弦支穹顶结构体系中拉索(DOC 9页)

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1、弦支穹顶结构体系中拉索的应用弦支穹顶结构体系中拉索的应用连云港市建设监理有限公司 纪怀军 刘佳沁【摘要】连云港市体育馆钢结构屋盖为弦支穹顶结构体系，弦支穹顶结构是将张拉整体、索穹顶等柔性结构的概念和单层网壳相结合而形成的一种新型的空间结构体系。它应用了张拉整体的思想,将单层网壳和预应力拉索巧妙的结合起来,使弦支穹顶的受力性能比单层网壳有很大的改善,结构的整体刚度比单层网壳有很大提高。它作为一种新型的复合结构体系由上部的单层球面网壳，下部的预应力环索和斜索以及联系二者的撑杆组成，相对于单层网壳和索穹顶结构,它可以更经济、更合理、更美观。目前,大跨度空间结构是发展最快的结构类型，大跨度建筑及作为其

2、核心的空间结构技术的发展状况已是代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。【关键词】 弦支穹顶 预应力 拉索1工程概况连云港市体育馆主体结构形式为钢筋混凝土结构与钢结构相结合，屋盖结构形式新颖，布置复杂，建筑效果美观。体育馆主馆钢结构屋盖形状为不规则圆形，屋盖采用弦支穹顶结构体系，跨度为90米；该结构体系由上部单层网壳和下部弦支索杆体系构成，设置六道环向索，局部布置构造钢棒；其中撑杆采用圆钢管，上下端铰接，环向预应力钢索规格分别为5*139、5*85、5*55，缆索材料采用包双层高强度钢丝扭铰型钢绞线，单根钢丝直径5mm，抗拉强度不小于1670Mpa，屈服强度不小于1410Mpa，钢索抗拉弹性模

3、量（E）不小于1.9105Mpa，径向索采用钢拉杆规格为60，抗拉强度为835Mpa。该结构具有用钢量小，结构轻盈，钢结构主体截面类型少的特点。结构如图所示：2关键施工技术、工艺2.1技术路线概述本体育馆屋盖总体安装顺序为：将上层网壳和悬挑部分的钢结构全部安装结束后，进行预应力张拉。网壳安装结束后，在脚手架支撑作用下所形成的结构和设计图纸相吻合；支座为径向可滑动支座；施加预应力的方法为径向索张拉，张拉分两级，采取以控制张拉力为主，监测伸长值为辅的控制原则；张拉顺序由外向内张拉设计力的70%，由内向外张拉设计力的100%。2.2具体技术路线：2.2.1预应力施加原则预应力钢结构工程，关键技术、工

4、艺为施加预应力。以施加预应力前结构的位形为初始位形，设定拉索中的预应力，此时，结构的初始位形不能满足结构的平衡条件，在节点上产生了不平衡力，由于不平衡力的作用，结构产生位移，从而得到结构新的位形，节点不平衡力趋近于零。本工程具体找形过程分为以下四个状态：a、放样态（预应力零状态）：无自重、无预应力作用的放样状态；b、预应力平衡态：自重、预应力作用下的自平衡状态；c、恒荷载态：自重、预应力、并屋盖恒载作用下的自平衡状态；d、设计荷载态：在预应力零状态的基础上，承受设计荷载作用的状态。放样态所对应的几何参数是构件工厂加工的尺寸依据；自重态所对应的状态就是整个结构安装结束后在自重作用下的状态；对安装

5、后的结构施加预应力设计值后得到预应力平衡态，其对应的几何参数是设计图纸上该结构的几何外形，即设计人员希望得到的几何外形，此时索内预应力已经使单层网壳、撑杆和索三者形成共同工作的整体；在此基础上对结构施加恒载，结构由预应力平衡态变为恒载态，施加设计荷载作用时变为设计荷载态，如下图所示：为了合理的确定拉索预应力值，首先对未施加预应力的张弦单层网壳进行了静力分析。如果以减小甚至消除弦支穹顶对下部支撑体系的水平推力为标准，对于可滑动铰支，则以减小弦支穹顶的水平位移，应使支座节点在拉索预拉力及屋面荷载的共同作用下水平的径向位移接近于零。当然还要满足在施加预应力和荷载作用下，结构杆件应力要在设计应力范围之

6、内，同时控制整体竖向位移，水平位移也要在设计范围之内。2.2.2预应力施工方法本工程径向拉索采用钢拉杆（可调节），在施加预应力时，张拉径向索，这样结构整体就能够施加上预应力。2.2.3预应力调整方法，所有撑杆可调，弥补制作缺陷。为了弥补上层网壳制作和安装产生的误差，在张拉前，将网壳节点准确定位后，通过调节撑杆来减小误差，在张拉环向索后，可以通过调节撑杆的方法来调整钢索的预应力，使钢索及整体结构施工结束后达到设计状态。2.2.4预应力施工保证措施，网壳逐球定位，提高安装精度。为了保证能够顺利装索，施张预应力，进而使整体结构在施工结束后能够达到设计要求，必须提高上层网壳安装的精度。本工程在网壳安装

7、时，要做到逐个球节点三维准确定位，提高网壳的整体安装精度。3工程重点、难点3.1工程所需材料种类多、数量多、要求高。3.2杆件精度控制较多，铸钢节点制作精度要求高，大规格杆件焊接难度大。3.3桁架跨度大、构件重，施工高度高。3.4吊装节点设计与加固比较困难。3.5现场拼装精度高，高空拼装定位难度大。3.6工作面较分散，各工作面同时展开，机械设备整体协调比较困难。3.7索体的安装精度很高，索体长度的调节量只有3至4cm，环索分段较多。3.8安装过程中索体由于索体较重，PE护套容易损伤。3.9本体育馆钢结构工程索头、锚具较多，而索头、锚具越多，脱锚的隐患越大。4针对重点、难点的保证措施4.1索体安

8、装精度由于索体的安装精度很高，索体长度的调节量只有不到4cm，因此为了保证整个结构的安装精度，需要把分段制作完成的桁架在工厂内进行预拼装，同时到现场后上部单层网壳的安装要求精度更高。4.2索体的施工保证为了防止在钢结构焊接过程中飞溅的火花灼伤索体，一方面要在索体表面缠绕防火布保护，同时如果焊接部位正下方有索体经过的，要在焊接部位下面搭设防止火花飞落的防火板，避免火花直接飞落到索体上。4.3弦支穹顶结构的张拉方式主要有两种：张拉环向索和张拉径向索。这两种张拉方式带有各自的优缺点，要根据工程特点选择合适的张拉方法。张拉环向索张拉点少，设备和人员需求量小，环向索力容易保证，但张拉环向索的最大缺点是：

9、环向索和索节点存在很大的摩擦力，此摩擦力会造成撑杆和径向索力分布严重不均匀，造成结构起拱不均匀。张拉径向索可以很好的弥补此缺点，对于全对称结构，张拉径向索时索节点无切向位移，本工程有一定的不对称性，在索力设计时，一个原则是尽量减小索节点的切向位移，经索力的调整，无论张拉过程中还是张拉完成后索节点的切向位移都小于2mm。另外，本工程径向索是成对的，可以通过调整其中一根径向索，调节索节点的切向位移以及撑杆内力，因此张拉径向索可以保证环向索、径向索、撑杆内力以及结构起拱分布均匀。张拉径向索的缺点是张拉点多，设备和人员需求量大，环向索力只能通过径向索力反算。本工程特点是：每个环向索节点，对于两根撑杆和

10、两根径向索，环向索分为12段，夹角为30度，角度较大，张拉环向索会产生很大的摩擦力，造成两根撑杆内力严重不均匀，有些撑杆内力会变号，而且张拉完成后撑杆的内力无法调整，因此本工程采取张拉径向索的张拉方式。4.4减少索头、锚具、环索连接，增加调节套筒，增加环索与索节头摩擦装置降低摩擦力，只预张拉环索，在张拉过程中使环索与索节点的位置较稳定，通过张拉径向索施加预应力。4.5预应力张拉过程中不同工况下的预应力建立，应在仿真计算结果的指导下进行。并应规定结构的不同荷载，如屋面荷载、悬挂荷载的施加步骤和方法，尽可能均匀、对称、匀速的施工，避免出现过大的集中荷载。预应力施加过程的控制，在每一个阶段预应力过程

11、中，结构都经历一个自适应的过程，结构会经过自平衡而使内力重分布，形状也随之改变，所以预应力过程的监控是十分重要的。本工程委托专业检测机构,采取可靠的监测手段，对钢结构的变形和预应力钢索的受力进行实时监测，以确保结构施工期安全，保证结构的初始状态与原设计相符。4.6工程作业区分散各区定位由专业测量工程师负责和总包单位做好基准线的交接验收工作，对每根轴线位置由两组人复核，从而保证定位轴线及每榀构件的定位准确。4.7做好每区的施工计划，并由相应的劳动力、材料、设备，计划与之相对应，保证施工的正常按计划施工。5施工质量控制措施5.1施工准备过程的质量控制5.1.1优化施工方案和合理安排施工程序，做好每

12、道工序的质量标准控制，搞好图纸审查和技术交底工作。5.1.2严格控制进场原材料的质量，审核原材的出厂合格证等相关质保资料，对需复检的材料进行见证取样，严禁不合格材料的使用。5.1.3合理配备施工机械，搞好维修保养工作，使机械处于良好的工作状态。5.1.4预应力钢索制作加工的质量要求a、调直为了使钢索受荷后各根钢丝或各股钢绞线受力均匀，钢索的制作时下料长度要求严格、准确、等长。下料采用“应力下料法”，将开盘在200300MPa拉应力下的钢丝或钢绞线调直，可消除一些非弹性因素的影响。b、下料严格控制钢丝或钢绞线的号料。制作通长、水平且与索等长的槽道，平行放入钢索或钢绞线，使其不互相交叉、扭曲，在槽

13、道定位板处控制索的下料长度。c、切割钢索应用切割机切割，严禁用电弧切割或用气割，以防止损伤钢丝。d、编索宜用梳孔板向一方向梳理，同时编扎，每隔1米左右用细钢丝编排扎紧，不让钢丝在索中交互扭压。编扎成束后形成圆形截面，每隔1米左右再用铁丝扎紧。e、钢索的预张拉钢索的预张拉是为了消除索的非弹性变形，保证在使用时的弹性工作。预张拉在工厂内进行，一般选取钢丝极限强度的50%55%为预张力，持荷时间为0.52.0h。f、钢索的防护钢索在防护前必须表面处理，认真除污。钢索的防护方法有：黄油裹布；塑料涂层；多层液体氯丁橡胶防护；表面油漆；钢索用套管；内灌液体氯丁橡胶；将环氧树脂粉末喷于钢丝上再热熔，固化形成

14、，外加PE套管。这些防护方法可适应周围无严重侵蚀性的一般环境。5.2施工过程的质量控制5.2.1安装构件前应对构件进行质量检查，审批施工单位质量报验单。5.2.2严格控制各种测量仪器，在施工前均应送检标定，合格后方可使用。5.2.3安装施工中各工序之间要严格执行“三检制”，保证各种偏差在规范允许范围之内。5.2.4严格要求施工单位的质量检查员对各工序必须严格检验，自检合格后进行报验。5.2.5张拉过程控制施工前建立仿真模拟张拉工况，以此作为指导试张拉的依据。张拉逐级加载分成两级，分别为0.7con、1.0con。张拉时，服从统一指挥，按张拉给定的控制技术参数进行精确控制张拉。5.2.6张拉质量

15、控制方法和要求张拉时按标定的数值进行张拉，用伸长值和油压传感器数值进行校核；认真检查张拉设备和与张拉设备相接的钢索，以保证张拉安全、有效；张拉严格按照操作规程进行，控制给油速度，给油时间不应低于0.5min；张拉设备形心与预应力钢索在同一轴线上。5.3预应力张拉应急预案在进行预应力张拉过程中可能出现的情况有很多，比如：由于张拉过程没有达到同步，造成结构变形；由于某种原因造成短时间停电，使张拉过程暂时停止等等。对于第一种情况，可以通过控制给泵油压的速度使索力小的加快给油速度，索力比较大的减慢给油速度，这样就可以达到同一圈的环向索索力相同的目的。对于第二种情况，可以通过在张拉的同时把调节套筒拧紧，

16、保证索力变化跟张拉过程是同步的；突然停电状态下，在短时间内，千斤顶还是处于持力状态，并且油泵回油还需要一段时间。5.4预应力钢结构的施工仿真计算由于在预应力钢索张拉完成前结构尚未形成，弦支穹顶的结构整体刚度较差，因此必须用有限元计算理论，使用有限元计算软件进行预应力钢结构的施工仿真计算，以保证结构施工过程中及结构使用期安全。施工仿真计算实际上是预应力钢结构施工方案中及其重要的工作。因为施工过程会使结构经历不同的初始几何态和预应力态，这样实际施工过程必须和结构设计初衷吻合，加载方式、加载次序及加载量级应充分考虑，且在实际施工中严格遵守。理论上将概念迥异的两个阶段或两个状态分别称为初始几何态和预应

17、态，这两个状态的分析理论和方法是不同的。在施工中严格地组织施工顺序，确定加载方式，准确实施加载量是必要的。与施工过程相对应，施工仿真计算分为以下三个过程：安装完上层网壳（包括悬挑部分），拉索预紧和支撑脚手架拆除、张拉过程。6索力检测的必要性和意义随着索结构在建筑结构中的广泛应用，索结构的设计计算理论也得到了很大的完善和发展。索作为结构中的重要构件，索力是索结构的重要参数，施工过程中索力控制是关系到施工过程中结构内力和结构状态等的重要环节。同时使用过程中结构材质的恶化、缺陷或意外事故引起的结构损伤等因素都会引起索力的损失和变化。如何确定施工过程和使用过程的结构索力的大小已成为工程设计人员面前的一

18、个重大问题，也是当前结构无损检测中的一个重要课题。在本工程弦支穹顶结构中，采用了连续折线索作为下弦，索与斜杆之间采用了滑动支座。设计时是按照理想滑动条件进行计算分析的，但实际施工及使用阶段，索与斜杆之间存在一定的摩擦力，且索在使用阶段会产生一定的预应力松弛效应。所以，结构的计算设计假定与实际施工及使用情况间存在不可避免的差异，这样，结构施工完毕后索力是否达到设计要求以及结构在使用阶段索力是否在设计范围内工作便成为衡量本工程结构安全性的最主要标志。拉索是本工程中重要的结构构件和受力构件，因此索力的监测是十分必要和重要的。本次索力测量不仅可以记录在施工过程和使用过程中索力这一重要结构参数的变化，而且建议作为张拉阶段的施工指导，控制监督张拉过程中的索力，保证拉索安全合理张拉从而保证结构体系的安全性。7结束语随着现代大跨度空间结构的快速发展，结构跨度越来越大，造型越来越多样，为了确保结构刚度、整体稳定性能、减少施工难度，目前应用前景较好的为弦支穹顶结构，它巧用了拉索、预应力，从而起到了四两拨千金的效果，使本体育馆拥有轻盈外观的同时“骨架”也不失坚韧和刚强。在建筑语言运用上，采用了曲线、曲面及现代材料，使建筑极具现代感，长长的出挑及流线型的屋盖，使建筑显得轻巧灵活。建筑整体体形的简洁大气，以恢弘的气势展现在大众面前。11