超大面積單層網殼結構滑移施工桅桿-斜拉索加強方案研究*

伍錦鵬,馬曉暉,侯彥果,朱博莉,張德欣,聞陳寶,顧爽爽,賀 雄

(1.北京建工集團有限責任公司,北京 100088; 2.清華大學土木工程系,北京 100084; 3.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083; 4.中冶(上海)鋼結構科技有限公司,上海 201908)

0 引言

目前,滑移施工技術多為雙層或多層的空間網格結構滑移施工技術,一般整體滑移多用于整體剛度較強的多層網格結構或小跨度單層網殼結構。對于大跨度單層網格結構,屋蓋整體剛度較弱,控制其撓度和應力水平,保證結構應力與變形在安全范圍內是整體滑移成功的關鍵。

為解決安裝滑移過程中網殼變形過大、網殼和網格柱無法對口安裝或拼接構件附加應力過大造成結構承載力降低問題,本文提出單桅桿-斜拉索和V形桅桿-斜拉索兩種加強方案提升屋蓋整體剛度。桅桿-斜拉索多為大跨結構承載主體部分,而本項目首次提出其作為臨時單層網殼結構加強結構,有以下優點：①整體加固方案與單層網殼結構構成一個自平衡體系,即使拉索和桅桿在施加預應力后會對局部結構產生力的作用,但不會給滑移支撐胎架及縱向支撐桁架增加任何附加力,滑移支撐結構僅承擔單層網殼結構自重;②桅桿固定在單層網殼結構V形撐中間,其壓力對V形撐產生拉力,而單層網殼結構重力荷載使V形撐受壓,拉、壓力部分抵消使V形撐實際軸力降低,而在僅重力作用下,V形撐壓力能顯著降低;③桅桿-斜拉索預應力的實施,僅需對桅桿一側拉索進行張拉,張拉設備包括倒鏈葫蘆或反擰花籃螺桿等簡單工具;④斜拉索與屋蓋網格可采用非金屬的綁帶節點連接,操作靈活方便。

本文基于有限元軟件ANSYS,對菱形網殼屋蓋通過兩種桅桿-斜拉索加強方案進行研究和對比,分析斜拉索吊點位置、桅桿高度和數量、斜拉索數量對屋蓋位移和應力的影響,探究方案的可行性。

1 工程概況

1.1 結構概況

北京星火站交通樞紐工程樞紐區屋蓋為超大面積斜交單層鋼網殼結構,長146.5m、寬146.8m,曲面最高處高約9.6m,最低處高約0.45m,樞紐區立面標高如圖1所示。網殼屋面東側雨棚結構采用鋼框架體系,長96m、寬27.5m、高7.6m。

圖1 樞紐區立面標高Fig.1 The facade elevation of the hub area

網殼構件截面以箱形為主,鋼材材質主要為 Q355B,Q345GJC。網殼底部支撐結構主要為鋼柱、斜支撐及菱形網格柱,柱頂設置抗震支座,菱形網格柱與屋面網殼自然銜接為一體,底部支承于 -19.000m 基礎。

1.2 施工方法

單層網殼結構跨度大,采用高空滑移施工技術,鋼結構安裝工程危險性較大,施工過程中結構穩定性十分重要,因此需精準控制滑移過程中的變形和應力。

整個樞紐區屋架共設置4條滑移軌道(見圖2),其中滑移軌道1,2、滑移軌道2,3及滑移軌道3,4分別相距36,28,28m。屋蓋吊裝到位后采用爬行器同時頂推至設定位置?；栖壍?,2間距最大,變形也最大,在自重作用下跨中撓度達97mm,不滿足GB 50017—2017《鋼結構設計標準》要求。此外,大撓度會導致網殼屋蓋、網格柱、斜支撐合龍時無法對準,若通過焊接或其他施工技術強行對接會造成網格柱和斜支撐支座反力與結構一次成型存在較大差異,出現附加應力,從而降低網殼穩定性。由此,加強屋蓋滑移時的剛度,減小其滑移過程中產生的變形,降低結構對接誤差是本文研究重點。

圖2 滑移屋架和軌道Fig.2 The sliding roof and rails

2 桅桿-斜拉索加強方案對比

2.1 有限元模型介紹

采用通用有限元軟件ANSYS對網殼屋蓋進行受力分析,其中網殼構件采用beam188單元,桅桿和拉索采用link180單元?；栖壍郎喜繛閂形撐與屋蓋相連,由于實際滑移軌道對于V形撐水平向約束較弱,因此邊界條件僅約束z向位移(豎向位移),兩端角點約束x,y向位移,防止平動和面內轉動,其余位置均不約束水平向位移。

屋蓋均采用Q355鋼,鋼材彈性模量為210 062MPa, 泊松比為0.3,密度為7 850kg/m3?？紤]施工設備、工人等,荷載采用自重荷載的1.2倍。桅桿和拉索剛度設置為鋼材剛度的10 000倍,剛度足夠大近似無窮剛度,拉索受力下無法伸長,從而控制屋蓋撓度,相當于對所有拉索均施加預應力。最終,可根據無窮剛度時的索力反推正常剛度下拉索預應力。本文桅桿-斜拉索采用無窮剛度。

2.2 加強方案介紹

1)第1種為單桅桿-斜拉索方案,如圖3所示。在滑移軌道2即軸位置設置桅桿,桅桿與V形撐底部鉸接。每根桅桿初步設置4道拉索,桅桿頂端通過耳板和拉索相連,拉索另一端分別與⑦～,～軸跨中網架相連。

圖3 單桅桿-斜拉索示意Fig.3 The single mast-cable

圖4 V形桅桿-斜拉索示意Fig.4 The V-shaped mast-cable

2)第2種為V形桅桿-斜拉索方案,如圖 4所示。同樣地,在滑移軌道2即軸位置設置桅桿,V形桅桿與V形撐底部鉸接。每根桅桿初步設置5道拉索,桅桿頂端通過耳板和拉索相連,拉索另一端分別與⑦～,～軸跨中網架相連,其中1道拉索接近垂直角度吊于⑦～軸。

2.3 加強方案對比

無加強和兩種加強方案位移對比如圖5所示。由圖5可知,在無加強情況下網殼屋蓋⑦～軸跨中最大位移為97mm,超過規范要求和拼裝網殼屋面及網格柱施工要求;在單桅桿-斜拉索加強下,跨中位移降低至42mm,同比降低了57%;在V形桅桿-斜拉索加強下,跨中位移降低至40mm,同比降低了59%。兩種加強方案均能有效控制位移,最終可通過一定預張力將屋蓋撓度控制在安裝和拼接的允許范圍內。

圖5 無加強和兩種加強方案下屋蓋位移對比(單位：mm)Fig.5 Comparison of the roof displacement of the non-strengthening and two strengthening schemes(unit：mm)

圖6 拉索布置示意Fig.6 Arrangement of the cables

此外,在桅桿-斜拉索加強下,V形撐應力得到有效緩解。在無加強方案中,某V形撐應力為111MPa;在單桅桿-斜拉索作用下,相同位置V形撐應力降低至44MPa,降低了60%;同理在V形桅桿-斜拉索作用下,相同位置V形撐應力降低至66MPa,降低了41%?？梢娢U加強體系可降低V形撐應力,使V形撐有更多的安全儲備。

綜上所述,單桅桿-斜拉索和V形桅桿-斜拉索均能有效控制屋蓋撓度,并且對于屋蓋應力和V形撐應力均有減小作用,構件應力小于屋蓋鋼材Q355強度的0.6倍,結構材料強度存在一定安全余量?？紤]到單桅桿-斜拉索形式更簡單,因此,加強方案采用單桅桿模式。

3 單桅桿-斜拉索加強結構優化分析

3.1 拉索數量對屋蓋加強的影響

單桅桿-4道拉索和單桅桿-3道拉索如圖 6所示。分析發現：在4道拉索作用下,屋蓋⑦～軸跨中最大位移由97mm降低至42mm,降低了57%;在3道拉索作用下,屋蓋⑦～軸跨中最大位移由97mm降低至45mm,降低了54%。兩者對于位移的約束均呈現良好的效果,考慮到施工便捷性,采用單桅桿-3道拉索的方案更具優勢。

3.2 桅桿高度對屋蓋加強的影響

基于構件運輸、加工等實際情況,桅桿高度最高不超過15m?？紤]參數化分析,桅桿高度取10～20m。采用9根桅桿-3道拉索方案,橫向上拉索一側吊于⑦～軸跨中,另一側吊于軸;縱向上相鄰桅桿相鄰拉索共點。其余參數與第2節相同。

由圖7可知,隨著桅桿高度增加,跨中最大位移減小,對比斜率發現減小的效率會隨著桅桿高度增加逐漸降低?？傮w上,桅桿高度越高,拉索斜率越大,更多拉力的豎向分力用于提升屋蓋,降低位移;桅桿高度越低,拉索水平分力越大,更多的拉力用于平衡水平力,導致加強體系效率越低。綜合構件加工運輸和撓度控制效率,可采用14,15,16m桅桿高度,基于材料用量和構件穩定問題,桅桿高度取14m。

圖7 桅桿高度對屋蓋最大位移的影響Fig.7 Influence of the mast height on the roof maximum displacement

圖8 拉索縱向吊點布置Fig.8 Layout of the cable longitudinal lifting points

3.3 斜拉索吊點位置對屋蓋加強的影響

不同拉索吊點位置對拉索預張力、撓度控制程度、屋蓋網殼受力均勻程度均有影響。重點分析斜拉索縱向吊點位置即相鄰拉索是否共點和斜拉索橫向吊點位置對屋蓋位移和應力的影響,綜合對比判斷選出合理的吊點方案。

1)斜拉索縱向吊點位置

縱向相鄰桅桿相鄰斜拉索吊點可采用不共點和共點兩種類型,分別如圖 8a,8b所示。如果采用不共點方案,吊點數量多,斜拉索對屋架的拉力更均勻;而采用共點方案,吊點數量減少一半,拉索定位、施工更便捷。由此分別討論兩種情況對位移和應力的影響。

不同縱向吊點下屋蓋位移如圖9所示?？梢钥闯鰞烧叩牟町愋暂^小,兩種方案均可。整體上構件應力均較小,不同吊點方式對于應力的影響比較小。綜合以上,采用縱向相鄰拉索共點的方案更合理,便于施工和定位。

圖9 不同縱向吊點下屋蓋位移(單位：mm)Fig.9 Roof displacement under different longitudinal lifting points(unit： mm)

圖10 拉索橫向吊點布置Fig.10 Layout of the cable lateral lifting points

2)斜拉索橫向吊點位置

不同橫向吊點下屋蓋位移如圖11所示。由圖 11a可知,為減?、摺S跨中位移,吊于～軸跨中的斜拉索會將～軸的屋蓋拉起,造成該區域大面積反拱,可能會導致網殼屋蓋中間跨和網格柱對接出現問題。為緩解反拱現象,將斜拉索吊于軸,如圖 11b所示,此時拉索作用力直接傳遞至滑移軌道支座上,對～軸屋蓋撓度無影響。因此,采用吊點位于軌道上方的模式更合理。

圖11 不同橫向吊點下屋蓋位移(單位：mm)Fig.11 Roof displacement under different lateral lifting points(unit： mm)

4 結語

1)整體加固方案與單層網殼結構構成一個自平衡體系,盡管拉索和桅桿在預應力施加后會對結構產生局部力的作用,但不會給滑移支撐胎架及縱向支撐桁架增加任何附加力,滑移支撐結構僅承擔單層網殼結構自重。

2)單桅桿-斜拉索和V形桅桿-斜拉索均能有效控制屋蓋撓度,并且對于屋蓋應力和V形撐應力均有減小的作用,結構材料強度存在一定安全余量。單桅桿-斜拉索形式更簡單,因此更利于施工。

3)對于單桅桿-斜拉索加強方案,采用4道拉索和3道拉索,拉索間均能形成穩定的四角錐和三角錐,而兩種拉索模式對于位移的約束均呈現良好效果,但考慮到施工便捷性,采用單桅桿-3道斜拉索方案更具優勢。

4)對于單桅桿-斜拉索加強方案,桅桿高度越高,拉索斜率越大,更多拉力的豎向分力用于提升屋蓋,降低撓度;桅桿高度越低,拉索水平分力越大,更多的拉力用于平衡水平力,導致加強體系效率越低。綜合構件加工運輸和撓度控制效率,可采用14,15,16m桅桿高度,基于材料用量和構件穩定問題,選擇桅桿高度14m。

5)基于施工便利性和撓度控制效果,縱向相鄰桅桿相鄰斜拉索吊點可采用共點類型。橫向上,拉索一側約束網殼屋蓋跨中撓度,另一側則保持桅桿-斜拉索結構平衡,為緩解制衡一側的屋架反拱,可將橫向拉索吊點設置于結構鄰近軌道處。