础上，本节研究史进一步，完全释放弦支穹顶结构某个方向支座约束，在此条件下研究结构 位移和内力的变化。 预应力弦支穹顶结构，整体焊接、张托施工T 程中，边界约束条件对其力学性能影响是作为施工阶段主要考 虑的因素之一，合理的约束条件可以减少结构局部的应力突变和将衙载的合理、有效的传递荷载给下部结构，从 而减少对下部结构的不利影响。在此节，将分别
3、使用两个计算模犁的支座分别施加两种不同的约束条件进行施工 全过程模拟分析，比较弦支穹顶结构不同约束条件下对起拱值及杆件内力的影响。 为了更为全面的考虑支座约束条件对不司弦支穹顶结构的影响，本章采用两种计算模型来比较分析，模型一 为2 0 0 8 奥运会剁毛球馆弦支穹顶结构，共设置5 道环向索，环向索穿过撑杆下部的索承节点与结构相连。径向 拉杆一端通过耳板与索承节点柑连，令一端利用耳板阎定在网壳的球节点处。外挑部分采用变截面焊接H 型钢 梁并在腹板开圆形洞口。内外部结构通过三角环桁架相连。弦支穹顶的环桁架通过下弦节点与下部的混凝土柱子 固接。羽毛球馆钢屋盖设计模犁细J 右图l 所示u 1 。：模
4、型是跨度1 8 m ，矢跨比l 6 简单计算模型。只存在一圈 环索和径向钢拉杆，具体的环索和撑杆的连接方式仿照模犁2 。计算模型见图5 所示。模型一和模型二的区别在 于整个弦支穹顶结构有没有外围环粱桁架，模犁一外圈有刚度很大的环梁桁架的存在，而模型二的弦支穹顶结构 没有环梁桁架的束缚；出于建模和分析的方便，本文采用两种有限元分析软件建模分析。模型一采用有限元分析 软件A N S Y S 建模分析，模型二采用工程设计分析软件M I D A S 建模分析。 模型介绍及支座约束条件 为了释放约束的方便，模型一采用有限元分析软件A N S Y S 建模分析，在建模分析时候，最大程度的释放整 体结构在施
5、上张拉过程中限制其结构位移的约束条件，即释放径向滑动约束U X 和环向转动约束R O T Y ，具体释 放状态见图1 所示： 固家自然科学摹金资助项目( U A H 编峙5 0 6 7 8 0 1 2 ) ；北京市科委科技奥运专项资助项目( 项目编号Z O O O S I g l 0 4 0 t 1 1 ) ( 0 5 0 0 4 3 1 1 2 0 0 6 0 I ) 1 6 8 j t 京市拔尖创新人才资助项目 工q k 建筑2 0 0 8 增刊 第八届全国现代结构工程学术研讨会 ( a ) 所取径向杆件编号示意图 ( b ) 所取环向杆件编号示意图 固4 所取杆件示意图 ( 二) 模型二
6、介绍及支座约柬条件 为了方便计算和后续分析，模型二采用工程设计分析软件M I D A S 建模分析。模型二跨度为1 8 m ，矢高为 3 m 的弦支穹项结构，矢跨比为i 6 ，采用一道预应力环索。模型中整个上部网壳结构没有刚度很大的环梁桁架的 束缚，上部结构为单纯的网壳结构。 图5 所示为模型二全约束状态，图中黑点部分为支座及其约束方式。 稀渊 燃燃 ( a ) 支座全约束状态( b y 支座全约束标志 图5 模型二释放支座环向转动约束R O T X 状态 图中黑色部分表示支座及其约束方式，缺E l 表示相应的约束释放标志。由于结构模型二跨度比较小，刚度不 大，所以只释放了网壳边缘环向转动约束
7、R O T X 见图6 所示。 1 7 0 ( a ) 释放支座约束状态( b ) 释放支座约束标志 图6 模型二释放支座环向转动约束R O T X ， 工业建筑2 0 0 8 增刊 第八届全国现代结构工程学术研讨会 三、模型一施工模拟分析 由于是施工阶段模拟分析。在此章节及本文的其他章节分折中，除结构自重外，没有给结构施加其他的荷 载，所以有些节点的位移很可能偏大，或某些杆件的应力会很小，这都是很正常的，但是整体结构都是在充分考 虑使用安全的前提下设计的。 ( 一) 各圈捧杆上节点起拱值对比分析 本节所参考的网壳节点去撑杆上节点，取其竖向位移( 起拱值) 作为分析对象。其中正值为向上位移，负
8、 值为向下位移。具体分析结果见图7 所示。 从以上的结果分析可以看出，结构在边界约束条件改变的前提下，撑杆项部的节点竖向位移( 起拱值) 相 差很小，大都在2 m m 以内，为跨度的1 t 4 6 5 0 0 ，基本上可以认为边界条件的改变对此结构没有影响。 ( = ) 上部网壳杆件内力值对比分析 在此节中，具体分析比较上部网壳部分杆件在施工过程中轴力值和杆端弯矩在支座约束改变条件下对比分 析，具体分析结果见图8 、9 所示。其中轴力值为正表示杆件受拉，负值为受压；杆端弯矩使杆件下部受拉为正， 上部受拉为负。其中奇数号杆件是径向杆件，偶数号杆件是环向杆件，具体杆件编号及位置见图4 中所示。 从
9、对比分析中知，由于边桁架存在，网壳杆件内力在施工过程中几乎不受支座条件改变的影响。 ( 三) 径向钢拉杆轴力值对比分析 在弦支穹顶结构中，预应力索作为主要的标志性构件，其索力值是结构施工过程模拟分析的重要对象，索 力值的变化同样可以作为实际施工过程中重要的检测指标。由于环向杆件和径向杆件通过索撑节点相连接的，在 实际工程中，索撑节点的摩擦力比较复杂，往往都是通过径向钢拉杆的内力反算得出，这样可以避免由于索撑节 点摩擦力而引起的数据误差。所以此节也将径向钢拉杆的内力作为分析的对象，通过钢拉杆的轴力值可以计算得 出相应的各环向索段的轴力值。见图1 0 所示对比分析。 睫 “ 曩” ” 龟 _ 犯-
10、 n 事守。999 $ $ 节点号 。 ( a ) 第一圈撑杆上节点竖f 磁移( l I I ) ， ( ”第二圈撑杆上节点竖向位移O 姗) 工业建筑2 0 0 8 增刊 r _ 0 毒毒毒守s 毒母毒粤毒 _ - 懈 ( c ) 第三圈撑杆上节点竖向位移( 盯咖) 1 7 1 O O O O O O O 0 O 0 O 0 5 4 3 2 l O 3 3 3 3 3 3 目一搀掣足取 第八届全国现代结构工程学术研讨会 一1 6 6 5 0 1 1 6 6 赫1 6 5 5 0 皿1 6 5 呻 脚1 6 4 5 0 _ ：2 0 2 5 0 1 = 2 0 2 锋2 0 l 。2 0 10
11、0 嚣2 0 0 加 1 4 0 0l 如4 0 4 吣1 4 0 81 4 0 91 4 1 2 川l l i 61 4 1 7i 蜘蚴| 4 2 5+ 删p p p 节矗 + n 点号。 ( d ) 第四圈撑杆上节点竖向位移0 哪)( e ) 第五圈撑杆上节点竖向位移( 唧) 图7 模型二撑杆上节点竖向位移 言H _ 一咀傅 - ，- 7 9 _ 1 n - l - B l I _ m _ 日t nH 扦* 2 - 4 BT * 9 1 3m * a H 4 * # 畔 图8 模型一上部网壳部分杆件轴力值对比图9 模型一上部网壳部分杆件轴力值对比 ( a ) 第一圈钢拉杆轴力( K N )
12、 i i i 自i ； ；i i i 5 镳；5 ：；j ； ；i5 ( b ) 第二圈钢拉杆轴力( K N ) 奠 w 知 知 h - 期 m il ；i ；i ；i ；ii iiiii ；ii ；i ；8 删 ( C ) 第三圈钢拉杆轴力( K N ) 工业建筑2 0 0 8 增刊 第八届全国现代结构工程学术研讨会 I t l t nS J 7 _ I 唧I ! I 节l I l n 毒毒毒毒$ 毒毒氯毒毒毒毒毒毒 ( d ) 第四圈钢拉杆轴力( K N ) ( e ) 第五圈钢拉杆轴力( K N ) 圈1 0 模型一钢拉杆轴力值对比 四、模型二施工模拟分析 网壳位移参考节点 ( 一) 节
13、点起拱值对比分析 在模型_ 中。所取嘲壳上部节点位置见右图l l 中所示： 模拟张拉施工结束后，通过提取上图1 1 所示网壳节点竖向位移，对比分析位移差值可得到下图所示节点位 移值比较折线图1 2 所示： & 0 a 0 L O o D 3o o o 2 吣O 1 0 0 0 O o o o 1 0 呻 20 0 0 3e 0 0 - 4 0 口o o o O 723t5B1 2 1 31 4 1 5 l B 1 71 8l 目_ g1 01 1 节点号 72345 1 21 31 41 51 61 71 01 9B 目1 0I 节虚号 ( a ) 网壳节点竖向位移( 单位：肿)( b ) 网
14、壳节点竖向位移值( 单位：m m ) 图1 2 模型二网壳中心部分节点竖向位移 有上述分析比较可知，在不同约束条件下，模型二节点竖向位移值有较大的变化，最大相差近8 m m ，为跨 度的1 2 2 5 0 ，由于此模型跨度较小，刚度较大，这种起拱值变化量不可忽视。 1 - - - ) 径向钢拉杆轴力对比分析 有上述分析可知，由于模型所释放的约束R O T X 是结构施工过程中对整体结构约束作用较大的，分析过程 中未旖加上部 荷载，是最理想的施工条件下。释放了支座约束R O T X ，相较于伞约束预应力索力值有大幅下降，降幅最大 工业建筑2 0 0 8 增刊 m m 啪 雄毫显崩 第八届全国现代
15、结构工程学术研讨会 达到1 0 0 K N 。具体分析见图1 3 所示： 五、本章小结 图1 3 径向钢拉杆轴力值( 单位：K N ) 综上分析可知，有文献【l 】知，支座约束变化在一定的范围内变化时不会引起网壳内力和网壳节点位移的较 大变化。与此同时，也要考虑上部网壳结构边梁刚度的影响。对于边梁刚度较大的弦支穹项结构来说，尤其是边 梁为桁架形式时，环桁架的存在极大地降低了支座约柬条件改变在张拉施工过程的中对结构的起拱值及杆件内力 的影响；反之，若无环梁桁架或是边粱的刚度较小条件下，支座约束条件改变对结构在施工过程中内力及起拱值 的影响明显增大。可以这样认为，边环梁的存在削弱了弦支穹顶结构在施工过程中支座约束条件改变对结构产生 的影响。 因此，在实际工程中，一般的弦支穹顶结构都有环梁结构，为了减小其对下部结构的某个方向的不利作用， 可以考虑释放边界条件的约束，却不会因此而产生对此弦支穹顼结构内力产生显著的影响，达到方便施工减少施 工误差的目的 参考文献 ( 1 ) 陆赐螺，尹思明，刘锡良现代预应力钢结构北京：人民交通出版社，2 0 0 3 年1 2 月。 ( 2 ) 张国军，葛家琪，秦杰等2 0 0 8 奥运会羽毛球馆弦支穹顶结构预应力张拉模拟施工过程分析研究 J 建筑结构学报，2 0 0 7 2 8 ( 6 ) ：3 1 - 3 8 工业建筑2 0 0 8 增刊
