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        某大跨度儲煤倉索桁架屋蓋施工模擬分析

        2022-11-07 08:29:34李聰聰
        科技創(chuàng)新與應用 2022年31期
        關鍵詞:索索煤倉索力

        李聰聰,李 娟,劉 香

        (內(nèi)蒙古科技大學 土木工程學院,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

        索桁架結(jié)構(gòu)具有造型輕盈、節(jié)省材料等優(yōu)點,目前主要應用于大型體育館等公共建筑。索桁架結(jié)構(gòu)用于大跨度儲煤倉,可以彌補傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)儲煤倉自重大、用鋼量大的不足[1]。大跨度索桁架結(jié)構(gòu)儲煤倉由主柱、抗風柱、鋼桁架梁、撐桿、穩(wěn)定索、承重索、上下斜拉索、縱向索、柱間檁條及拉條組成。索桁架屋面系統(tǒng)從零應力態(tài)到初始態(tài)的過程是索系從“柔”轉(zhuǎn)“剛”的過程。這一過程中,對屋面索系施加了足夠的預應力,使屋面系統(tǒng)保持穩(wěn)定的形狀及承載力[2-3]。因此,索桁架結(jié)構(gòu)屋面系統(tǒng)的施工對于整個結(jié)構(gòu)的施工至關重要。本文以某大跨度索桁架結(jié)構(gòu)儲煤倉為例,針對該儲煤倉的屋蓋施工方案進行研究。本文研究內(nèi)容為該類型儲煤倉施工提供理論依據(jù),有利于大跨度索桁架結(jié)構(gòu)儲煤倉的推廣。

        1 工程背景

        本文以包頭市某公司大跨度儲煤倉為例。該儲煤倉面積為120 m×180 m,結(jié)構(gòu)跨度為120 m。儲煤倉屋蓋采用魚腹式索桁架體系,共有19榀索桁架,各榀之間連有縱向索,表面覆蓋輕型屋面板。如圖1所示。儲煤倉側(cè)立面如圖2所示。中間榀索桁架構(gòu)件布置如圖3所示。屋面索系均采用高強封閉索,拉索參數(shù)見表1,儲煤倉其余基本構(gòu)件參數(shù)見表2。

        表1 結(jié)構(gòu)拉索參數(shù)表

        表2 結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件參數(shù)

        圖1 大跨度索桁架結(jié)構(gòu)儲煤倉三維示意圖

        圖2 側(cè)立面圖(單位:mm)

        圖3 中間榀索桁架示意圖(單位:mm)

        2 索桁架屋蓋施工方案

        根據(jù)索桁架結(jié)構(gòu)儲煤倉的結(jié)構(gòu)特點及索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范規(guī)定,對索桁架屋蓋的施工擬定了“低空組裝索系,整體提升分級張拉”的施工方案。施工步驟如下。

        (1)低空組裝屋面索系。首先在場地內(nèi)搭設腳手架,腳手架中間高度為6 m,兩端高度為2.1 m。其次利用吊車和索盤進行放索和鋪索,將穩(wěn)定索和縱向索鋪設在場地內(nèi)投影位置的腳手架上,鋪設完畢后安裝索夾。最后將連接后的穩(wěn)定索和縱向索利用提升工裝提升至一定位置后安裝撐桿,并連接承重索。

        (2)整體提升屋面索系。將提升點設置在柱頂位置,在柱頂位置搭建施工操作平臺。將穩(wěn)定索作為提升載體,利用液壓同步提升系統(tǒng)整體。提升過程中,利用倒鏈牽引縱向索和承重索頭,當穩(wěn)定索提升到位后,承重索和縱向索的索頭距離耳板位置較近,便于后續(xù)張拉。

        (3)張拉索系。屋面索系整體提升到位后直接張拉穩(wěn)定索和縱向索到位,然后張拉上斜拉索到位,最后按照20%、40%、60%、80%、90%和100%分級依次張拉下斜拉索和承重索到位。

        (4)安裝屋面板。所有拉索張拉到位,索系具有一定的剛度后安裝屋面板。

        索桁架索系安裝過程如圖4所示。

        圖4 索桁架拉索安裝過程

        3 施工過程有限元模擬分析

        3.1 施工特點及有限元分析法

        從施工力學的角度分析,本工程中索桁架結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu),對結(jié)構(gòu)施加預應力后,應力的分布決定了結(jié)構(gòu)的幾何形狀。當外荷載作用時,索桁架結(jié)構(gòu)通過變形調(diào)整張力以抵抗外荷載[4]。

        本文采用有限元軟件MIDAS Gen對索桁架結(jié)構(gòu)施工過程模擬分析,該軟件與同類軟件相比在空間結(jié)構(gòu)施工階段分析方面更加成熟,操作步驟簡單,非線性分析功能全面。建立結(jié)構(gòu)的整體模型后,按照結(jié)構(gòu)的施工步驟將同一施工步驟中出現(xiàn)的桿件、邊界及荷載劃分為同一組,并將各個結(jié)構(gòu)組、邊界組及荷載組定義到相應的施工階段。利用MIDAS Gen施工分析數(shù)據(jù)中的累加模型計算時,下一個施工階段的內(nèi)力和變形隨上一個施工階段變化,此時單元被鈍化是將某一個極小的因子與此單元的剛度矩陣相乘,被鈍化單元的特性可以看作是無窮小的量,對其他單元不產(chǎn)生影響。在模型求解過程中只考慮被激活的構(gòu)件而不包括被鈍化的構(gòu)件,按照施工步驟將安裝構(gòu)件激活,未安裝構(gòu)件鈍化,最終達到真實施工模擬的目的[5]。

        結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接形式為:鋼柱與鋼桁架、墻面檁條及拉條之間為剛接,拉索與鋼構(gòu)之間為鉸接,拉索與拉索之間為鉸接。其中拉索采用索單元模擬,撐桿采用桁架單元模擬,其余鋼構(gòu)件均采用梁單元模擬,屋面板和墻面板采用板單元劃分網(wǎng)格模擬。本文采用施加初拉力荷載的方法施加預應力。

        3.2 施工模擬分析

        3.2.1 施工步驟的劃分(表3)

        表3 施工步驟劃分

        3.2.2 穩(wěn)定索索力變化

        根據(jù)施工模擬可知,屋蓋受力最大位置為中間榀索桁架處,因索桁架受力對稱,所以提取以下編號位置穩(wěn)定索索段索力進行分析,如圖5所示。

        圖5 中間榀穩(wěn)定索索段編號

        穩(wěn)定索編號索段索力變化如圖6所示。由圖可知,對稱位置的索段索力值和均變化趨勢相同。隨著承重索的逐級張拉,索桁架兩端位置穩(wěn)定索索力逐漸下降,中間位置穩(wěn)定索索力逐漸增加。施工步驟10中,承重索張拉到位,各穩(wěn)定索索段索力達到最大值,后續(xù)步驟索力無明顯變化。各索段索力最大值范圍為180~860kN,與各編號索段索力設計值偏差在10%范圍內(nèi),滿足規(guī)范要求[6]。結(jié)構(gòu)最終成型時索力呈現(xiàn)從中間向兩端逐漸遞減的特點。

        圖6 穩(wěn)定索索段索力變化

        3.2.3 承重索索力變化

        同理,提取以下編號位置承重索索段的索力進行分析,如圖7所示。

        圖7 中間榀承重索索段編號

        承重索編號索段索力變化曲線如圖8所示。由圖可知,對稱位置的承重索索段索力值相同,變化趨勢相近。施工過程中各索段索力逐漸增加,當預應力施加到80%時,承重索各索段索力幾乎相同,施工步驟10中,各索段索力達到最大值,范圍在5 500~6 300 kN之間,與各編號索段索力設計值偏差均在10%以內(nèi),滿足設計要求[6]。

        圖8 承重索索段索力變化

        由上述穩(wěn)定索和承重索索段索力變化曲線可知,當承重索未施加預應力時,由于索系自重作用,索桁架中間位置的承重索索段及兩端位置的穩(wěn)定索索段受拉力較大。雖然穩(wěn)定索施加了預應力,但索桁架拉索依然處于“柔”的狀態(tài),并不具備承受外荷載的能力。隨著承重索的張拉,穩(wěn)定索和承重索各索段之間索力得到平穩(wěn)的轉(zhuǎn)換,最終達到設計要求索力,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)從“柔”到“剛”狀態(tài)的轉(zhuǎn)化。

        3.2.4 索桁架屋面豎向位移變化

        通過施工模擬分析可知,索桁架屋面系統(tǒng)在張拉過程中豎向位移變形具有對稱性。豎向位移值呈現(xiàn)屋面中間位置大、屋面四周小的特點。在索系張拉過程中,屋面系統(tǒng)撐桿兩端位置節(jié)點豎向位移變化具有同步性。因此,本文選取屋面系統(tǒng)1/4區(qū)域內(nèi)撐桿上端的6個關鍵節(jié)點,如圖9所示。通過分析各關鍵節(jié)點豎向位移,反映索桁架屋面系統(tǒng)豎向位移變化。

        圖9 關鍵節(jié)點編號

        施工過程中各關鍵節(jié)點豎向位移變化曲線如圖10所示。由圖可知,施工過程中索桁架屋面系統(tǒng)邊節(jié)點豎向位移變化不明顯;中間節(jié)點豎向位移值先減小后增大,方向由下向上。當承重索的預應力施加到90%時,屋面呈現(xiàn)水平狀態(tài)。隨著承重索的張拉到位,中間節(jié)點位移逐漸增大,方向向上。結(jié)構(gòu)成型時屋面中間位置節(jié)點豎向位移值為118 mm左右,方向向上;邊節(jié)點位移值為5 mm左右,方向向下。最終屋面系統(tǒng)豎向位移滿足設計要求。

        圖10 關鍵節(jié)點豎向位移變化

        4 結(jié)論

        通過對本索桁架結(jié)構(gòu)儲煤倉屋面系統(tǒng)的施工模擬分析,得到以下結(jié)論。

        (1)該類型儲煤倉屋面系統(tǒng)施工時,可采用“低空組裝索系,整體提升分級張拉”的施工方案。

        (2)屋面系統(tǒng)整體提升時可選擇穩(wěn)定索作為提升載體,提升過程中同時牽引縱向索和承重索,這樣可以減少施工步驟,有利于后續(xù)索系張拉。

        (3)施工過程中,穩(wěn)定索和承重索索力實現(xiàn)平穩(wěn)轉(zhuǎn)換,并無出現(xiàn)巨大內(nèi)力,最終索力達到設計要求,施工過程安全可行。

        (4)施工過程中,屋面系統(tǒng)關鍵節(jié)點豎向位移變化符合變化規(guī)律,最終屋面系統(tǒng)豎向位移值滿足設計要求。

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