大跨度多次預應力鋼穹網殼設計與張拉監控

ss攀枝花體育館平面呈八角花瓣形,周圍用8個柱面相連,跨度近65m,曲邊八邊形外尚有l.94~4.16m不等的懸挑。屋蓋支承于標高16.6m的8個混凝土圓柱頂上,相鄰柱距24.85m,殼中心標高(節點球心)27.90m。最大平面覆蓋尺寸74.8m×74.8m。該工程按7度抗震設防,屬Ⅰ類場地土,基本風壓0.5kN/m2,屋面荷載4.11kN/m2。

網殼桿件用16Mn鋼管,計4633根,另加8大束鋼絞線預應力高強拉索,節點球986個,其中大部分節點為鼓形螺栓球,少量(約15%)為焊接空心球。8個支座采用橡膠墊板減振并消除溫度應力。16Mn鋼網殼設計用鋼量為35.00kg/m2。后因16Mn鋼管現貨匹配不齊,改用以大代小的Q235鋼管,屋面荷載變為4.25kN/m2,實際工程用量增至49.00kg/ m2。

該屋蓋結構選型時,除首先要滿足建筑功能、使用要求、安全可靠并符合設計規定外,還進行了曲面平板網架、預應力混凝土邊構支承的鋼網殼、非預應力鋼網殼、預應力鋼網殼等多方案比較。分析表明,多次預應力鋼網殼比非預應力鋼網殼節約鋼材36.61%,比平板網架省鋼54.88%。最后決定采用按多次預應力組合式短程線型鋼網殼方案。據悉這是世界上多次預應力新技術應用于空間鋼結構的首例工程。因國內無網殼設計規范,亦無預應力鋼結構設計規程,故工程設計只能參照相關規范和自身特點以及該項目階段性研究成果進行。

第1章          預加應力體系的選擇

網殼的預加應力體系包括布索方案、預應力節點和預應力拉索選型,在網殼中如何布索才能提高預應力經濟效益是關鍵問題。布索的原則是:在預應力的作用下，結構具有最多數量的卸載桿,最少數量的增載桿和中性桿,以使網殼的卸載效應大,從而收到明顯的效果。

網殼宜在下部殼外布索,其布索方案大致可分兩類(圖6.7-2):一類為殼邊緣布索—邊構街外布索(A-A)、支座兩兩相間配索(B-B);另一類為殼中部布索—支座對角線配索(C-C)、對角線下撐式殼外配索(D-D)。桿件卸載效應和節點反拱度效應分析結果顯示,中部布索方案的矢高大,易獲較大的反力矩,因而卸載與反拱度效應均比邊緣布索方案明顯。由于建筑要布設吊頂,不容預加應力體系結構外露,故正式施工圖設計采用殼外下撐式直束配索的邊緣布索方案（A-A)。該預加應力體系方案與網殼的邊緣構件和殼面構件合二為一,僅需加大截面尺寸,以簡化構造。下撐拉索為高強鋼絞線,通過間M錨具錨于預應力節點,考慮到平面外的穩定性,特于側向加桿扶持。

為改善布索方案A-A矢高小的不利受力情況,在八條邊下設置了32根向上的撐桿,它能產生很大的上抬力,以彌補其卸載與反拱度效應差的不足。

第2章          預應力全過程計算原理及靜力分析

預應力網殼全過程計算,實際上就是加載順序在網殼計算上的反映。該屋蓋工程根據荷載的可分性、施工設備及工藝的可行性,在簡化構造的情況下,為最大限度提高結構承載能力,節約鋼材、降低造價,在征求施工單位意見后,決定采用以高強鋼絞線為預應力拉桿的預應力結構五階段設計。即“受載—張拉一受載一張拉一受載"的加載順序。首先,網殼拼裝就位后,加上約半數的屋面板重,使桿件處于受載狀態,第一次利用荷載作用下桿件的允許承載能力;其次,張拉鋼索,大致按荷載比例確定初始預加力值,對整個網殼相當大部分的桿件施加預應力至其反向允許承載力的極限;再第二次加上首批余下的全部殼板重量,第二次利用荷載下桿件的允許承載能力;然后第二次張拉鋼索達總預加力控制值,這時,網殼又有相當大部分桿件達到其反向允許承載力的極限;最后第三次將屋面構造、室內吊頂、燈光、馬道、水電管線等全部荷載加上,從而使網殼桿件的承載能力達到設計值,第三次利用桿件的允許承載能力。分析中,每當全部荷載工況計算完畢,都要根據內力組合結果,調整桿件截面,再進行下一輪計算,并需復檢惡劣工況,再調桿件截面至滿足設計要求。

預加力值的選擇包括預加力值的初始值和最終控制值的確定,兩次預加力幅值變化及其引起不同的桿件內力和經濟效益等,問題比較復雜。預應力值不是越大越好,而是要根據工程具體情況,調整至變形適度、桿力不能過大、桿件理論重量最輕的最佳狀態,這主要通過不同方案反復試算后優選確定。本工程預加力值的初始值和最終控制值分別取450kN和250kN較為合適。按空桁法專用程序分析其內力分布規律,理論分析與模型實測結果比較吻合。

第3章          動力特性及地震反應分析

理論分析及模型試驗表明,結構體系的頻率分布成幾個密集區形式。加預應力后,網殼的自振頻率有縮短趨勢。當預應力網殼作整體振動(主要是基頻)時,網殼各桿件間的相互拉力可以抵制其振動幅值;但在大多數自振頻率下,網殼作局部振動。采用反應譜理論對結構豎向地震反應作了分析,從若干典型桿元的內力反應看,其最大的動力效應一般不超過靜力反應的6.84%,進行內力組合結果,對7度設防的結構設計不起控制作用。總的看來,預應力網殼結構具有良好的動力特性和抗震性能。

第4章          預應力施工

網殼拉索選用低松弛1860級4束7Фj12.7鋼絞線,閔M13-7型錨具。

第1節                                預應力筋下料穿束

預應力筋按各邊構兩球節點間長度加千斤頂施工長度作為鋼絞線下料長度。用電動砂輪機切斷,逐根穿入球節點錨固。穿孔時應對號入座,使所有鋼絞線在兩受力球節點中不得相互纏繞和錯頭,每束須平行對稱定位。

由于預應力筋完全外露在空間,張拉前用錯具將鋼絞線作臨時錨固,待預應力筋全部穿完后,因為采用整束張拉,需對每束(4束7Фj12.7)作長度調整。調整方法為將每束中7根鋼絞線逐根由人工拉直,使每束7根鋼絞線在跨中相互撓度誤差不得超過10mm。按此標準值控制,其縱向長度誤差僅0.03mm,所以只需要保證每束跨中撓度相互誤差在10mm以內,縱向長度誤差可忽略不計。這樣在鋼索張拉過程中,滿足了鋼絞線受力均勻的要求。

第2節                                預應力張拉

預應力張拉根據網殼預應力束布置特點,選用16臺YCQ-100型千斤頂,8臺ZB4-500型電動油泵,分別布置在8條邊構交叉處。

網殼中每條邊構鋼索設置有4束鋼絞線,由8套拉伸機分別對8條鋼索同時張拉。每次張拉需分兩批進行。為使球節點受力均勻,先將2臺千斤頂安放在對角束端部作第一批張拉,待第一批張拉結束后再以相同方法作第二批對角束張拉。因預應力筋為直線體外束,故采用一端張拉,另一端錨固(圖6-7-3)。

當分批張拉時,兩端受力球會產生較大軸向變形;張拉又不能反復過多,以免夾片損傷鋼絞線。所以需提高先張拉的第一批鋼絞線張拉力,以解決第二批張拉時球節點軸向位移而產生的對第一批兩束的損失值。為更精確地確定超張拉值,在兩端球節點上分別安放位移計,實測出第一批預應力束張拉到設計張拉力時兩球節點之間的位移,從而得出實際超張拉值。待第一批張拉到設計控制預應力時暫不錨固,需補足超張拉值后再行錨固。這樣在第二批預應力結束后,使每邊構中4束預應力筋張拉力基本相等。最后工程實測位移值為13.8mm,設計計算位移為13.7mm,實測與計算基本吻合。

設計要求8條邊構鋼索施加的預應力必須同步進行。張拉由16臺千斤頂和8臺油泵控制,要做到同步,須控制8臺油泵的進油量。故采用分級同步方案,即將張拉控制應力分5個級差,逐級提高張拉力。現場由專人統一指揮控制各加油點級差的提高,以保證同步張拉。

第3節                                鋼索及球節點的處理

張拉結束后,將錨具外50mm處多余鋼絞線割斷。對球心灌入高標號水泥漿,以加強錨固效果,最后用細石混凝土封閉錨頭。體外鋼索采用先刷紅丹磁漆2遍,后用石棉繩密纏鋼索,再用0.3mm鍍鋅鐵皮外包,最后在鍍鋅鐵皮上涂刷防火涂料作防腐處理。

第4節                                監控

在各工況加荷和預應力張拉卸荷過程中,分別對網殼191根桿件內力、51個特征節點的三向節點位移和支座水平位移進行監控檢測,結果表明網殼位移和內力大部分實測值較為滿意。結構主要受力部位的節點位移和內力實測值與理論值吻合良好,預應力已足夠地建立起來,結構能安全正常工作。