郭正兴：绍兴山水馆弦支穹顶结构施工技术--20140723

绍兴金沙•东方山水国际商务休闲中心弦支穹顶结构施工技术东南大学国家预应力工程技术中心郭正兴罗斌东南大学土木工程施工研究所2014年7月目录ONTENTSC1工程概况2结构特点3施工过程4预应力张拉技术分析5索夹抗滑移试验6总结一、工程概况1.工程概况绍兴金沙•东方山水国际商务休闲中心位于绍兴鉴湖—柯岩旅游度假区，总投资约80亿元，总用地面积约39万平方米，总建筑面积约100万平方米。由以商务办公、酒店式公寓和五星级酒店为主的商业区，以室内山馆和水馆为主题的旅游区，和以高档低层住宅和高层住宅为主的住宅区三个功能区块组成。1.工程概况以室内山馆和水馆为主题的旅游区包括A、B、C、D、E、F六个场馆，其中A、B、C三馆钢结构主体部分结构形式类似，都为钢桁架弦支穹顶组合网壳结构，即结构外围区域为钢桁架组合网壳，而中心区域为弦支穹顶。场馆钢结构主体/m中心弦支穹顶/m长轴短轴矢高长轴短轴矢高A1206011.572361.95B1247211.583481.95C2261352964440.48二、结构特点2.结构特点以C馆为例：屋盖结构体系采用“钢桁架弦支穹顶组合网壳结构”。由上部弦支穹顶、中央环桁架、径向桁架、下部屋面网壳组成。借鉴巨型结构体系概念，采用“主骨架+次结构”的结构形式。2.结构特点径向主桁架+环桁架联方型支撑环梁径向脊梁+环梁+屋面斜杆索杆系中央弦支穹顶钢桁架组合网壳钢桁架弦支穹顶组合网壳2.结构特点主骨架由16榀径向桁架和1道中央环桁架构成，径向主桁架采用倒三角形截面形式，截面宽4m，高4m；中央环桁架采用倒三角形截面，宽6m-7m不等，高4m。次结构由联方形网格和马道组成。中央环桁架内部采用环肋形弦支穹顶结构，上方采光玻璃顶。长轴为229.0米，短轴为138.4米结构顶标高约28.5m；中央穹顶长64m，宽44m2.结构特点中央弦支穹顶钢桁架组合网壳2.结构特点弦支穹顶是结合空间网壳和索穹顶结构的一种合理的新型大跨空间结构，其基本思想是将索穹顶的柔性上弦用刚性的单层网壳替代。弦支穹顶结构受力特征单层网壳与去掉上弦柔性索的索穹顶组合2.结构特点弦支穹顶结构受力特征在结构成形时，通过施加合理的预拉力给环索、径向索，使撑杆产生向上的分力，在上层构件中建立起预应力，使结构产生反拱变形。在荷载作用时，荷载通过上端的单层网壳传到下端的撑杆，再通过撑杆传给索，索受力后产生对支座的反向拉力；与此同时，撑杆的作用大大减少了上部单层网壳各节点的竖向位移和变形，杆件的内力相对单层网壳也有较大幅度的降低。2.结构特点与单层网壳相比较而言，下部的索撑体系不仅增强了总体结构的刚度，还提高了单层网壳的稳定性，克服了单层网壳对缺陷敏感的缺点，从而可以实现结构跨度更大、网壳矢高更小。与索穹顶相比较而言，用刚性的上弦层取代柔性的上弦索，使施工大为简化。弦支穹顶结构受力特征2.结构特点a.单层网壳边缘向外水平推力需拉力环b.索穹顶边缘向内水平拉力需压力环结构对边界约束的要求明显降低。单层网壳以及索穹顶分别对周边支承结构有较大的推力或拉力，而弦支穹顶结构的径向拉杆和环向索能够减小甚至抵消支座水平力。从而大大降低对下部结构抗侧性能的要求，并使支座受力明确，易于设计与制作，使该结构体系具有更广泛的适用性。弦支穹顶结构受力特征三、施工过程3.施工过程总结已建弦支穹顶结构，上部钢结构网壳和下部索杆系的安装方法大部分为在满堂脚手架上进而原位拼装，极少数工程采用了网壳整体提升或索杆系部分提升的施工安装方法；而根据预应力施加对象的不同，可将弦支穹顶的张拉方式分为3大类，即张拉环向索、张拉径向索和顶升撑杆。3.施工过程满堂脚手架上钢构拼装径向索安装现场济南奥体中心体育馆3.施工过程满堂脚手架上钢构拼装环向索张拉现场常州市体育馆3.施工过程搭设满堂脚手架进行结构安装、张拉营口奥体中心体育馆调节撑杆，施加预应力3.施工过程搭设脚手架，安装网壳安装撑杆、下端节点及径向钢拉杆环索提升茌平体育馆现绍兴山水馆的弦支穹顶结构体系与以往不同该工程采用胎架支撑，上部网壳地面拼装、分单元高空吊装，下部索杆系无支架整体提升的方法进行安装。3.施工过程避免了满堂脚手架支撑安装需要的大量支撑系统，大大节省了施工措施费用；索杆系整体提升安装效率高、现场施工组织管理一目了然。C馆弦支穹顶施工现场3.施工过程1安装环桁架支撑胎架；2地面拼装，高空分段安装中央环桁架；3分块吊装弦支穹顶上部网壳；4分段吊装径向桁架，分块吊装下部屋面组合网壳，散件高空补档；5钢结构焊接安装，索杆系整体提升安装；6从外环至内环对径向索进行第一阶段逐环分批张拉（径向索同环间隔分批）；7结构卸载；8从内环至外环对径向索进行第二阶段的逐环分批补张拉。3.施工过程安装环桁架支撑胎架高空分段安装中央环桁架3.施工过程分块吊装弦支穹顶上部网壳分段吊装径向桁架3.施工过程分块吊装下部屋面组合网壳散件高空补档索杆系无支架整体提升3.施工过程索杆系无支架整体提升1.在地面依次由内向外组装每一环的环向索、径向索及撑杆3.施工过程索杆系无支架整体提升2.用钢丝绳对撑杆和钢拉杆的相对位置进行固定，同时在撑杆和钢拉杆的环向之间也用钢丝绳连系以固定其相对位置3.施工过程索杆系无支架整体提升3.依次由内环向外环通过竖直撑杆处的主牵引点整体牵引提升各环索杆系4.调整索杆系形状，使撑杆上端对准与网壳连接的相应节点，并安装就位3.施工过程索杆系无支架整体提升扰动力作用下的结构静力平衡态斜拉杆上节点同旋转方向施加水平环向集中力提升过程稳定性分析3.施工过程索杆系无支架整体提升C馆提升动画为实现上述“索杆系无支架整体提升”施工方法的顺利应用，本工程采用了一种撑杆端头焊接板式大转角球铰节点装置（申请发明专利）；该构造可以满足使用阶段和施工阶段对撑杆双向甚至任意向大转角的转动要求，同时构造形式简单，费用低。主要组成构件包括：上十字板底座上端板防脱盖板球体下十字板底座下端板3.施工过程3.施工过程撑杆端头焊接板式大转角球铰节点3.施工过程逐环分批次循环张拉径向钢拉杆四、预应力张拉技术分析4.预应力张拉技术分析结构施工成形过程是一个连续变化的过程，下一阶段的施工会对已施工完成的结构和构件产生影响，尤其是在预应力结构施工过程中预应力的施加，会使结构形态产生很大改变。只有对结构进行施工全过程分析，跟踪模拟计算每个施工阶段的结构内力和位移，才能准确得到施工过程对结构产生的累积效应，有效地保证的结构施工安全、有效地进行。本工程对A、B、C三馆的弦支穹顶结构都进行了详细的预应力施工过程模拟分析及方案优化，并结合多年施工经验选择先进、适用的张拉方法及措施，从而实现安全、有序、高效、经济地进行结构的预应力张拉施工。4.预应力张拉技术分析根据本工程的特点和张拉设备能力，经多次讨论后决定采用径向钢拉杆张拉法在结构中建立所需的预应力。采用径向索张拉法进行张拉，张拉示意如下图所示。张拉方法及措施径向索主动张拉的安装状态和初始预应力态示意图4.预应力张拉技术分析采用型钢（如角钢和槽钢等）焊制拉索安装和张拉所需的操作平台。操作平台不仅要便于拉索施工，也要保证施工安全性。张拉端挂篮采用L30×30×4角钢焊接而成，角钢材质为Q235，每环的径向钢拉杆上端各一个挂于径向脊梁上。挂篮轴测示意图张拉方法及措施4.预应力张拉技术分析鉴于A、B馆单根钢拉杆最大施工张拉力约为110T，因此选用YCW60B型千斤顶进行张拉，每个张拉点采用两台，能达到120T的张拉力；C馆单根钢拉杆最大施工张拉力约为40T，因此选用YDC240QX型千斤顶进行张拉，每个张拉点采用两台，能达到48T的张拉力。选用千斤顶的主要技术参数表型号公称张拉力/kN公称油压/Mpa穿心孔径/mm张拉行程/mm主机质量/kg外形尺寸/mm使用阶段A/B馆YCW60B60052Ф5420046ф175×357拉索张拉C馆YDC240QX24050ф1820020.5ф110×573拉索张拉张拉方法及措施4.预应力张拉技术分析1）分析软件采用有限元分析软件ANSYS，考虑结构具有双重非线性（几何非线性和材料非线性），计算中考虑几何大变形和应力刚化效应。2）单元类型：钢构件采用BEAM188梁单元；拉索采用仅受拉Link10单元；撑杆采用Link8单元；支撑胎架采用仅受压Link10单元。3）材料特性：钢材弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，温度膨胀系数为1.2×10-5；高钒索弹性模量为1.6×105MPa，泊松比为0.3，温度膨胀系数1.2×10-5。4）荷载条件：根据施工过程考虑结构自重，钢构件的密度为7.85×103kg/m3，考虑节点重量，乘以1.05的放大系数；高钒索及钢拉杆的密度为.85×103kg/m3，索头及索夹节点处通过施加质量单元模拟。技术分析分析软件4.预应力张拉技术分析采用如下方法模拟拉索张拉全过程：首先设定一定的拉索张拉力为目标索力，通过对索单元施加负温来模拟拉索张拉力，采用补偿法或退化补偿法等迭代策略寻找索内负温，使结构达到初始平衡态时的拉索索力为目标索力；（即找力分析）然后，按照上述方法对不同张拉阶段的结构状态进行相应的找力分析；最后，按照分批次循环张拉顺序，对径向钢拉杆赋予相应的负温，进而计算张拉索力及相应的结构内力和变形。技术分析分析方法4.预应力张拉技术分析施工过程分析及优化钢结构安装完成后，拉索未张拉前，结构在临时支撑胎架上的最大下挠点位于弦支穹顶中环长轴位置。技术分析随着钢拉杆的张拉，弦支穹顶产生反拱且反拱值逐渐增大，但依然随整体结构下挠。即不能通过一次张拉使弦支穹顶结构脱离胎架（若达到该效果张拉力远超过拉索初始预张力），且撤除胎架以后，结构竖向位移增大，拉索拉力有明显减小。结构张拉过程中总体受力特点如下：未张拉时C馆结构竖向变形图4.预应力张拉技术分析综合考虑张拉设备能力及结构的索力和位形变化，通过对不同张拉顺序和张拉批次的对比分析，最终确定优化的预应力张拉施工方案为：分阶段循环张拉。技术分析施工过程分析及优化第一阶段由外环至内环逐环分批张拉完成后，结构卸载，环索及径向索的拉力达到设计初始预应力的80%；第二阶段由内环至外环逐环分批张拉完成后，索力达到设计初始值。4.预应力张拉技术分析技术分析施工过程分析及优化由于同环钢拉杆共16根，数量较多且对称均匀分布，故采用同环间隔分批张拉图示奇数号钢拉杆为第1张拉批，偶数号为第2张拉批该方法在使得张拉设备减半的同时，大大减小了第一批次钢拉杆的张拉力。4.预应力张拉技术分析技术分析编号1组2组3组4组5组6组115322578102431092108171567833883981885186309541292666712037125515322578102431096108171567833887981885186309481292666712037125各钢拉杆第一阶段施工张拉力/kN4.预应力张拉技术分析技术分析第一阶段张拉完成后钢构应力（MPa）第一阶段张拉完成后结构竖向位移（mm）4.预应力张拉技术分析技术分析胎架拆除后钢构应力（MPa）胎架拆除后结构竖向位移（mm）4.预应力张拉技术分析技术分析编号1组2组3组4组5组6组110615911420340856328612088146312397393112971323413624122138134172482475510615911420340856368612088146312397793112971323413628122138134172482475各钢拉杆第二阶段施工张拉力/kN4.预应力张拉技术分析技术分析第二阶段张拉完成后结构竖向位移（mm）第二阶段张拉完成后钢构应力（MPa）五、索夹抗滑移试验5.索夹抗滑移试验索夹是弦支穹顶结构中竖向撑杆、径向钢拉杆及环向拉索的交汇点；是下弦环索将预应力转换为对上部网壳支承力的关键节点。试验背景椭圆形弦支穹顶在受力状态下，斜角部位索夹节点两侧拉索的不平衡力较大，而索夹节点的抗滑性能影响了结构的承载能力：索夹抗滑力不足将导致索的滑移，