曹 江 羅 斌 郭正興 陳宗學

1. 中建八局工程研究院 上海 200122；2. 東南大學土木工程學院 江蘇 南京 210096；3. 河北建設集團股份有限公司 河北 保定 071000

弦支穹頂結(jié)構(gòu)自提出以來，便憑借其獨特的結(jié)構(gòu)理念、高效的傳力機制以及簡潔美觀的造型在工程建設中得到廣泛應用[1-3]。弦支穹頂作為一種先進的預應力空間結(jié)構(gòu)，一般由上部單層網(wǎng)殼和下部弦支索桿體系組成，其預應力施工方法一般包括三大類，即環(huán)向索張拉、徑向索張拉和撐桿頂升[4]。

預應力鋼結(jié)構(gòu)的施工不能是簡單地進行索的張拉，因為在預應力逐步建立的過程中，其他環(huán)索、徑向索以及相鄰其他構(gòu)件的內(nèi)力均會受到不同程度的影響。因此需詳盡地對結(jié)構(gòu)以及其施工過程進行分析，以掌握結(jié)構(gòu)的特性，保證施工過程的安全，選擇合理的預應力施加方案，確定結(jié)構(gòu)的施工參數(shù)和施工控制目標等。本文結(jié)合河北北方學院體育館鋼屋蓋弦支穹頂工程項目，采用ANSYS有限元軟件，對該結(jié)構(gòu)進行施工全過程分析，確定了合理的拉索張拉施工方案，為工程施工提供可靠依據(jù)。

1 工程概況

河北北方學院體育館鋼屋蓋弦支穹頂結(jié)構(gòu)由上部單層網(wǎng)殼和下部索桿體系構(gòu)成，是傳統(tǒng)索穹頂與空間網(wǎng)殼的混合體（圖1）。

整個弦支穹頂?shù)倪吔绻?jié)點與環(huán)形鋼梁通過焊接球節(jié)點連接，環(huán)形鋼梁的部分節(jié)點與柱的連接采用鑄鋼球鉸支座形式，共設32個支座，球鉸支座安裝在下部鋼筋混凝土框架柱頂上。

屋蓋結(jié)構(gòu)的平面投影為類橢圓形（圖2），尺寸約為89.9 m×82.7 m，結(jié)構(gòu)上部單層網(wǎng)殼為凱威特型和聯(lián)方型結(jié)合布置，網(wǎng)殼最高點標高為25.36 m，由于網(wǎng)殼周邊支撐不等高，結(jié)構(gòu)在x、y這2個方向上的矢高分別為4.14 m和4.86 m；下部弦支索桿體系為Levy體系，設置有5圈環(huán)索、6道徑向鋼拉桿，最內(nèi)圈徑向鋼拉桿與中心撐桿連接。本工程在分析過程中，將5圈環(huán)索由內(nèi)向外編號為HS1～HS5。

圖1 體育館屋蓋結(jié)構(gòu)軸測圖

圖2 結(jié)構(gòu)平面示意

弦支穹頂下部索桿體系由環(huán)索、徑向索和撐桿構(gòu)成。其中環(huán)索為Galfan索，徑向索為鋼拉桿，撐桿采用圓鋼管，上端與網(wǎng)殼采用焊接球節(jié)點連接，下端與索夾固接。

2 施工方案

根據(jù)本工程特點，經(jīng)詳細的結(jié)構(gòu)分析和方案比對，確定采用環(huán)向索張拉法在結(jié)構(gòu)中建立所需的預應力，總體施工方案[5-6]如下：第1步，搭設滿堂腳手架至網(wǎng)殼節(jié)點安裝位置，采用高空散拼的方法，按照施工圖拼裝上部單層網(wǎng)殼（圖3）；第2步，待網(wǎng)殼拼裝完成后，將網(wǎng)殼支座初步固定，同時，隨著網(wǎng)殼拼裝作業(yè)過程的開展，逐環(huán)安裝撐桿和相應的拉索；第3步，從外環(huán)向內(nèi)環(huán)進行第1次循環(huán)張拉，達到90%設計索力；第4步，將結(jié)構(gòu)脫離支架，從內(nèi)環(huán)向外環(huán)開始第2次循環(huán)張拉，使環(huán)索達到100%設計索力；第5步，張拉完成后，擰緊索夾；第6步，拉索施工完畢后，安裝馬道和屋面材料等。

圖3 單層網(wǎng)殼拼裝胎架布置

具體張拉順序：第1階段，由外環(huán)索向內(nèi)環(huán)索逐圈進行張拉，每圈環(huán)索張拉至90%目標索力；第2階段，由內(nèi)環(huán)索向外環(huán)索逐圈進行張拉，每圈環(huán)索張拉至100%目標索力（圖4）。

圖4 弦支穹頂環(huán)索張拉施工順序示意

進行預應力施工時，外5環(huán)采用環(huán)索張拉法，最內(nèi)環(huán)采用徑向索張拉法；同一環(huán)的環(huán)索或徑向索同步分級張拉。外5環(huán)在張拉環(huán)索時，為減小索夾摩擦力引起的環(huán)索索力損失，從外向內(nèi)5環(huán)環(huán)索的張拉點的數(shù)量分別為8、8、6、4、4（圖5）。

本工程在拉索的任一張拉端均設置操作平臺進行同步張拉施工。為控制結(jié)構(gòu)的整體位形和撐桿垂直度，以及預應力建立的均勻性，同環(huán)拉索需同步分級張拉。同步張拉細分為6級：0→10%（初緊狀態(tài)）→25%→50%→70%→90%→100%。

弦支穹頂結(jié)構(gòu)只有通過張拉施工，在結(jié)構(gòu)中建立必要的預應力后，才具有較大的結(jié)構(gòu)剛度，以承受較大荷載并維持設計位形。因此，除了構(gòu)件自身的幾何參數(shù)和力學特性、構(gòu)件之間的幾何拓撲關(guān)系和連接節(jié)點之外，預應力也是結(jié)構(gòu)構(gòu)成的重要內(nèi)容。結(jié)構(gòu)中的“力”和“形”是統(tǒng)一的，“力”是在對應的“形”上平衡。因此，結(jié)構(gòu)施工時要對“力”和“形”實行雙控，即控制索力和結(jié)構(gòu)形狀，其中以控制張拉點索力為主。

3 施工過程有限元分析

弦支穹頂結(jié)構(gòu)施工成形過程是一個連續(xù)變化的過程，下一階段的施工會對已完成部分的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的內(nèi)力、變形等產(chǎn)生影響，尤其是在結(jié)構(gòu)施工過程中預應力的施加，會使結(jié)構(gòu)形態(tài)產(chǎn)生很大改變。只有對結(jié)構(gòu)進行施工全過程分析，掌握結(jié)構(gòu)的特點，跟蹤、模擬、計算每個施工階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移，才能準確得到施工過程對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的累積效應，保證結(jié)構(gòu)施工安全、有效地進行。

3.1 有限元模型

建立ANSYS有限元計算模型時，單層網(wǎng)殼鋼構(gòu)件采用Beam188單元，撐桿采用Link8單元，拉索和鋼拉桿采用僅受拉的Link10單元，支撐胎架采用僅受壓的Link10單元。施工分析荷載，根據(jù)施工過程僅考慮結(jié)構(gòu)自重和屋面橫載[7]。

節(jié)點連接形式：單層網(wǎng)殼各節(jié)點固結(jié)；撐桿與環(huán)索采用耦合連接的方式，撐桿下節(jié)點與環(huán)索對應節(jié)點在豎向和徑向耦合，環(huán)索在環(huán)向可以自由滑動。

邊界條件：第1階段，最外環(huán)鋼環(huán)梁在32個支承節(jié)點處采用豎向固結(jié)、切向固結(jié)、徑向可滑動（徑向無摩擦阻力）的約束方式，同時在網(wǎng)殼各個節(jié)點處設置豎向支撐；第2階段，在第1階段的基礎上拆除網(wǎng)殼各節(jié)點豎向支撐使網(wǎng)殼與支架脫開，同時最外圈鋼環(huán)梁在32個支承節(jié)點處繼續(xù)采用豎向固結(jié)、切向固結(jié)、徑向可滑動（徑向有摩擦因數(shù)為0.1的摩擦阻力）的約束方式。

注意到結(jié)構(gòu)具有雙重非線性（幾何非線性和材料非線性）的特點，分析中考慮幾何大變形和應力剛化效應。為保證計算過程的連續(xù)性，采用拉索初拉力荷載來模擬預應力作用。

3.2 恒載初始態(tài)目標索力分析

根據(jù)設計要求，圖紙給定的弦支穹頂位形是屋面恒載和全部預應力施加后正常使用的幾何形態(tài)，即在拉索等效預張力和結(jié)構(gòu)恒載共同作用下，結(jié)構(gòu)的跨中豎向位移、單向滑動端支座沿滑動方向的位移接近零。

現(xiàn)根據(jù)結(jié)構(gòu)設計給出的環(huán)索等效預張力（表1），計算得到恒載初始態(tài)下的各環(huán)索目標索力（表2、圖6）。

表1 環(huán)索等效預張力

表2 恒載作用下拉索目標索力

圖5 弦支穹頂環(huán)索張拉點示意

圖6 環(huán)索目標索力分析示意

3.3 施工過程模擬

預應力鋼結(jié)構(gòu)都具有一定的空間作用，環(huán)索在張拉過程中，各環(huán)環(huán)索之間的索力會相互影響。因此，為滿足結(jié)構(gòu)的力與形，應通過施工全過程的有限元分析，確定各環(huán)環(huán)索張拉工況下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的工作狀態(tài)及對應的施工張拉索力[8]。利用ANSYS有限元分析軟件模擬整個施工張拉過程，分析得到了每個施工階段的拉索張拉力和環(huán)索在張拉過程中索力之間的相互影響情況。

分析結(jié)果表明，張拉鄰跨的環(huán)索時，先前已張拉的環(huán)索索力會有一定的變化，但整個施工過程中每環(huán)環(huán)索的索力變化均小于5%，證明該結(jié)構(gòu)體系的空間作用效應并不明顯，可以采用從外環(huán)向內(nèi)環(huán)、再從內(nèi)環(huán)向外環(huán)循環(huán)張拉的施工方法（圖7）。

4 結(jié)語

預應力鋼結(jié)構(gòu)與普通鋼結(jié)構(gòu)的重要區(qū)別之一在于預應力的施加對結(jié)構(gòu)的形狀、內(nèi)力、其他環(huán)索和徑向索的索力及相鄰其他構(gòu)件都有所影響，需詳盡地對結(jié)構(gòu)的施工全過程進行分析，以掌握結(jié)構(gòu)的特性。

圖7 工程現(xiàn)場

本文采用ANSYS有限元分析軟件對河北北方學院體育館鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的施工全過程進行了模擬分析，得出以下幾個主要結(jié)論：

1）張拉過程中，相鄰環(huán)索索力相互影響較小，且最內(nèi)環(huán)鋼拉桿索力較小，預緊即可滿足要求。

2）本結(jié)構(gòu)在施工過程中的最大豎向位移為＋116.41 mm（上撓）和－41.92 mm（下?lián)希?，最大撓跨比?/712。

3）施工過程中網(wǎng)殼桿件的最大等效應力不超過128.26 MPa，處于彈性應力狀態(tài)。

4）脫架后，結(jié)構(gòu)豎向位移下移，即上撓從＋111.01 mm變至＋82.60 mm、下?lián)蠌模?.09 mm變至－36.87 mm；單層網(wǎng)殼桿件最大應力基本沒變；環(huán)索的應力均有不同程度的變化，最外環(huán)索HS5的索力增大3%，其余索的索力均有所下降，下降幅度均不超過9%。

分析結(jié)果表明：該工程的施工方案安全可靠，結(jié)構(gòu)在施工過程中的變形較小，受力較為均勻且合理，施工完成后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)滿足設計要求，為工程施工提供了重要依據(jù)。