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1、第十三届全国混凝土及预应力混凝土学术会议论文2 0 0 5 年提篮拱吊杆拉索网架空间结构施工分析杨建中王霓余立荣李霆刘炳清( 建研科技股份有限公司深圳分公司深圳5 1 8 0 5 7 )( 中南建筑设计研究院武汉4 3 0 0 0 0 )提要长江洞庭湖模型试验大厅采用了提篮拱、吊杆和拉索网架组合成的新颖空间结构，其网架拉索和拱吊杆的张拉施工复杂。本文介绍了预应力拉索张拉施工严格按照设计思路，通过A N S Y S 有限元程序计算，分析了张拉互相影响，确定了张拉顺序、次数和张拉力，为施工提供了一个科学准确的理论依据和指导。关键词提篮拱、吊杆、网架、拉索、预应力张拉施工、有限元分析1工程概况提篮拱
2、+ 吊杆是拱桥结构常用的结构形式，而网架+ 下弦水平拉索是建筑结构中解决大跨的有效方法。在长江干流洞庭湖模型试验大厅工程中，中南建筑设计研究院创新地把这两种拉索结构形式有机结合起来，实现了9 0 X 4 5 4 8 m 超大型建筑结构室内无一根柱子的建筑要求，为长江委员会的水利试验提供了一个一流的场地。设计首先采用下弦水平拉索抵消网架支座的水平推力实现五个9 0 m 跨屋面；然后通过四个矢高4 5 m 的提篮拱，每个伸出2 6 根吊杆作为两侧双向网架的支座。整个结构无论从室内还是外观都非常壮观宏伟、结构形式新颖，富有时代气息。图一为结构平面布置图和立体图。图1 结构平面由于提篮拱吊杆拉索网架空
3、间结构富有创意，结构复杂而且工程大型，而拉索张拉又是整个结构的关键和难点。所以施工前必须严格按照设计要求，结合实际情况制定出可行的施工方案，通过有限元计算分析确定张拉顺序、张拉次数、张拉力及其变化以及结构反应，保证能达到实际要求和结构安全才能进行张拉施工。杨建中，男。1 9 7 7 8 出生，工学硕士，工程师世界银行贷款资助项目2 3 0 第十三届全国混凝土及预应力混凝土学术会议论文2 0 0 5 年2拉索张拉施工方案及验算思路和重点2 1 设计思路决定施工方案和验算根据设计思路，单片网架为9 0 m 跨，四边设竖向刚性支座( 盆式橡皮支座以及吊杆只提供竖向约束，允许一定的水平位移) ，在9
4、0 m 跨起拱方向采用下弦拉索抵消拱的水平推力，由此形成了独立的双向屋面体系。从结构而言，五片网架的四边支座都可以用柱子实现，但由于建筑要求结构纵向无中柱，通过采用提篮拱吊杆体系取代了结构横向的柱子来实现相应的支座功能。由此，设计明确提出了以下施工要求：1 ) 网架下弦拉索张拉可在屋面系统安装前进行，此时张拉前网架跨中可不设临时支承，亦可在屋面系统安装后进行；2 ) 网架下弦拉索张拉完毕、屋面系统及参观廊道全部施工完毕、跨中临时支承( 不包括吊杆下端点处的支撑) 全部拆除后才进行吊杆张拉。3 ) 各吊杆张拉力控制条件：a 各吊杆张拉力达到结施图纸中的设计张拉力值；b 吊杆下的临时支承不再承受网
5、架的重量。根据设计思路，制定出拉索施工方案，详见H 12 2 验算要点1 ) 张拉顺序和先后索力影响受实际条件约束，拉索施工必须分先后张拉。由于受结构空间整体性的影响，后张拉的索将对先张拉的索力有影响。所以，要使全部拉索张拉完毕后的索力达到设计索力目标值，必须先确定张拉顺序，再通过验算对张拉过程中的相互影响迸行分析，最后算出张拉值。施工张拉值相当于设计目标值会有超张拉或少张拉两种情况，主要由张拉顺序和张拉次数决定，施工中尽量减低超张拉或少张拉的幅度。2 ) 一次张拉和多次张拉张拉可分为一次张拉和多次张拉两种。次张拉和多次张拉都需要考虑先后张拉的相互影响，只是程度不同而已。张拉次数越多超张拉越小
6、，施工风险固然越小。但是，多次张拉要求的施工人力、设备台班、以及施工时间都是按一次张拉的倍数计算，由于受到现场施工进度需要和其他条件约束，难以进行多次张拉。所以，在保证结构安全的前提下尽量减少张拉次数。在准确的有限元计算分析的前提下，一次张拉是完全可以达到设计要求的。所以，初步确定网架下弦拉索和提篮拱吊杆都采用一次张拉的方法进行，根据施工情况需要作调索张拉。按一次张拉的施工方案进行验算。3 ) 施工过程的模拟在拉索张拉施工过程中，结构是分阶段参与工作的。结构位置不同，参与工作的先后和程度有很大的差别。这些施工过程中，结构构件中建立的应力效应和变形在时间上是有连续性的。为此，我们利用A N S
7、Y S 程序的单元生死功能，连续地模拟了施工的进行过程，即对张拉施工过程进行了施工各工况的全程跟踪模拟分析。勰l 第十三届全国混凝土及预应力混凝土学术会议论文2 0 0 5 年4 ) 杆件的物理力学性质、几何属性均与设计要求一致。网架的各杆件采用L i n k 8 单元模拟；预应力拉索和吊杆采用L i n k l O 只拉单元模拟；球节点采用转换后集中节点荷载模拟；屋面的恒载采用转换后集中节点荷载模拟；提篮拱依据杆件的实际约束及转动条件分别用B e a m l 8 9 及L i n k 8 单元模拟；采用l i n k 8 单元，弹模为混凝土的弹模来模拟地梁；采用只压不拉l i n k l O
8、 杆件单元模拟支撑。以下以A 2 网架和拱2 为例，分别介绍水平拉索和吊杆的验算，图3 图6 为计算模型。图3A 1 网架计算模图4拱2 ( 拱4 ) 计算模型图5拱2 ( 拱4 ) 计算模型b图6拱2 ( 拱4 ) 计算模型c3 网架拉索张拉分析3 1 模型、边界条件和目标索力9 0 X 9 9 m 双向网架屋面体系本身作为独立的体系，吊杆只在竖直方向提供竖向支撑，相邻两个区网架通过柔性吊杆和提篮拱联系，它们在正常施工的情况下相关性很小，可以视为分离的。所以，网架下弦拉索的施工验算可分开各区独立建模计算。张拉预应力拉索时，吊杆还没有安装就位。为结构的稳定及变形考虑，必须在吊杆处设置若干支撑胎
9、架。同时考虑到预应力的张拉必然引起一定的位移，因此网架与柱的连接，2 3 2 第十三届全国混凝土及预应力混凝土学术会议论文2 0 0 5 年以及网架于胎架的连接均仅提供竖向的约束，而不限制水平面内的位移。在有限元模拟中所有支座以限制支撑点的竖向位移来模拟。其中计算不考虑跨中的脚手架支撑以及网架跨 中的三根拉索限位竖杆。设计提供在网架结构自重、屋面系统、天窗、天沟、马道等恒荷载作用下的目标索力为6 2 0k N 。实际张拉在只有网架结构自重的情况下进行，需要通过计算确定在该工况下所需的索力值。3 2 张拉顺序及张拉力结果网架拉索张拉采取从中间开始向两边同时对称推进的顺序。每个区分为四对拉索，以网
10、架A 2 的拉索张拉验算为例。表1A 2 网架水平拉索张拉值及张拉过程索力变化3 3 结果分析，稳定验算1 ) 拉索张拉力及索力变化分析从结果看出，后张的索对先张的索的索力有一定幅度的影响，尤其以边索的张拉影响最大，也即在考虑施工张拉顺序前提下确定各根索所需要的张拉索力是完全有必要的。同时，超张拉幅度最大小于5 O ，证明该网架体系中拉索索力相关性不大。另外，从在网架自重下张拉完全部拉索后的索力到上屋面荷载后的索力变化分析，索力从6 1 0 K N 左右增加到6 2 0 K N 。一方面反映了屋面荷载对下弦拉索的影响，另一方面也反映了拉索作为9 0 m 跨的水平支座有足够的刚度提供有效抵抗网架
11、的水平推力作用。结果表明，张拉完成后拉索轴力值分布的离散性极小，且与原设计索力( 6 2 0 k N ) 最大偏差量不足0 2 ，达到设计要求。2 ) 位移结果分析网架自重作用下的网架跨中竖向位移为6 4 1 衄，全部拉索张拉完后变为2 8 8 啪，拉索的张拉对网架的竖向挠度是明显减轻的。这证明了拉索张拉能有效减小结构的变形。上 屋面荷载后网架跨中竖向位移为4 6 1 m ，满足规范要求。另外，网架水平面内无论是纵向位移还是横向位移都非常的小，最大值约为7 舢，且呈对称分布。由此结构的总变形基本上由竖向位移控制。3 ) 网架杆件安全分析网架杆件应力虽然随张拉的进行而稍有增大，但总的应力值较低，
12、最大拉、压应力均2 3 3 第十三届全国混凝土及预应力混凝土学术会议论文2 0 0 5 年不到1 2 0 M p a 。另外，通过稳定性验算发现原设计中个别压杆会发生失稳，并对此进行了更换。以上分析结果说明，该拉索张拉方案能达到设计要求，能保证网架结构安全，是可行的。4 提篮拱吊杆张拉分析4 1 模型、边界条件和目标索力设计通过采用提篮拱吊杆体系取代了结构横向的柱子来实现相应的支座功能，所以张拉吊杆时吊杆端点处的网架节点的竖向位移理论上应该为零。这样对于网架来说整体变形理论上也应该为零。但由于实际施工过程中需要超张拉，吊杆拉力超过支座反力后，节点附近的网架杆件必然会发生变形，此时形成了网架吊杆
13、提篮拱桁架的复杂空间体系。为了准确分析该体系在整个张拉过程中的协同工作，求出准确的张拉力，吊杆的施工验算建立“网架+ 吊杆+ 拱+ 吊杆+ 网架”模型计算( 由于吊杆张拉过程中网架远端基本没变形，所以只取提篮拱相邻两片网架即可) 。根据设计要求，提篮拱吊杆目的是要取代网架支座，相应有如下两点要求：1 ) 设计提供的是网架支座反力为网架在结构自重、天窗、天沟、马道等荷载作用下的支座反力，要求吊杆在上述情况下实现支座取代。所以，吊杆张拉时必须在上述荷载情况下进行。2 ) 网架支座应为竖向刚性，这是网架设计的前提，也是确定吊杆张拉力所必须满足的条件。4 2 张拉顺序及计算结果吊杆张拉必须严格按照同时
14、4 根拉索对称进行，张拉可从中间向两边推进或从两边向中间推进。通过反复试算发现，后者超张拉幅度较小，吊杆下节点位移较小，较为接近设计要求，所以选定从两边向中间同时4 根吊杆对称张拉的张拉方案。网架编 吊杆号号工序1工序2工序3工序4工序5工序6工序7l。鬻嚣g 唾9 84 8 4 1 43 6 5 6 33 6 4 0 54 8 2 4 06 2 2 2 86 5 9 2 120 ：6 1 8 3 8 _4 2 0 2 93 3 3 0 13 4 9 8 24 1 6 3 94 4 1 0 1300i 、9 5 1 8 垂鬟7 2 4 9 56 0 9 6 25 9 9 1 36 0 3 6
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