張德欣,侯彥果,朱博莉,顧爽爽,馬曉暉,聞陳寶,伍錦鵬,賀 雄

(1.北京建工集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京 100088; 2.清華大學(xué)土木工程系,北京 100084; 3.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083; 4.中冶(上海)鋼結(jié)構(gòu)科技有限公司,上海 201908)

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)滑移施工技術(shù)包括逐區(qū)滑移、累積滑移、整體滑移等。逐區(qū)滑移是將一區(qū)域或由若干區(qū)域組成的滑移單元從一端滑移至設(shè)計(jì)位置,各滑移單元間分別在高空進(jìn)行連接,直接形成整體結(jié)構(gòu)。累積滑移將滑移單元在滑移軌道上滑移一段,待連接好下一單元后再滑移一段距離,反復(fù)積累直至所有單元滑移至設(shè)計(jì)位置。整體滑移是指全部構(gòu)件在指定區(qū)域吊裝和拼接完成后,整體滑移至設(shè)計(jì)位置。復(fù)雜空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施工多采用累積滑移[1-7],對(duì)場(chǎng)地面積要求低,拼裝和滑移可同時(shí)進(jìn)行,但高空焊接作業(yè)多;而整體滑移多用于整體剛度較強(qiáng)的多層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)[8]或小跨度單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)[9],對(duì)場(chǎng)地面積要求相對(duì)較高,但拼裝和滑移均集中完成,相互獨(dú)立,分工明晰。

整體滑移對(duì)結(jié)構(gòu)剛度和施工技術(shù)均有較高要求。因此,大跨度單層網(wǎng)殼采用整體滑移施工技術(shù)尚不多見(jiàn),該施工技術(shù)的最大挑戰(zhàn)是如何有效控制滑移過(guò)程中撓度與局部應(yīng)力超標(biāo)情況,尤其對(duì)于整體剛度較弱的大跨度單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

本文基于北京星火站交通樞紐工程的超大面積單層菱形網(wǎng)殼屋蓋結(jié)構(gòu),提出空間張弦梁加強(qiáng)屋蓋剛度方法,以解決安裝滑移過(guò)程中網(wǎng)殼變形過(guò)大、網(wǎng)殼和網(wǎng)格柱無(wú)法對(duì)口安裝或拼接構(gòu)件附加應(yīng)力過(guò)大造成結(jié)構(gòu)承載力降低等問(wèn)題。通過(guò)有限元分析,重點(diǎn)研究空間張弦梁結(jié)構(gòu)對(duì)單層網(wǎng)殼整體剛度的提升作用,并分析張弦梁撐桿位置、數(shù)量和高度對(duì)屋蓋撓度和應(yīng)力的影響,探討所提方案的可行性,最終為該類型結(jié)構(gòu)整體滑移施工屋蓋剛度加強(qiáng)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)概況

北京星火站交通樞紐工程屋面分為公交區(qū)和樞紐區(qū),重點(diǎn)研究樞紐區(qū)屋蓋整體滑移加強(qiáng)方案。樞紐區(qū)屋蓋采用多點(diǎn)支承的單層菱形網(wǎng)殼體系,網(wǎng)殼底部支撐結(jié)構(gòu)主要為鋼柱、斜撐及菱形網(wǎng)格柱,柱頂設(shè)置抗震支座,菱形網(wǎng)格柱與屋蓋網(wǎng)殼自然銜接為一體,底部支承于-19.000m基礎(chǔ)。屋蓋為超大面積斜交單層鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖 1),長(zhǎng)146.5m、寬146.8m,屋面為曲面,最高處高約9.6m,最低處高約0.45m,樞紐區(qū)立面標(biāo)高如圖2所示。網(wǎng)殼屋蓋東側(cè)雨棚結(jié)構(gòu)采用鋼框架體系,長(zhǎng)96m、寬27.5m、高7.6m。網(wǎng)殼構(gòu)件截面以箱形為主,截面主要有□600×250×20×20,□600×250×30×30,□800×300×40×40,□900×300×40×40等。鋼材材質(zhì)主要為 Q355B,Q345GJC。

圖1 項(xiàng)目整體結(jié)構(gòu)三維效果Fig.1 3D effect of the whole structure

圖2 樞紐區(qū)立面標(biāo)高Fig.2 The facade elevation of the hub area

圖3 滑移屋架和軌道Fig.3 The sliding roof and rails

圖4 空間張弦梁示意Fig.4 The beam string structure

1.2 施工方法

屋蓋為單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),跨度大,采用高空滑移施工技術(shù),屬于鋼結(jié)構(gòu)安裝工程中超過(guò)一定規(guī)模的危險(xiǎn)性較大分部分項(xiàng)工程,需對(duì)滑移進(jìn)行精準(zhǔn)控制。如圖 3所示,整個(gè)樞紐區(qū)屋架設(shè)置4條滑移軌道,其中滑移軌道1,2相距36m,滑移軌道2,3相距28m,滑移軌道3,4相距28m。屋架吊裝到位后采用爬行器同時(shí)頂推至設(shè)定位置?；栖壍?,2間距離最大,在自重作用下跨中撓度可達(dá)97mm,不滿足GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[10]要求。另外,如果不加以控制,可能導(dǎo)致網(wǎng)殼屋蓋和網(wǎng)格柱、斜撐無(wú)法對(duì)口安裝,強(qiáng)行安裝會(huì)造成網(wǎng)格柱和斜撐支座反力與結(jié)構(gòu)一次成型存在較大差異,待屋蓋卸載后,對(duì)接口出現(xiàn)較大附加應(yīng)力(即應(yīng)力損失),使網(wǎng)殼承載力降低,存在安全隱患。因此,需對(duì)滑移屋蓋進(jìn)行加強(qiáng)處理,減小屋蓋在自重作用下的撓度,確保屋蓋與其他結(jié)構(gòu)對(duì)接誤差在較小范圍內(nèi)。

2 空間張弦梁加強(qiáng)方案及計(jì)算

2.1 有限元模型

采用有限元軟件ANSYS對(duì)網(wǎng)殼屋蓋進(jìn)行受力分析,其中網(wǎng)殼構(gòu)件和張弦梁撐桿采用beam188單元,拉索采用link180單元,通過(guò)降溫法對(duì)拉索施加預(yù)應(yīng)力?；栖壍郎喜繛閂形撐與屋蓋相連,由于實(shí)際滑移軌道對(duì)V形撐水平向約束較弱,因此邊界條件僅約束z向位移(豎向位移),兩端角點(diǎn)約束x,y向位移,防止平動(dòng)和面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),其余位置均不約束水平向位移。

屋蓋均采用Q355鋼,鋼材彈性模量為210 062MPa, 泊松比為0.3,密度為7 850kg/m3。考慮施工設(shè)備、工人等,荷載采用自重荷載的1.2倍?？臻g張弦梁撐桿采用直徑219mm、壁厚12mm圓鋼管,拉索直徑為80mm。

2.2 加強(qiáng)方案介紹

1)第1種為單撐桿張弦梁,如圖 4a所示(L為⑦,軸間跨度,下同)。撐桿為V形,設(shè)置于⑦,軸跨中位置,上部2個(gè)端點(diǎn)剛接于屋蓋菱形網(wǎng)格2個(gè)對(duì)角點(diǎn)處,下部連接2道拉索至⑦,軸對(duì)應(yīng)的屋蓋網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處。

2)第2種為雙撐桿張弦梁,如圖 4b所示。撐桿為V形,設(shè)置于⑦,軸跨度的1/3位置,共設(shè)置2根撐桿和3道拉索。

3)第3種為四撐桿張弦梁,如圖 4c所示。V形撐設(shè)置于⑦,軸跨度的1/5位置,共設(shè)置4根撐桿和5道拉索。

2.3 加強(qiáng)方案對(duì)比

菱形網(wǎng)殼屋蓋共設(shè)置12道張弦梁結(jié)構(gòu)加強(qiáng),所有拉索預(yù)應(yīng)力為500kN,張弦梁撐桿高度為5 000mm。

3種張弦梁結(jié)構(gòu)加強(qiáng)屋蓋位移和應(yīng)力如圖 5所示,圖中顯示區(qū)域剔除了屋蓋懸挑部分,僅保留中間被加強(qiáng)區(qū)域位移和應(yīng)力變化。由圖5可知,屋蓋在自重作用下位移為97.5mm,超過(guò)規(guī)范[10]要求90mm和拼裝網(wǎng)殼屋蓋與網(wǎng)格柱施工要求,構(gòu)件最大應(yīng)力為120.5MPa,大部分區(qū)域應(yīng)力為26～40MPa;在單撐桿張弦梁加強(qiáng)下,屋蓋位移下降至48.0mm,同比減小了51%,構(gòu)件最大應(yīng)力為117.6MPa,大部分區(qū)域應(yīng)力為0～13MPa;在雙撐桿張弦梁加強(qiáng)下,屋蓋位移下降至43.3mm,同比減小了55%,構(gòu)件最大應(yīng)力為117.4MPa,大部分區(qū)域應(yīng)力為0～13MPa;在四撐桿張弦梁加強(qiáng)下,屋蓋位移下降至44.5mm,同比減小了54%,構(gòu)件最大應(yīng)力為117.1MPa,大部分區(qū)域應(yīng)力在0～13MPa?？傮w上,張弦梁結(jié)構(gòu)能有效控制網(wǎng)殼撓度,明顯降低大部分構(gòu)件應(yīng)力,對(duì)最大應(yīng)力的影響較小。

圖5 不同加強(qiáng)方案下屋蓋位移和應(yīng)力對(duì)比Fig.5 Comparison of the roof displacement and stress under different strengthening schemes

圖6 無(wú)加強(qiáng)和3種加強(qiáng)方案下屋蓋最大位移對(duì)比Fig.6 Comparison of the roof maximum displacement of the non-strengthening and three strengthening schemes

圖7 撐桿高度對(duì)屋蓋位移和應(yīng)力的影響Fig.7 The influence of support rod height on the roof displacement and stress

圖8 單撐桿位置對(duì)屋蓋位移的影響Fig.8 The influence of a single support rod location on the roof displacement

圖9 雙撐桿間距對(duì)屋蓋位移的影響Fig.9 The influence of the double support rodsspace on the roof displacements

如圖 6所示,對(duì)比單撐桿和雙撐桿張弦梁結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)兩者均能有效改善結(jié)構(gòu)剛度,單撐桿模型最大位移比雙撐桿大11%。同理,對(duì)比雙撐桿和四撐桿張弦梁結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)四撐桿張弦梁效率并不高,對(duì)于位移和應(yīng)力的控制與雙撐桿結(jié)果接近,甚至位移控制效果還略低于雙撐桿張弦梁模型。這是由于屋蓋撓度控制是通過(guò)在拉索上施加預(yù)拉力從而將撐桿反向頂上,而拉索間角度是控制撐桿向上作用力的關(guān)鍵,四撐桿模型拉索間的角度較大導(dǎo)致中間2個(gè)撐桿效率低下甚至不起作用,造成結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性差。

綜上所述,空間張弦梁結(jié)構(gòu)能有效控制屋蓋撓度,并且減小屋蓋網(wǎng)格構(gòu)件應(yīng)力,構(gòu)件應(yīng)力最大120MPa,小于屋蓋鋼材Q355強(qiáng)度的0.6倍,結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度存在一定安全余量。單撐桿張弦梁和雙撐桿張弦梁在位移控制效果和效率方面更具優(yōu)勢(shì)。

3 空間張弦梁加強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

3.1 撐桿高度對(duì)屋蓋加強(qiáng)的影響

通過(guò)改變撐桿高度研究其對(duì)屋蓋撓度和構(gòu)件應(yīng)力的影響,如圖 7所示。由于屋蓋為網(wǎng)殼形式,存在一定曲率,所以不同位置撐桿高度不同。因此,撐桿高度變化是基于目前每根撐桿高度乘以0.5～3倍系數(shù)。其中,最低撐桿高度約為2.2m,最高撐桿高度約為4m。

由圖 7a可知,在拉索預(yù)應(yīng)力保持不變的情況下,隨著撐桿高度增加,屋蓋最大位移總體減小。當(dāng)撐桿為0.5倍高度時(shí),曲線斜率最大,效率最高;當(dāng)撐桿為3倍高度時(shí),屋蓋最大位移逐漸趨于常數(shù)24mm,此時(shí)繼續(xù)增加撐桿高度相當(dāng)于無(wú)效工作,并且此時(shí)撐桿最高為12m,自身穩(wěn)定性也需要重點(diǎn)考慮;當(dāng)撐桿為0.8～2倍高度時(shí),此時(shí)最大位移近乎線性變化,效率居中。在0.5～2倍高度時(shí),雙撐桿最大位移比單撐桿約小9%,并且不隨高度增加變化。由此可知,撐桿高度增加對(duì)最大位移控制效果顯著,但存在一定上限,雙撐桿對(duì)最大位移控制更具優(yōu)勢(shì)。

由圖 7b可知,在拉索預(yù)應(yīng)力保持不變的情況下,隨著撐桿高度增加,屋蓋網(wǎng)格構(gòu)件最大應(yīng)力總體呈線性減小。雙撐桿模型比單撐桿更加顯著,雙撐桿模型每提升1倍高度,最大應(yīng)力下降約7%,單撐桿模型每提升1倍高度,最大應(yīng)力下降5%。考慮到施工階段,本項(xiàng)目構(gòu)件最大應(yīng)力為120MPa,在安全范圍內(nèi),因此應(yīng)力控制可降低要求。

綜上,根據(jù)施工對(duì)撓度的限制和鄰跨撓度需要匹配的要求,結(jié)合撐桿高度對(duì)最大位移控制的效率,撐桿高度設(shè)計(jì)為0.5～2倍高度,然后通過(guò)索的預(yù)應(yīng)力設(shè)置達(dá)到撓度要求。需要注意撐桿穩(wěn)定性和運(yùn)輸長(zhǎng)度的限制,撐桿不宜過(guò)長(zhǎng)。

3.2 撐桿位置對(duì)屋蓋加強(qiáng)的影響

1)單撐桿張弦梁 屋蓋為菱形網(wǎng)格,橫向菱形對(duì)角點(diǎn)距離6m,撐桿可調(diào)整的位置有6個(gè),但考慮到對(duì)稱性,實(shí)際只有3個(gè)位置,即0.2倍跨度、0.36倍跨度、0.5倍跨度,如圖 8a所示。由圖 8b可知,單撐桿設(shè)置越靠近跨中,屋蓋剛度提升越明顯。這是由于非對(duì)稱位置長(zhǎng)度大的拉索角度偏小,導(dǎo)致水平方向分力大而撐桿向上頂?shù)妮S力小,張弦梁剛度降低,并且為平衡水平方向作用力,撐桿會(huì)向某個(gè)方向傾斜,導(dǎo)致?lián)螚U上的力出現(xiàn)水平方向分力,同樣削弱張弦梁增強(qiáng)剛度的效果;而跨中位置撐桿拉索角度最大,并且剛好平衡水平分力,所有豎向力皆用于增加屋蓋剛度,因此效率更高。

2)雙撐桿張弦梁 雙撐桿始終保持對(duì)稱,只改變2根撐桿間距,根據(jù)屋蓋菱形網(wǎng)格角點(diǎn),撐桿間距分別定為0.14L,0.43L,0.57L,0.71L,如圖 9a所示。由圖 9b可知,隨著撐桿間距增加,屋蓋最大位移先降低再增加,因此撐桿間距不宜過(guò)大或過(guò)小。撐桿間距小,如0.14L,拉索長(zhǎng)度大而角度偏小,導(dǎo)致水平方向分力大而撐桿向上頂?shù)妮S力小,張弦梁剛度降低;撐桿間距大,如0.71L,位置靠近支座,而屋蓋跨中位置缺少撐桿支承,導(dǎo)致張弦梁對(duì)跨中撓度的約束不足,整體剛度減弱;而兩者區(qū)間內(nèi)是撐桿較優(yōu)的間距選擇,能高效提升屋蓋剛度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了北京星火站交通樞紐工程建筑結(jié)構(gòu)與施工方法,基于整體滑移施工提出了空間張弦梁加強(qiáng)方案,對(duì)比了單撐桿、雙撐桿、四撐桿張弦梁對(duì)屋蓋剛度增強(qiáng)的差異性,研究了撐桿高度、位置對(duì)屋蓋位移的影響并提出了優(yōu)化建議。主要結(jié)論如下。

1)單撐桿、雙撐桿、四撐桿張弦梁結(jié)構(gòu)均能有效改善菱形網(wǎng)殼屋蓋剛度,但四撐桿張弦梁結(jié)構(gòu)由于拉索間角度較大導(dǎo)致中間2根撐桿效率低下甚至不起作用,結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性差。

2)隨著撐桿高度增加,屋蓋撓度減小,降低斜率逐漸趨于0,由此撐桿設(shè)計(jì)高度可在撐桿高度-屋蓋最大位移曲線線性降低區(qū)間選擇,并綜合考慮實(shí)際施工對(duì)撓度的要求、撐桿自身穩(wěn)定性及周圍跨撓度等。

3)對(duì)于單撐桿張弦梁加強(qiáng)方案,跨中位置設(shè)置撐桿對(duì)屋蓋撓度控制效率最高,此時(shí)拉索角度最大,剛好平衡水平分力,所有豎向分力皆用于增加屋蓋剛度。

4)對(duì)于雙撐桿張弦梁加強(qiáng)方案,撐桿間距不宜過(guò)大或過(guò)小。間距小的拉索水平分力大而豎向分力小,導(dǎo)致對(duì)屋蓋剛度提升效率較低;間距大的撐桿位置偏離跨中,對(duì)撓度最大的位置約束較弱,因此剛度提升效率低。