王澤強(qiáng),周儲(chǔ)君,周黎光,司 波,高樹棟
(1 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院, 天津 300072;2 北京市建筑工程研究院有限責(zé)任公司, 北京 100039;3 北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院, 北京 100044;4 北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司, 北京 100088)
作為一種柔性索網(wǎng)結(jié)構(gòu),單層雙向正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)必須依靠施加在結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力來(lái)維持設(shè)計(jì)形態(tài)的穩(wěn)定性并獲得承載剛度。此類結(jié)構(gòu)拉索數(shù)量眾多,在生產(chǎn)和施工過(guò)程中容易出現(xiàn)誤差,而拉索屬于敏感性構(gòu)件,一根拉索的內(nèi)力發(fā)生變化,將會(huì)引起其他索力的變化。目前各類規(guī)范中規(guī)定了拉索索長(zhǎng)誤差的控制標(biāo)準(zhǔn)和拉索安裝完成后索力的控制標(biāo)準(zhǔn),但是由于拉索在結(jié)構(gòu)中的邊界條件不同,索力對(duì)索長(zhǎng)的敏感程度是不同的[1]。拉索長(zhǎng)度控制標(biāo)準(zhǔn)并不一定能夠滿足索力的控制限值,因此需要根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)制定相應(yīng)的索長(zhǎng)誤差控制限值。
目前國(guó)內(nèi)對(duì)大跨結(jié)構(gòu)拉索施工誤差的研究主要通過(guò)理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等幾種方法。宗鐘凌等[2]分析了索穹頂結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中可能存在的各種誤差。崔宇紅[3]等通過(guò)數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)分析了索桁架結(jié)構(gòu)施工誤差的敏感性。尤德清[4]、高博青[5]等用蒙特卡洛模擬法研究了索穹頂結(jié)構(gòu)性能對(duì)某些參數(shù)變化的敏感性。劉占省[6]、張麗梅[7]等研究了索穹頂結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件失效以及構(gòu)件制作誤差對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性的影響。東南大學(xué)孫巖[8]通過(guò)索長(zhǎng)誤差影響分析確定拉索制作誤差和鋼結(jié)構(gòu)安裝誤差的標(biāo)準(zhǔn)。目前針對(duì)單層雙向正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)索長(zhǎng)誤差的研究較少,且多數(shù)為誤差敏感性研究,沒有提出誤差的控制限值。
單層雙向正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工誤差,主要是拉索、耳板、鋼結(jié)構(gòu)等加工誤差;施工偏差,主要是鋼桁架、耳板等引起的施工偏差。對(duì)于單層雙向正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu),無(wú)論是構(gòu)件加工誤差,還是施工引起的偏差,都可以通過(guò)拉索長(zhǎng)度誤差來(lái)模擬。因此,基于國(guó)家速滑館大跨度單層雙向正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu),本文首先進(jìn)行單層雙向正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的拉索長(zhǎng)度誤差敏感性分析,然后根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理,制定索長(zhǎng)誤差的控制限值,并提出技術(shù)補(bǔ)償措施。最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證控制限值及補(bǔ)償措施的合理性。
國(guó)家速滑館主體結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),屋蓋采用國(guó)內(nèi)最大跨度的單層雙向正交馬鞍形索網(wǎng)結(jié)構(gòu),索網(wǎng)南北向最大跨度198m,東西向最大跨度124m,標(biāo)高為15.800~33.800m,支承于周圈鋼結(jié)構(gòu)環(huán)桁架上,并在環(huán)桁架外側(cè)設(shè)置幕墻拉索[9]。屋面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)包括承重索和穩(wěn)定索,均為高釩封閉索。承重索和穩(wěn)定索都采用雙索結(jié)構(gòu),承重索直徑為64mm,數(shù)量為98根;穩(wěn)定索直徑為74mm,數(shù)量為60根。120根幕墻索,有56mm和48mm兩種直徑,對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)起到一個(gè)穩(wěn)固作用。屋面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)平面布置示意和典型剖面示意見圖1。索網(wǎng)結(jié)構(gòu)為雙軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),1/4索網(wǎng)及拉索編號(hào)見圖2。
圖1 國(guó)家速滑館屋面索網(wǎng)平面布置示意圖和典型剖面圖
圖2 1/4索網(wǎng)及幕墻拉索編號(hào)
根據(jù)北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司提供的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,采用索單元模擬預(yù)應(yīng)力拉索,其余用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,計(jì)算模型見圖3。屋蓋環(huán)桁架結(jié)構(gòu)采用Q345圓鋼管,彈性模量為2.06×105MPa;拉索彈性模量為1.6×105MPa。承重索和穩(wěn)定索均采用雙索設(shè)計(jì),為方便計(jì)算,將穩(wěn)定索和承重索雙索根據(jù)等截面代換為一根拉索。
混凝土柱柱底、底層框架柱柱底邊界約束條件為剛性連接?;炷林c環(huán)桁架48個(gè)支座通過(guò)彈性連接來(lái)模擬,保證長(zhǎng)軸處支座1,2,3,4四個(gè)支座沿Y方向可滑動(dòng)外,其他支座在X和Y方向均可滑動(dòng)。支座位置見圖3。
圖3 計(jì)算模型及支座位置
荷載僅包括結(jié)構(gòu)自重,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際節(jié)點(diǎn)重量,鋼結(jié)構(gòu)自重系數(shù)取1.2,拉索自重系數(shù)取1.14,每個(gè)索夾節(jié)點(diǎn)荷載為1.2kN。
根據(jù)以上計(jì)算模型、約束及荷載條件等,計(jì)算得到張拉成形完成后的部分索力見表1(僅列出下文計(jì)算所需索力)。
張拉成形完成后的部分索力 表1
圖4 CZS-101索長(zhǎng)誤差引起的索力變化
圖5 CZS-112索長(zhǎng)誤差引起的索力變化
圖6 CZS-125索長(zhǎng)誤差引起的索力變化
采用MIDAS Gen有限元軟件建立國(guó)家速滑館整體結(jié)構(gòu)模型。通過(guò)式(1)對(duì)相關(guān)索段施加溫度荷載模擬索長(zhǎng)誤差。
(1)
式中:ΔT為溫度變化量;ΔL為索長(zhǎng)變化量;L為拉索原長(zhǎng);α為拉索線膨脹系數(shù)。
運(yùn)行分析后讀取索本身及相鄰索的索力相對(duì)于設(shè)計(jì)成形態(tài)的索力變化量。索力相對(duì)變化量的計(jì)算方法為(F′i-Fi)/Fi×100%,其中Fi為設(shè)計(jì)初始態(tài)索力,F(xiàn)′i為出現(xiàn)誤差狀態(tài)的索力。
為研究結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力分布對(duì)單根承重索索長(zhǎng)誤差的敏感性,選取承重索CZS-101(索長(zhǎng)最短),CZS-112(索長(zhǎng)居中),CZS-125(索長(zhǎng)最長(zhǎng)),三根索索長(zhǎng)及索力均不同,具有代表性。假定三根索均伸長(zhǎng)其長(zhǎng)度的1/2 000。計(jì)算其自身及附近其他主索的索力相對(duì)變化量,圖4,5,6為出現(xiàn)誤差的承重索及附近三榀承重索的索力相對(duì)變化量曲線,以及由該榀承重索誤差引起索力變化最大穩(wěn)定索的索力相對(duì)變化量曲線。
由圖4,5,6可知,單根承重索產(chǎn)生的索長(zhǎng)誤差對(duì)自身索力的影響最大,隨著索間距的增加,索力相對(duì)變化量逐漸減小,與產(chǎn)生誤差的承重索間隔兩榀以外的承重索幾乎不受影響。
CZS-101,CZS-112,CZS-125的索力相對(duì)變化量分別為-30.52%,-60.21%,-59.16%。承重索索長(zhǎng)誤差對(duì)穩(wěn)定索索力影響不大,承重索索長(zhǎng)誤差引起的最大穩(wěn)定索索力相對(duì)變化量?jī)H為1.49%,這是由于承重索力與穩(wěn)定索力夾角為直角,兩者內(nèi)力相關(guān)性較弱。
伸長(zhǎng)相同的比例,CZS-112和CZS-125相比于CZS-101的索力變化要大,由此說(shuō)明靠近短軸的承重索對(duì)誤差敏感性更強(qiáng)。
為研究結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力分布對(duì)單根穩(wěn)定索索長(zhǎng)誤差的敏感性,采用3.1節(jié)的方法首先假定WDS-1,WDS-8,WDS-15號(hào)穩(wěn)定索分別伸長(zhǎng)自身長(zhǎng)度的1/2 000。計(jì)算其自身及附近其他主索的索力相對(duì)變化量,圖7,8,9為出現(xiàn)誤差的穩(wěn)定索及附近三榀穩(wěn)定索的索力變化率曲線,以及由該榀穩(wěn)定索誤差引起索力變化最大的承重索的索力相對(duì)變化量曲線。
由圖7,8,9可得,單根穩(wěn)定索索長(zhǎng)誤差對(duì)自身索力影響最大,對(duì)間隔兩榀以上的穩(wěn)定索索力影響較小。
圖7 WDS-1索長(zhǎng)誤差引起的索力變化
WDS-1,WDS-8,WDS-15的索力變化量分別為-29.44%,-39.33%,-46.12%。單根穩(wěn)定索索長(zhǎng)誤差對(duì)承重索索力影響較小,最大索力相對(duì)變化量為4.51%。
伸長(zhǎng)自身長(zhǎng)度的1/2 000所產(chǎn)生索力相對(duì)變化量由小到大的順序?yàn)椋篧DS-1 為研究結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力分布對(duì)幕墻索索長(zhǎng)誤差的敏感性,選取幕墻索MQS-201,MQS-215,MQS-230,三根幕墻索分別位于長(zhǎng)軸、短軸和45°夾角位置處,而且索力也不同,選取的幕墻索具有代表性。使其分別伸長(zhǎng)L/2 000的索長(zhǎng)誤差,圖10表示三榀幕墻索的變化引起的結(jié)構(gòu)1/4對(duì)稱區(qū)的承重索、穩(wěn)定索及幕墻索的索力相對(duì)變化量。 由圖10可知,幕墻索產(chǎn)生的誤差對(duì)承重索和穩(wěn)定索索力產(chǎn)生的相對(duì)變化量在0.04%以內(nèi),可以忽略不計(jì),幕墻索的索長(zhǎng)誤差對(duì)自身索力的影響最大,對(duì)間隔兩榀以上的幕墻索索力影響很小。 圖8 WDS-8索長(zhǎng)誤差引起的索力變化 圖9 WDS-15索長(zhǎng)誤差引起的索力變化 圖10 幕墻索索長(zhǎng)誤差引起的索力變化 綜上可得,單根主索產(chǎn)生索長(zhǎng)誤差,主要影響自身,及相鄰兩榀拉索的索力。幕墻索索長(zhǎng)與承重索、穩(wěn)定索索力的相關(guān)性很小,與其自身的索力相關(guān)性較大。 分析單元取穩(wěn)定索WDS-15、承重索CZS-125,分別使其產(chǎn)生±50,±40,±30,±20,±10mm的索長(zhǎng)誤差,圖11為索自身及附近兩榀拉索的索力相對(duì)變化量。 圖11 索長(zhǎng)誤差對(duì)索力的影響 從圖11中可以看出,索力相對(duì)變化量和索長(zhǎng)誤差基本呈線性變化。這是由于施工造成的索長(zhǎng)誤差的長(zhǎng)度與整個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸相比非常小,誤差的變化不會(huì)引起很強(qiáng)的非線性,因此可以在線彈性、小變形的前提下,計(jì)算索長(zhǎng)變化與索力相對(duì)變化量的表達(dá)式[10],根據(jù)此表達(dá)式還可以得到其他誤差值下索力相對(duì)變化量。將拉索的索力相對(duì)變化量記為Y,拉索索長(zhǎng)誤差記為X,則Y與X滿足Y=αi,jX。其中αi,j為i軸拉索索長(zhǎng)變化1mm引起的j軸索力相對(duì)變化量。例如,由圖12可以看出穩(wěn)定索WDS-15索長(zhǎng)改變10mm,其索力相對(duì)變化量為4.71%,即Y=4.71,可以求出α15,15=0.471,由此方法可以得到所有拉索的誤差系數(shù)。 實(shí)際施工中,各個(gè)索的索長(zhǎng)誤差可能同時(shí)存在,從前文的分析僅僅得到各個(gè)索長(zhǎng)誤差單獨(dú)存在的情況下索力相對(duì)變化量,因此還需要研究多個(gè)索長(zhǎng)誤差共同存在的情況下相對(duì)索力相對(duì)變化量。 根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,使1/2結(jié)構(gòu)奇數(shù)軸的承重索和穩(wěn)定索12mm的索長(zhǎng)誤差,表2,3表示結(jié)構(gòu)在各個(gè)桿件索長(zhǎng)誤差單獨(dú)作用下和共同作用下相對(duì)索力相對(duì)變化量,均取長(zhǎng)度增加12mm。表中“合計(jì)”中的數(shù)據(jù)為第一列索單元分別產(chǎn)生12mm索長(zhǎng)誤差對(duì)第一行索單元內(nèi)力改變線性相加之和;表中“誤差共同作用”中的數(shù)據(jù)表示當(dāng)?shù)谝涣兴鲉卧瑫r(shí)產(chǎn)生12mm索長(zhǎng)誤差時(shí),第一行所列索單元的索力相對(duì)變化量。 承重索索長(zhǎng)誤差單獨(dú)作用下和共同作用下桿件內(nèi)力比較/% 表2 穩(wěn)定索索長(zhǎng)誤差單獨(dú)作用下和共同作用下桿件內(nèi)力比較/% 表3 從表2,3中數(shù)據(jù)可以看出,“合計(jì)”的數(shù)據(jù)與“誤差共同作用”的數(shù)據(jù)非常相近,二者之間存在的差別是由于結(jié)構(gòu)的幾何非線性[11]。因此在施工中可以近似認(rèn)為,通過(guò)前文給出的數(shù)據(jù),在實(shí)際施工中知道各個(gè)拉索的索長(zhǎng)誤差對(duì)索力的影響,通過(guò)簡(jiǎn)單相加就可以得出在各個(gè)拉索索長(zhǎng)誤差共同存在的情況下對(duì)索力的影響。 由第3節(jié)敏感性分析可知,單根拉索產(chǎn)生索長(zhǎng)誤差,主要影響自身及相鄰兩榀拉索的索力,因此會(huì)有2~4個(gè)因素對(duì)某軸線拉索的內(nèi)力造成影響。將誤差影響因素分別記為:X1,X2…Xn,Xi~N(μi,σi2)。由第3節(jié)可知拉索單元內(nèi)力改變和各個(gè)誤差近似成線性關(guān)系,即近似服從函數(shù)關(guān)系:Yi=αi,jXi,其中αi,j為4.1節(jié)介紹的誤差系數(shù)。 根據(jù)3.2節(jié)的結(jié)論,各個(gè)拉索的索長(zhǎng)誤差對(duì)索力的影響是獨(dú)立的,因此全部索力總的相對(duì)改變量為Y=∑Yi,則Y的期望和方差為: EY=E(∑ai,jXi)=∑ai,jμi (2a) (2b) 根據(jù)施工要求索力偏差要在±15%以內(nèi),也就是Y在區(qū)間[-15,15]的概率大于99.73%。即P(-15 設(shè)均值μ=0,則上式轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p> 《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 257—2012)[12](簡(jiǎn)稱索規(guī))對(duì)拉索長(zhǎng)度誤差的控制要求如表4所示。 拉索長(zhǎng)度控制誤差 表4 施工中拉索施工索長(zhǎng)誤差近似服從高斯分布[13],根據(jù)“3σ”質(zhì)量控制原則,誤差在[μ-3σ,μ+3σ]的概率大于99.73%,因此可以求出索規(guī)中對(duì)拉索索長(zhǎng)誤差要求的均值與標(biāo)準(zhǔn)差,如表5所示。 索長(zhǎng)誤差限值統(tǒng)計(jì)特征 表5 表6列出影響承重索CZS-112誤差因素的均值、方差、誤差系數(shù)。 承重索CZS-112誤差因素統(tǒng)計(jì)特征和誤差系數(shù) 表6 將上文根據(jù)索規(guī)計(jì)算得到的拉索索長(zhǎng)誤差的方差降低到原來(lái)的1/10.91,即要求Xi~N(0,14.75),為了達(dá)到此方差控制水平,就要提高拉索的施工精度。設(shè)拉索索長(zhǎng)誤差限值為±δ,根據(jù)工程要求,P(-δ Φ(δ/σ)-Φ(-δ/σ)=2Φ(δ/σ)-1=0.997 3 根據(jù)以上方法計(jì)算出了所有拉索索長(zhǎng)誤差限值,并綜合考慮拉索生產(chǎn)和施工的實(shí)際情況,確定拉索索長(zhǎng)誤差限值δ≤0.01%L。 在工程施工中,索的制作誤差、環(huán)梁耳板位置偏差、索頭與錨固端連接處的加工偏差都可視為索長(zhǎng)誤差[14],由4.3節(jié)得出的理論索長(zhǎng)誤差限值對(duì)一般的施工工藝和生產(chǎn)技術(shù)要求較高,因此需要一定的技術(shù)補(bǔ)償措施來(lái)保證限值的要求。 (1)拉索下料長(zhǎng)度保證措施 拉索下料全部采用應(yīng)力下料,即以結(jié)構(gòu)成形態(tài)的索力和長(zhǎng)度為依據(jù),將拉索張拉到該力值對(duì)拉索進(jìn)行標(biāo)記下料。在無(wú)應(yīng)力情況下,索長(zhǎng)應(yīng)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算模型初始形態(tài)下的長(zhǎng)度,而有應(yīng)力的索長(zhǎng)為結(jié)構(gòu)成形態(tài)的拉索長(zhǎng)度減去該索在設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力下的拉伸長(zhǎng)度,所以拉索的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度將小于結(jié)構(gòu)成形態(tài)下對(duì)應(yīng)的索長(zhǎng)度[15]。 (2)索長(zhǎng)誤差補(bǔ)償措施 將拉索制作成如圖12所示的長(zhǎng)度可調(diào)的拉索,通過(guò)調(diào)節(jié)拉索調(diào)節(jié)套筒來(lái)補(bǔ)償拉索長(zhǎng)度誤差。 圖12 拉索加工示意圖 (3)環(huán)梁耳板施工偏差保證措施 在拉索安裝前,使用全站儀對(duì)所有耳板孔中心點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量,并在測(cè)量中考慮溫度和偶然測(cè)量誤差影響并取平均值,根據(jù)測(cè)量結(jié)果確定拉索調(diào)節(jié)套筒的調(diào)節(jié)量,可以有效消除拉索耳板施工偏差帶來(lái)的影響[16]。 實(shí)際施工過(guò)程中,測(cè)量安裝完成后的所有拉索耳板安裝偏差,重點(diǎn)關(guān)注敏感性較大的拉索對(duì)應(yīng)耳板安裝偏差;索網(wǎng)提升張拉前,根據(jù)測(cè)量結(jié)果,通過(guò)調(diào)節(jié)拉索調(diào)節(jié)端,中間過(guò)程不再調(diào)整,結(jié)構(gòu)全部張拉完成后,根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果,局部調(diào)整穩(wěn)定索索力。由以上分析可知,通過(guò)調(diào)節(jié)拉索調(diào)節(jié)端的方法來(lái)補(bǔ)償索長(zhǎng)誤差,實(shí)際上就是“拉索定長(zhǎng)索網(wǎng)成形法”??傊瑢?duì)索長(zhǎng)進(jìn)行敏感性分析與技術(shù)補(bǔ)償對(duì)實(shí)際施工具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。 選取奇數(shù)軸線位置的穩(wěn)定索的實(shí)測(cè)索力與理論值進(jìn)行對(duì)比分析,表7,8分別為穩(wěn)定索張拉完成后北側(cè)與南側(cè)穩(wěn)定索的實(shí)測(cè)索力值與理論值;表9為部分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)標(biāo)高的理論值與實(shí)際值的對(duì)比,位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)見圖13,監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要是施工過(guò)程中索網(wǎng)中間變形量較大的位置,具有一定的代表性。由表7,8可以看出,張拉完成后索力偏差均在10%以內(nèi)。由表9可以看出,張拉完成后關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)標(biāo)高偏差在0.1m以內(nèi)。說(shuō)明按照本文提出的索長(zhǎng)誤差限值和技術(shù)補(bǔ)償措施,可以使索網(wǎng)結(jié)構(gòu)成形后的索力和位形滿足驗(yàn)收規(guī)范的要求。 北側(cè)穩(wěn)定索實(shí)測(cè)索力值與理論值的對(duì)比 表7 南側(cè)穩(wěn)定索實(shí)測(cè)索力值與理論值的對(duì)比 表8 圖13 位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置 部分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)標(biāo)高的理論值與實(shí)際值的對(duì)比 表9 (1)單層雙向正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu),對(duì)于施工偏差和加工誤差敏感性比較強(qiáng)。本工程承重索、穩(wěn)定索、幕墻索均為局部敏感性構(gòu)件,距離產(chǎn)生誤差的拉索越遠(yuǎn),誤差引起的索力變化越小,誤差對(duì)附近兩榀的索力影響最大。 (2)幕墻索由于自身索力設(shè)計(jì)值較小,而且長(zhǎng)度較短,對(duì)索長(zhǎng)誤差較為敏感,需要在施工中嚴(yán)格控制幕墻索的索長(zhǎng)誤差、環(huán)梁鋼結(jié)構(gòu)的安裝偏差。 (3)通過(guò)索長(zhǎng)誤差控制限值的研究分析,對(duì)于本工程,取拉索的誤差限值δ≤0.01%L,可以保證索力偏差在±15%以內(nèi)。 (4)通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明,本文提出的索長(zhǎng)誤差限值和技術(shù)補(bǔ)償措施,可以使得索網(wǎng)張拉成形態(tài)的索力、位形滿足規(guī)范要求。3.3 幕墻索索長(zhǎng)誤差敏感性
4 索長(zhǎng)誤差控制限值研究
4.1 單根拉索索長(zhǎng)誤差對(duì)結(jié)構(gòu)的影響
4.2 多根拉索索長(zhǎng)誤差對(duì)索力的影響
4.3 索長(zhǎng)誤差限值建議
4.4 技術(shù)補(bǔ)償措施
5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析
6 結(jié)論