摘要：通過有限元分析軟件對輪輻式預應力張弦梁鋼屋蓋結構進行拉索張拉施工仿真分析，比較三種張拉順序方案和三種張拉階段方案，提出合理的張拉方案，并給出類似結構的張拉方式和施工建議。
關鍵詞：輪輻式;預應力;張弦梁;有限元分析;張拉方案比較
Abstract : Through the finite element analysis software for spokes prestressed chord-tension LiangGang roof structure of tension lasso construction simulation analysis, comparative three tension sequence solutions and three kinds of drawing phase scheme, put forward reasonable drawing scheme, and gives similar structure drawing mode and construction proposal.
Key words: Spokes, Prestressed; beam string structrue ; The finite element analysis; Tension scheme comparison
1 概述
某體育館鋼屋蓋為輪輻式預應力張弦梁結構，屋蓋結構支撐于下部混凝土圈梁上，共布置有30榀張弦梁(沿每一徑向稱之為一榀)，每榀張弦梁有一根拉索，圍繞中央設置的剛性環形成屋蓋。施工階段各拉索設計預張力均為1300KN。上弦勁性鋼梁截面為箱600X400X18X24，下弦柔性拉索采用OVM系列的PES5-199拉索，鋼絲束面積為3905mm2，鋼絲束直徑為77mm，鋼絲束理論重量為30.7kg/m，破斷荷載為6525kN，含雙層拉索直徑為93mm。拉索采用高強度鋼絲束，抗拉強度≥1670MPa,松弛率≤2.5%，屈服強度≥1410MPa，彈性模量E=(1.95~2.1)×105MPa。拉索通過索夾和撐桿連接，每榀張弦梁有6根撐桿。屋蓋投影到水平面為以建筑坐標原點為圓心直徑100m的圓。鋼屋蓋支座平面為水平面繞1軸和16軸旋轉3.02度，旋轉完成后環向支撐及圓心投影保持不動，撐桿保證垂直水平面從而形成本案的斜輪輻式張弦梁結構。體育館屋蓋形狀為圓形，圓形平面的直徑100m，單榀張弦梁的矢高5.120m。整個屋蓋曲面面積為9359.939m2，覆蓋面積為7853.982m2。屋面面板采用鋁鎂錳合金壓型板，底板采用鍍鋁鋅彩鋼壓型板，中間夾保溫隔熱材料。
2 張拉方案選取的基本原則
預應力拉索張拉方案的選擇應遵循以下幾點基本要求：① 張拉過程中，拉索索力不應超過承載能力極限狀態下的設計索力;② 張拉過程中，拉索以外的結構部分不得出現超應力桿件，且結構內力變化梯度不宜過大，結構變形也不宜過大。③ 張拉完成時，所有拉索索力均達到設計預張力。④張拉方案的選取應兼顧實際張拉的可操作性、施工現場狀況、人員設備數量及拉索張拉施工同其他工種的配合，并考慮拉索施工的經濟性等。
3 分析模型的選取
該體育館30榀張弦梁上弦鋼梁在中心位置通剛性環相連，各榀上弦鋼梁通過環向鋼梁和水平支撐相連成整體;下弦拉索在中央通過勁性鋼拉環連接在一起，因此該體育館整個結構是一個空間受力體系。在張拉時每榀張弦梁會對其它張弦梁產生影響，尤其是對相鄰的張弦梁影響較大。為了對張拉過程進行準確模擬，就需要對結構進行整體建模并進行施工全過程的仿真模擬，這樣就會了解張拉過程中各個階段結構的內力和變形，從而有利于控制結構的張拉和成形。為了能夠精確模擬拉索張拉施工、合理選擇張拉方案，采用了大型有限元分析軟件ANSYS進行虛擬拉索張拉施工全過程的仿真分析，并對張拉過程中各索索力及關鍵點位移進行了動態追蹤，選取10組典型拉索分析數據進行比較，優選張拉方案。
4 張拉方案的比較分析
張弦梁下弦拉索采取一端張拉，屋蓋中央剛性環處為固定端，另一端為張拉端。根據該結構特點可知，該結構最理想的張拉方案是對30榀張弦梁共30根拉索進行同時同步張拉，但是采取該方案需要的人員、設備投入量相當大，且對30根索進行同時同步控制本身也有較高的難度，是不現實的，因此實際施工中只能采取按順序分批分階段張拉。
4.1張拉順序方案的比較分析
當主體結構自身剛度很大，拉索對結構整體剛度貢獻較小時，無需分級張拉。但是，當結構較柔時，拉索分批張拉會因為張拉先后順序的不同，導致群索之間的索力相互影響較大，引起結構內力的轉移，后批拉索的張拉將引起先前拉索索力的降低。為了確定結構剛度特征及群索索力的相互影響，采用傳統的順序張拉法對張弦梁進行虛擬張拉全過程分析。
1)張拉順序方案的選擇：將30榀張弦梁拉索分為10批，每批3榀，投入的張拉設備數量為3臺，按分批順序進行張拉，具體的張拉順序分批方案如表1所示。
表 1 張弦梁分批方案
|
方案一 |
方案二 |
方案三 |
|
批號 |
每批張弦梁軸號 |
批號 |
每批張弦梁軸號 |
批號 |
每批張弦梁軸號 |
|
第1批 |
1 |
11 |
21 |
第1批 |
1 |
11 |
21 |
第1批 |
1 |
11 |
21 |
|
第2批 |
6 |
16 |
26 |
第2批 |
6 |
16 |
26 |
第2批 |
2 |
12 |
22 |
|
第3批 |
3 |
13 |
23 |
第3批 |
2 |
12 |
22 |
第3批 |
3 |
13 |
23 |
|
第4批 |
8 |
18 |
28 |
第4批 |
7 |
17 |
27 |
第4批 |
4 |
14 |
24 |
|
第5批 |
5 |
15 |
25 |
第5批 |
3 |
13 |
23 |
第5批 |
5 |
15 |
25 |
|
第6批 |
10 |
20 |
30 |
第6批 |
8 |
18 |
28 |
第6批 |
6 |
16 |
26 |
|
第7批 |
2 |
12 |
22 |
第7批 |
4 |
14 |
24 |
第7批 |
7 |
17 |
27 |
|
第8批 |
7 |
17 |
27 |
第8批 |
9 |
19 |
29 |
第8批 |
8 |
18 |
28 |
|
第9批 |
4 |
14 |
24 |
第9批 |
5 |
15 |
25 |
第9批 |
9 |
19 |
29 |
|
第10批 |
9 |
19 |
29 |
第10批 |
10 |
20 |
30 |
第10批 |
10 |
20 |
30 |
2)計算結果分析：通過有限元分析軟件ANSYS對三個方案進行施工仿真模擬計算，取其中10榀拉索作為典型分析，得到三個不同方案，詳見表2所示。
表2 仿真結果
|
索軸號 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
方
案
1 |
FMAX |
2.02E+05 |
5.57E+05 |
5.83E+05 |
5.55E+05 |
5.85E+05 |
5.85E+05 |
5.55E+05 |
5.85E+05 |
5.56E+05 |
5.86E+05 |
|
Mz |
3.56E+08 |
1.08E+08 |
2.67E+08 |
9.19E+07 |
2.68E+08 |
9.16E+07 |
2.68E+08 |
9.13E+07 |
1.80E+08 |
3.15E+06 |
|
SDIR |
27.697 |
29.158 |
31.086 |
32.39 |
34.335 |
35.496 |
36.582 |
37.007 |
38.006 |
38.162 |
|
SBZT |
8.2566 |
4.1787 |
6.1936 |
2.1297 |
6.2132 |
2.125 |
6.2181 |
2.1176 |
4.1709 |
0.072936 |
|
SMAX |
35.686 |
33.579 |
38.155 |
35.163 |
41.467 |
38.273 |
44.012 |
42.005 |
47.372 |
38.957 |
方
案
2 |
FMAX |
2.02E+05 |
5.83E+05 |
5.84E+05 |
5.58E+05 |
5.55E+05 |
5.85E+05 |
5.85E+05 |
5.86E+05 |
5.55E+05 |
5.56E+05 |
|
Mz |
3.56E+08 |
1.08E+08 |
3.55E+08 |
1.79E+08 |
3.35E+08 |
1.79E+08 |
2.48E+08 |
9.15E+07 |
1.80E+08 |
3.15E+06 |
|
SDIR |
27.697 |
29.158 |
31.017 |
32.48 |
34.411 |
35.766 |
36.843 |
36.994 |
37.989 |
38.162 |
|
SBZT |
8.2566 |
4.1787 |
8.2292 |
4.1616 |
7.7714 |
4.1544 |
5.7501 |
2.1215 |
4.1765 |
0.072936 |
|
SMAX |
35.686 |
33.579 |
38.82 |
37.409 |
42.877 |
40.714 |
46.168 |
42.098 |
47.671 |
38.957 |
方
案
3 |
FMAX |
1.98E+05 |
5.83E+05 |
5.84E+05 |
5.84E+05 |
5.85E+05 |
5.86E+05 |
5.59E+05 |
5.55E+05 |
5.55E+05 |
5.56E+05 |
|
Mz |
3.56E+08 |
5.10E+08 |
6.66E+08 |
6.75E+08 |
6.82E+08 |
5.88E+08 |
4.93E+08 |
3.37E+08 |
1.80E+08 |
3.15E+06 |
|
SDIR |
27.697 |
29.643 |
31.51 |
33.376 |
35.076 |
36.755 |
37.357 |
37.834 |
37.989 |
38.162 |
|
SBZT |
8.2566 |
11.833 |
15.45 |
15.641 |
15.814 |
13.624 |
11.427 |
7.8065 |
4.1765 |
0.072936 |
|
SMAX |
35.686 |
40.939 |
45.855 |
48.916 |
52.364 |
54.001 |
54.63 |
51.187 |
47.671 |
38.957 |
根據上述計算結果說明采用方案一最為合理。
4.2張拉階段方案的比較分析
1)張拉階段方案的選擇：根據張拉方案選取的基本原則，結合本工程的特點及現場投入的設備、人員狀況等，按照前述所確定分批張拉順序方案一，分別選取了3種張拉階段方案：方案一：預緊→60%→90%→100%
方案二：預緊→50%→75%→100%
方案三：預緊→60%→100%
2)計算結果分析：通過有限元分析軟件ANSYS對三個方案進行施工仿真模擬計算，取其中10榀拉索作為典型分析，得到三個不同方案，詳見表3所示。
表3
|
方案一 |
預緊-60％ |
60％-90％ |
90％-100％ |
索最大預應力 |
|
最大增量(N) |
5.4622E+05 |
5.8613E+05 |
3.3726E+05 |
1.4974E+06 |
|
方案二 |
預緊-50％ |
50％-75％ |
75％-100％ |
索最大預應力 |
|
最大增量(N) |
3.9425E+05 |
3.7607E+05 |
7.1176E+05 |
1.6909E+06 |
|
方案三 |
預緊-60％ |
60％-100％ |
|
索最大預應力 |
|
最大增量(N) |
5.4622E+05 |
9.3842E+05 |
|
1.7266E+06 |
由此可見，從最大增量和最大預應力兩方面考慮，方案一最合理。
5 結論與建議
通過對該輪輻式預應力張弦梁鋼屋蓋結構的張拉方案對比分析，得出下述結論與建議：
1)結構剛度大小決定張拉方案的選擇，對于剛度較小的預應力鋼結構，不同張拉方案的選擇對拉索索力影響很大，傳統的順序張拉法不適用于較柔的預應力鋼結構。
2)對于同該張弦梁屋蓋類似的預應力鋼結構，整體剛度較小，群索之間索力影響較大，選擇合理的張拉方案至關重要，應借助計算機，采用逆向分析思路進行虛擬拉索張拉全過程的仿真分析，來確定張拉順序與張拉級別，并得出拉索實際張拉力。
3)對于其他形式的預應力鋼結構，張拉順序的選擇應根據結構外形特點、剛度等綜合考慮，盡量保證整體結構受力的對稱與均勻。
4)拉索張拉可以“一步到位”，即從預緊直接張拉到相應設計預張力，這樣可以大大簡化張拉過程，節省大量人員設備消耗，但是索力變化梯度大，尤其結構較柔時，群索之間索力影響較大，先批張拉的拉索超張拉幅度較大，對整個結構受力不利，張拉過程中易產生超應力構件，施工階段結構的可靠度難以保證。因此，選擇張拉方案時通常采取分級張拉，即根據設計預張力的大小分為幾個階段循環張拉，最終各索均一致達到設計值。適當分階段循環張拉不僅有利于拉索本身的受力，而且對結構其他部分的受力與變形也較為有利。
參考文獻
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