常德芦荻山收费站全张拉索膜结构预应力施加数值模拟与施工监测
发布时间:2019年9月16日 点击数:2061
0 引言
随着我国经济和土木工程科学技术的不断进步, 人们对建筑外观和使用功能提出艺术美感和大空间的要求。近年来, 形态各异的大跨度空间结构已广泛应用于大型体育场馆、会展中心、大剧院和机场车站等建筑中, 大跨度空间结构的形式从网架、网壳发展到预应力网格结构、空间管弦结构、索膜结构、全张拉预应力结构、索穹顶结构等新型结构形式。其中, 全张拉索膜结构是一种全新结构形式, 充满张力且富于变化的曲面, 梭形状钢桅杆、预应力拉索及定型设计的铸钢节点等充满现代气息的建筑技术, 为建筑设计提供了广阔的想象空间和功能体现。
全张拉索膜结构的全过程施工方案及预应力施加对构件内力、变形及整体稳定性有显著的影响
1 工程概况
1.1 工程简介
常德芦荻山收费站罩棚采用桅杆支承式全张拉索膜结构体系, 整个曲面呈对称的双曲抛物面, 利用大跨度张拉结构的力度美来表现建筑美, 达到建筑与结构的统一, 建筑效果如图1所示。建筑平面呈内凹的曲壳形状, 最大跨度为90.1 m, 跨中净高为12.1 m, 两侧立4根梭形钢桅杆, 桅杆高度为32.226 m, 中间内凹的曲线为边环索束, 每根桅杆顶部交叉下拉7根吊索, 与环边索拉结和文字架联系索连接。罩棚对称轴处设置谷索, 谷索与边环索之间用联系索连接, 索与索之间采用铸钢节点连接, 每根桅杆顶部外侧有4根下拉背索与外侧的锚座连接, 边环索、吊索、联系索、桅杆和下拉索共同组成了空间张拉索系, 基础和锚座设置在收费站两侧, 中间无需一根立柱, 整体结构轻盈飘逸, 力感十足。
根据整个结构的受力特点, 该结构形式分为主结构和次结构两个部分。主结构由钢桅杆、钢桅杆上吊索、钢桅杆上背索及边环索组成;次结构由谷索和联系索组成。4根梭形柱立柱截面采用φ480×30, 横杆及斜腹杆截面采用φ219×12, 梭形柱的长度为26.1 m。中间文字架主杆件截面采用φ273×12, 斜腹杆截面采用168×8, 钢构件材质为Q345B, 桅杆顶端铸钢节点采用G20Mn5QT, 预应力钢索材料采用双层PE保护套, 锚具采用热铸锚具的索头, 钢索内钢丝直径采用7 mm和5 mm两种规格, 环索截面采用φ7×379和φ7×649, 吊索截面采用φ5×199, 联系索截面采用5×55, 采用高强度普通松弛冷拔镀锌钢丝, 抗拉强度不小于1 670 MPa, 屈服强度不小于1 410 MPa, 钢索抗拉弹性模量不小于1.9×105MPa。整个罩棚结构构成见图2。
图1 常德芦狄山收费站效果Fig.1 Rendering of Changde Ludishan toll station 下载原图
图2 收费站罩棚整体结构Fig.2 The whole structure of toll station awning 下载原图
1.2 结构体系的受力机理
该结构主要通过受压的梭形钢桅杆作为主撑力点, 桅杆下拉7根吊索与边环索连接, 下拉4根背索与后背锚墩连接, 边环索通过边锚墩拉结形成整体, 后背锚墩与基础连成一体, 桅杆底部座在主锚墩上, 单根桅杆传至主锚墩的压力为8 000 k N, 同步张拉后背索形成主结构, 如图3所示。次结构由联系索和谷索组成, 次结构联系索与主结构通过铸钢节点相连, 同步张拉两侧谷索形成次结构, 如图4所示。
图3 1/4主结构受力示意Fig.3 Force diagram of 1/4 main structure 下载原图
图4 次结构受力示意Fig.4 Force diagram of substructure 下载原图
由于整个结构为全柔性预应力索膜结构体系, 施工阶段拉索的初始预应力和各节点的位移对结构构件的受力和整体稳定性有很大影响, 通过有限元分析与施工监测对该结构的施工阶段进行分析比较。
2 预应力张拉施工方案
2.1 预应力施工步骤
本结构为空间索杆支撑曲面结构作为收费站的承重结构, 整个屋盖体系由两端钢结构桅杆体系、下部空间拉索体系、膜顶结构、悬挑结构组成, 为全柔性结构体系, 在预应力拉索张拉过程中各构件的相对位移、结构整体变形以及由此引起的结构内力的分析显得尤其关键, 且背索支座最大张拉力为7 000 k N, 索力很大, 结构控制点的位移监测也必须贯穿于整个施工过程中。采用MIDAS/Gen有限元分析软件对整个施工过程进行了模拟, 计算出了各个施工阶段结构的内力, 制定相应的张拉施工方案。张拉方式主要是对称张拉两边背索BS-1支座和BS-2支座, 最后张拉谷索就位的方式进行整体张拉, 张拉背索时, 采用加垫钢套筒的方式进行张拉, 为了保持支座锚杆受力均匀, 采用边对称张拉锚杆, 边紧固螺栓的方式, 千斤顶下方钢套筒采用了开口做法, 方便紧固螺栓, 至张拉完成, 张拉过程中, 同步紧固支座上的其他螺栓, 达到同步受力完成的效果。具体张拉步骤如下:
第1步:同步张拉BS-1、BS-2到位, 直至到预定索力后锚固好BS-1与BS-2, 如图5所示。
第2步:对称张拉谷索 (GS) , 如图6所示。
第3步:对张拉完成后对主索及膜内支撑索进行调整确保索力达到设计值, 最后撤除脚手架, 如图7所示。
2.2 拉索张拉控制措施
1) 张拉前应对结构锚固点位置、索长等进行精确测量, 根据测量结果再进行调整;2) 因张拉过程结构的刚度变化大, 结构变形大, 因此要确保张拉过程中的同步性与对称性;3) 张拉过程中, 尤其是前期桅杆的倾斜角度大, 因此在张拉过程中要保证桅杆的安全性, 防止桅杆在张拉过程中发生倾覆等安全事故, 4根桅杆均设置4根对称张拉的缆风绳;4) 由于桅杆的转角有限制要求, 在地面安装索提升后与桅杆索相连接再进行张拉;5) 张拉过程中应对结构的受力和变形进行监测, 防止张拉过程中局部变形过大等不利情况。
3 预应力施加仿真分析
3.1 预应力施加方法的确定
对于全张拉预应力索膜结构体系, 施加预应力的方法分为两步:第1步先张拉主结构;第2步张拉次结构。主结构张拉方法有两种选择:1) 同步张拉边环索;2) 同步张拉背索就位。两种预应力施加方法相比:第1种, 优点在于张拉设备和张拉人员较少, 缺点是将后背索安装到位的过程中, 由于边环索没有生根, 主要靠桅杆缆风绳来受力, 本结构由于桅杆倾角较大, 安装完成后桅杆倾角达到18°, 缆风绳在桅杆安装就位的过程中, 力在不断增大, 桅杆就位过程中是动态变化的, 桅杆底部球形支座有滑出的危险;第2种, 优点在于先将边环索安装就位, 在桅杆就位过程中, 固定桅杆的缆风绳的受力是先增大后减小的过程, 其原因是在桅杆就位的过程中, 吊索没有受力之前, 主要靠缆风绳受力, 当吊索受力后, 边环索已生根作为主撑力点, 缆风绳逐渐退出工作, 最终同步张拉后背索将主结构形成整体, 整个主结构成形过程中, 桅杆没有发生倾覆的危险, 缺点为所需要的张拉操作人员和设备较多。综合以上两种张拉方法, 第2种更加安全可靠, 本工程采用第2种方法对主结构施加预应力, 主结构形成后, 再同步张拉谷索使整体结构成形。
3.2 预应力施加的原则
预应力对全张拉预应力索膜结构的受力性能影响较大, 如何合理地确定初始预应力是结构设计中的关键技术点。初始预应力的确定原则为:1) 在各种可能的静力荷载组合下, 拉索不能出现松弛而退出工作状态, 即在各种工况下拉索应当保持拉力, 且不超过规定的应力比;2) 预应力施加完毕后, 结构在正常使用状态下的变形应满足规范要求。本工程经过反复的比较分析后最终确定背索1 (双索合力) 的初始拉力为6 533 k N, 背索2的初始拉力 (双索合力) 为1 630 k N, 谷索 (单根索) 的初始拉力为1 432 k N。
3.3 预应力施加的数值模拟
确定了预应力施加的方法和初始应力后, 需要对预应力的施加过程进行数值模拟。本工程预应力施加数值模拟采用了MIDAS/Gen有限元软件, 同时采用ANSYS软件进行了校核, 计算模型如图8和图9。总的预应力施加顺序为结构先张拉主结构, 即两侧同步张拉背索1和背索2, 待主结构张拉完成即张拉到100%后, 再张拉次结构, 即张拉谷索。主结构和次结构各分为3级对拉索进行张拉, 各分级张拉索力值见表1。
图8 ANSYS有限元模型Fig.8 The ANSYS element model 下载原图
结构全部安装完成后, 结构刚度还没有形成, 钢桅杆的稳定主要依靠缆风绳来保证, 施工过程中, 首先将边环索锚墩采用4台2 500 k N千斤顶张拉就位, 确保边环索临时固定, 形成钢桅杆吊索的主要撑力点, 然后两侧同步张拉背索的同时调节桅杆缆风绳, 由于边环索已安装就位, 因此在张拉背索的过程中, 吊索逐渐取代缆风绳受力, 缆风绳的受力为先增大后减小的过程, 主缆风绳达到最大力1 750 k N后逐渐减小至0。拆除缆风绳后, 主结构刚度形成, 继续张拉两侧背索同时两侧同步张拉次结构的谷索, 至初始状态索力值。预应力施加关键步骤数值分析结果如下:
图9 MIDAS/Gen分析模型Fig.9 The MIDAS/Gen analysis model 下载原图
1) 结构初始刚度形成后, 继续张拉两侧背索, 同时张拉谷索, 将背索1索力调至6 001 k N, 背索2索力调至1 547 k N, 谷索索力调至497 k N, 这时主次结构刚度达到初始张拉状态。
2) 主结构分3级张拉背索, 背索张拉完成后, 边环索已脱离脚手架, 主结构边环索跨中最大位移为109 mm (相对于初始状态) 。谷索跨中最大竖向位移为102 mm (相对于初始状态) 。背索1索力为6 533 N, 背索2索力为1 630 k N;次结构谷索索力为1 121 N, 桅杆最大压应力为117 MPa。
3) 次结构张拉分3级张拉背索, 谷索已经完全脱离脚手架, 结构刚度已基本达到最终状态, 中间次结构竖向最大位移为86 mm (相对于初始状态) , 主结构边环索最大竖向位移为89 mm (相对于初始状态) , 背索1索力为6 802 k N, 背索2索力为1 679 k N;次结构谷索索力为1 430 k N, 桅杆最大压应力为121 MPa。
4 施工监测
4.1 监测目的
该结构为纯柔性结构, 安装完成后, 结构刚度并没有形成, 必须对预应力钢索施加预应力, 使结构获得一个初始刚度, 以便在各种不同的荷载条件下结构任何段索的任一单元均满足强度要求及稳定条件。为达到结构受力均匀且满足设计要求的目的, 对两侧对称的背索和谷索都施加相同的预应力值, 使结构的边环索、吊索和联系索都能受力, 在预应力施加过程中必须进行施工监测。对预应力张拉过程中进行监测的目的有两点:1) 在张拉过程中, 桅杆还没有达到与支座垂直, 是个动态变化的过程, 在设计桅杆时, 主要考虑桅杆是轴向受压杆件, 在张拉动态发展过程中, 由于桅杆角度的变化可能会使桅杆受弯, 致使桅杆出现较大的应力变化, 导致桅杆的局部压应力太大而出现局部失稳破坏。因此需对桅杆受力较大的部位进行应力监测。2) 结构最终位形的控制是全张拉预应力索膜结构体系的主要控制点, 最终成形状态的位形需满足设计要求, 并能使膜结构顺利安装, 确保各节点的相对位置关系准确, 因此在张拉过程中, 需要根据位移监测的数据来指导张拉过程。
4.2 位形监测
4.2.1 监测点布置
位形监测点分别选择两侧边环索各3处, 中间谷索3处, 4根桅杆的顶部各一处, 共13处, 其中具体监测点布置如图10所示。
图1 0 位形监测点布置Fig.10 Displacement layout drawing of monitoring points 下载原图
4.2.2 监测结果
选取边环索跨中测点HS12和HS9、桅杆测点WG1和WG2的监测结果, 如图11所示, 其中横轴表示张拉分级, 竖轴表示节点竖向位移值。
由图11可知:结构竖向位移值总体趋势与数值模拟分析结果相同, 张拉完成后结构实测值与理论值相差在±20%以内;整个结构在张拉完成当天测得的跨中HS12测点竖向位置与理论竖向位置偏差8 mm, HS12测点竖向位置与理论竖向位置偏差12 mm, 张拉完成后3 d测得跨中HS12测点竖向位置与理论竖向位置偏差15 mm, HS12测点竖向位置与理论竖向位置偏差20 mm, 3 d后测得的边环索跨中测点数据与先前数据比较下降了约8 mm, 中间谷索测点数据与先前数据比较下降了约18 mm, 究其原因:1) 整个结构经过3 d的内力重分布, 结构受力趋于均匀稳定, 位移产生下降;2) 边环索大部分节点为铸钢节点, 节点位置偏移量小, 谷索跨中发生的偏移量大是由于联系索与谷索是采用索夹连接, 在张拉完成后, 索夹会发生局部滑移, 造成结构受力变化, 节点位置偏移量大。
图1 1 测点竖向位移理论值与实测值对比Fig.11 The contrast diagram of the theoretical values and the measured values of the vertical displacements 下载原图
4.3 桅杆应力监测
4.3.1 监测点布置
应力监测主要对钢桅杆的应力进行监测, 主要监测点布置在桅杆顶端、中部、下端主管位置, 测点数量为1根桅杆9个测点, 顶端、中部、下端各3个, 4根桅杆共36个测点。
4.3.2 监测结果
3个位置的测点各取1个测点的监测结果见图12。
由图12可知:实测值与数值模拟分析得到的理论值基本吻合, 变化趋势一致;中部节点由于张拉过程中桅杆受弯引起了应力突变, 待受力稳定之后, 应力变化趋势与理论值相吻合, 结构构件最大应力为118.25 MPa, 发生在下端节点处。
4.4 索力监测
4.4.1 监测点布置
桅杆后的背索是结构的重要受力构件, 应进行索力监测;另外对吊索选取DS-1和DS-4进行监测, 测点布置如图13所示, 共20个测点。索力张拉理论目标值如表2所示。
图1 2 桅杆各测点理论应力值与实测值对比Fig.12 The contrast diagram of the theoretical stress values and the measured stress values of the mast 下载原图
注:图中横坐标轴1~3分别表示背索张拉第1级、第2级、第3级;4~6分别表示谷索张拉第1级、第2级、第3级。
图1 3 索力测点布置Fig.13 The measuring point layout drawing of cable stress 下载原图
4.4.2 监测结果
为了更加真实地反映拉索的受力过程, 施工阶段监测的结构状态分为3个阶段:背索张拉完成阶段、谷索张拉完成阶段和膜面张拉完成阶段 (最终完成状态) 。由于理论计算两侧的索力完全对称, 根据施工张拉过程实测数据和膜面安装的情况, 下面只列出南侧的索力理论值。需要注意的是理论计算得到的结果是将BS1-1和BS1-2两根索力合并计算得到的。索系结构在整体张拉完毕后, 背索索力BS1测点实测值在6 397~6 663 k N之间。背索索力BS2测点实测值在1 550~1 715 k N, 索力达到了索系张拉完毕阶段的设计目标值 (BS1目标值为6 802 k N, BS2目标值为1 679 k N) 。
5 结束语
对常德芦荻山收费站全张拉预应力索膜结构的安装进行了全过程施工仿真分析, 将监测结果与数值模拟结果值进行了对比, 可得到如下结论:
1) 此种纯柔性结构体系在预应力施加初始阶段结构变形量较大, 因此预应力的施加过程应缓慢, 每级之间应间隔一定的时间。施工过程中结构杆件应力、索力变化平缓, 该施工方案可以满足结构施工过程安全性的要求。
2) 整体张拉结构形式预应力的施加宜采用先同步张拉背索, 然后张拉谷索的方法使整体结构成形, 经过仿真分析和工程实践表明通过张拉背索预应力施加比较均匀。
3) 钢桅杆作为主要受力构件, 张拉过程中, 桅杆在动态过程中应力变化比较复杂, 对钢桅杆的应力监测十分必要, 监测结果表明, 钢桅杆构件应力可以满足施工阶段起吊的受力要求。
4) 针对该特殊工程制定了专门的施工监测方案, 该监测方案可以为施工的安全进行提供保障, 有限元分析结果与实际监测结果吻合较好, 表明施工模拟方法与施工方案切实可行。
