大跨度多次预应力钢穹网壳设计与张拉监控.doc

大跨度多次预应力钢穹网壳设计与张拉监控
ss攀枝花体育馆平面呈八角花瓣形(图6-7-1),周围用8个柱面相连,跨度近65m,曲边八边形外尚有l.94~4.16m不等的悬挑。屋盖支承于标高16.6m的8个混凝土圆柱顶上,相邻柱距24.85m,壳中心标高(节点球心)27.90m。最大平面覆盖尺寸74.8m74.8m。该工程按7度抗震设防,属Ⅰ类场地土,基本风压0.5kN/m2,屋面荷载4.11kN/m2。
网壳杆件用16Mn钢管,计4633根,另加8大束钢绞线预应力高强拉索,节点球986个,其中大部分节点为鼓形螺栓球,少量(约15%)为焊接空心球。8个支座采用橡胶垫板减振并消除温度应力。16Mn钢网壳设计用钢量为35.00kg/m2。后因16Mn钢管现货匹配不齐,改用以大代小的Q235钢管,屋面荷载变为4.25kN/m2,实际工程用量增至49.00kg/ m2。
该屋盖结构选型时,除首先要满足建筑功能、使用要求、安全可靠并符合设计规定外,还进行了曲面平板网架、预应力混凝土边构支承的钢网壳、非预应力钢网壳、预应力钢网壳等多方案比较。分析表明,多次预应力钢网壳比非预应力钢网壳节约钢材36.61%,比平板网架省钢54.88%。最后决定采用按多次预应力组合式短程线型钢网壳方案。据悉这是世界上多次预应力新技术应用于空间钢结构的首例工程。因国内无网壳设计规范,亦无预应力钢结构设计规程,故工程设计只能参照相关规范和自身特点以及该项目阶段性研究成果进行。
第1章 预加应力体系的选择
网壳的预加应力体系包括布索方案、预应力节点和预应力拉索选型,在网壳中如何布索才能提高预应力经济效益是关键问题。布索的原则是:在预应力的作用下，结构具有最多数量的卸载杆,最少数量的增载杆和中性杆,以使网壳的卸载效应大,从而收到明显的效果。
网壳宜在下部壳外布索,其布索方案大致可分两类(图6.7-2):一类为壳边缘布索—边构街外布索(A-A)、支座两两相间配索(B-B);另一类为壳中部布索—支座对角线配索(C-C)、对角线下撑式壳外配索(D-D)。杆件卸载效应和节点反拱度效应分析结果显示,中部布索方案的矢高大,易获较大的反力矩,因而卸载与反拱度效应均比边缘布索方案明显。由于建筑要布设吊顶,不容预加应力体系结构外露,故正式施工图设计采用壳外下撑式直束配索的边缘布索方案（A-A)。该预加应力体系方案与网壳的边缘构件和壳面构件合二为一,仅需加大截面尺寸,以简化构造。下撑拉索为高强钢绞线,通过间M锚具锚于预应力节点,考虑到平面外的稳定性,特于侧向加杆扶持。
为改善布索方案A-A矢高小的不利受力情况,在八条边下设置了32根向上的撑杆,它能产生很大的上抬力,以弥补其卸载与反拱度效应差的不足。
第2章 预应力全过程计算原理及静力分析
预应力网壳全过程计算,实际上就是加载顺序在网壳计算上的反映。该屋盖工程根据荷载的可分性、施工设备及工艺的可行性,在简化构造的情况下,为最大限度提高结构承载能力,节约钢材、降低造价,在征求施工单位意见后,决定采用以高强钢绞线为预应力拉杆的预应力结构五阶段设计。即“受载—张拉一受载一张拉一受载"的加载顺序。首先,网壳拼装就位后,加上约半数的屋面板重,使杆件处于受载状态,第一次利用荷载作用下杆件的允许承载能力;其次,张拉钢索,大致按荷载比例确定初始预加力值,对整个网壳相当大部分的杆件施加预应力至其反向允许承载力的极限;再第二次加上首批余下的全部壳板重量,第二次利用荷载下杆件的允许承载能力;然后第二次张拉钢索达总预加力控制值,这时,网壳又有相当大部分杆件达到其反向允许承载力的极限;最后第三次将屋面构造、室内吊顶、灯光、马道、水电管线等全部荷载加上,从而使网壳杆件的承载能力达到设计值,第三次利用杆件的允许承载能力。分析中,每当全部荷载工况计算完毕,都要根据内力组合结果,调整杆件截面,再进行下一轮计算,并需复检恶劣工况,再调杆件截面至满足设计要求。
预加力值的选择包括预加力值的初始值和最终控制值的确定,两次预加力幅值变化及其引起不同的杆件内力和经济效益等,问题比较复杂。预应力值不是越大越好,而是要根据工程具体情况,调整至变形适度、杆力不能过大、杆件理论重量最轻的最佳状态,这主要通过不同方案反复试算后优选确定。本工程预加力值的初始值和最终控制值分别取450kN和250kN较为合适。按空桁法专用程序分析其内力分布规律,理论分析与模型实测结果比较吻合。
第3章 动力特性及地震反应分析
理论分析及模型试验表明,结构体系的频率分布成几个密集区形式。加预应力后,网壳的自振频率有缩短趋势。当预应力网壳作整体振动(主要是基频)时,网壳各杆件间的相互拉力可以抵制其振动幅值;但在大多数自振频率下,网壳作局部振动。采用反应谱理论对结构竖向地震反应作了分析,从若干典型杆元的内力反应看,其最大的动力效应一般不超过静力反应的6.84%,进行内力组合结果,对7度设防的结构设计不起控制作用。总的看来,预应力网壳结构具有良好的动力特性和抗震性能。
第4章 预应力施工
网壳拉索选用低松弛1860级4束7Фj12.7钢绞线,闵M13-7型锚具。
第1节 预应力筋下料穿束
预应力筋按各边构两球节点间长度加千斤顶施工长度作为钢绞线下料长度。用电动砂轮机切断,逐根穿入球节点锚固。穿孔时应对号入座,使所有钢绞线在两受力球节点中不得相互缠绕和错头,每束须平行对称定位。
由于预应力筋完全外露在空间,张拉前用错具将钢绞线作临时锚固,待预应力筋全部穿完后,因为采用整束张拉,需对每束(4束7Фj12.7)作长度调整。调整方法为将每束中7根钢绞线逐根由人工拉直,使每束7根钢绞线在跨中相互挠度误差不得超过10mm。按此标准值控制,其纵向长度误差仅0.03mm,所以只需要保证每束跨中挠度相互误差在10mm以内,纵向长度误差可忽略不计。这样在钢索张拉过程中,满足了钢绞线受力均匀的要求。
第2节 预应力张拉
预应力张拉根据网壳预应力束布置特点,选用16台YCQ-100型千斤顶,8台ZB4-500型电动油泵,分别布置在8条边构交叉处。
网壳中每条边构钢索设置有4束钢绞线,由8套拉伸机分别对8条钢索同时张拉。每次张拉需分两批进行。为使球节点受力均匀,先将2台千斤顶安放在对角束端部作第一批张拉,待第一批张拉结束后再以相同方法作第二批对角束张拉。因预应力筋为直线体外束,故采用一端张拉,另一端锚固(图6-7-3)。
当分批张拉时,两端受力球会产生较大轴向变形;张拉又不能反复过多,以免夹片损伤钢绞线。所以需提高先张拉的第一批钢绞线张拉力,以解决第二批张拉时球节点轴向位移而产生的对第一批两束的损失值。为更精确地确定超张拉值,在两端球节点上分别安放位移计,实测出第一批预应力束张拉到设计张拉力时两球节点之间的位移,从而得出实际超张拉值。待第一批张拉到设计控制预应力时暂不锚固,需补足超张拉值后再行锚固。这样在第二批预应力结束后,使每边构中4束预应力筋张拉力基本相等。最后工程实测位移值为13.8mm,设计计算位移为13.7mm,实测与计算基本吻合。
设计要求8条边构钢索施加的预应力必须同步进行。张拉由16台千斤顶和8台油泵控制,要做到同步,须控制8台油泵的进油量。故采用分级同步方案,即将张拉控制应力分5个级差,逐级提高张拉力。现场由专人统一指挥控制各加油点级差的提高,以保证同步张拉。
第3节 钢索及球节点的处理
张拉结束后,将锚具外50mm处多余钢绞线割断。对球心灌入高标号水泥浆,以加强锚固效果,最后用细石混凝土封闭锚头。体外钢索采用先刷红丹磁漆2遍,后用石棉绳密缠钢索,再用0.3mm镀锌铁皮外包,最后在镀锌铁皮上涂刷防火涂料作防腐处理。
第4节 监控
在各工况加荷和预应力张拉卸荷过程中,分别对网壳191根杆件内力、51个特征节点的三向节点位移和支座水平位移进行监控检测,结果表明网壳位移和内力大部分实测值较为满意。结构主要受力部位的节点位移和内力实测值与理论值吻合良好,预应力已足够地建立起来,结构能安全正常工作。