伍錦鵬,馬曉暉,侯彥果,朱博莉,張德欣,聞陳寶,顧爽爽,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

目前,滑移施工技術(shù)多為雙層或多層的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)滑移施工技術(shù),一般整體滑移多用于整體剛度較強(qiáng)的多層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)或小跨度單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。對于大跨度單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu),屋蓋整體剛度較弱,控制其撓度和應(yīng)力水平,保證結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形在安全范圍內(nèi)是整體滑移成功的關(guān)鍵。

為解決安裝滑移過程中網(wǎng)殼變形過大、網(wǎng)殼和網(wǎng)格柱無法對口安裝或拼接構(gòu)件附加應(yīng)力過大造成結(jié)構(gòu)承載力降低問題,本文提出單桅桿-斜拉索和V形桅桿-斜拉索兩種加強(qiáng)方案提升屋蓋整體剛度。桅桿-斜拉索多為大跨結(jié)構(gòu)承載主體部分,而本項(xiàng)目首次提出其作為臨時(shí)單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)加強(qiáng)結(jié)構(gòu),有以下優(yōu)點(diǎn)：①整體加固方案與單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)自平衡體系,即使拉索和桅桿在施加預(yù)應(yīng)力后會對局部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生力的作用,但不會給滑移支撐胎架及縱向支撐桁架增加任何附加力,滑移支撐結(jié)構(gòu)僅承擔(dān)單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)自重;②桅桿固定在單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)V形撐中間,其壓力對V形撐產(chǎn)生拉力,而單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)重力荷載使V形撐受壓,拉、壓力部分抵消使V形撐實(shí)際軸力降低,而在僅重力作用下,V形撐壓力能顯著降低;③桅桿-斜拉索預(yù)應(yīng)力的實(shí)施,僅需對桅桿一側(cè)拉索進(jìn)行張拉,張拉設(shè)備包括倒鏈葫蘆或反擰花籃螺桿等簡單工具;④斜拉索與屋蓋網(wǎng)格可采用非金屬的綁帶節(jié)點(diǎn)連接,操作靈活方便。

本文基于有限元軟件ANSYS,對菱形網(wǎng)殼屋蓋通過兩種桅桿-斜拉索加強(qiáng)方案進(jìn)行研究和對比,分析斜拉索吊點(diǎn)位置、桅桿高度和數(shù)量、斜拉索數(shù)量對屋蓋位移和應(yīng)力的影響,探究方案的可行性。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)概況

北京星火站交通樞紐工程樞紐區(qū)屋蓋為超大面積斜交單層鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),長146.5m、寬146.8m,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1所示。網(wǎng)殼屋面東側(cè)雨棚結(jié)構(gòu)采用鋼框架體系,長96m、寬27.5m、高7.6m。

圖1 樞紐區(qū)立面標(biāo)高Fig.1 The facade elevation of the hub area

網(wǎng)殼構(gòu)件截面以箱形為主,鋼材材質(zhì)主要為 Q355B,Q345GJC。網(wǎng)殼底部支撐結(jié)構(gòu)主要為鋼柱、斜支撐及菱形網(wǎng)格柱,柱頂設(shè)置抗震支座,菱形網(wǎng)格柱與屋面網(wǎng)殼自然銜接為一體,底部支承于 -19.000m 基礎(chǔ)。

1.2 施工方法

單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)跨度大,采用高空滑移施工技術(shù),鋼結(jié)構(gòu)安裝工程危險(xiǎn)性較大,施工過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性十分重要,因此需精準(zhǔn)控制滑移過程中的變形和應(yīng)力。

整個(gè)樞紐區(qū)屋架共設(shè)置4條滑移軌道(見圖2),其中滑移軌道1,2、滑移軌道2,3及滑移軌道3,4分別相距36,28,28m。屋蓋吊裝到位后采用爬行器同時(shí)頂推至設(shè)定位置?；栖壍?,2間距最大,變形也最大,在自重作用下跨中撓度達(dá)97mm,不滿足GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求。此外,大撓度會導(dǎo)致網(wǎng)殼屋蓋、網(wǎng)格柱、斜支撐合龍時(shí)無法對準(zhǔn),若通過焊接或其他施工技術(shù)強(qiáng)行對接會造成網(wǎng)格柱和斜支撐支座反力與結(jié)構(gòu)一次成型存在較大差異,出現(xiàn)附加應(yīng)力,從而降低網(wǎng)殼穩(wěn)定性。由此,加強(qiáng)屋蓋滑移時(shí)的剛度,減小其滑移過程中產(chǎn)生的變形,降低結(jié)構(gòu)對接誤差是本文研究重點(diǎn)。

圖2 滑移屋架和軌道Fig.2 The sliding roof and rails

2 桅桿-斜拉索加強(qiáng)方案對比

2.1 有限元模型介紹

采用通用有限元軟件ANSYS對網(wǎng)殼屋蓋進(jìn)行受力分析,其中網(wǎng)殼構(gòu)件采用beam188單元,桅桿和拉索采用link180單元?；栖壍郎喜繛閂形撐與屋蓋相連,由于實(shí)際滑移軌道對于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?？紤]施工設(shè)備、工人等,荷載采用自重荷載的1.2倍。桅桿和拉索剛度設(shè)置為鋼材剛度的10 000倍,剛度足夠大近似無窮剛度,拉索受力下無法伸長,從而控制屋蓋撓度,相當(dāng)于對所有拉索均施加預(yù)應(yīng)力。最終,可根據(jù)無窮剛度時(shí)的索力反推正常剛度下拉索預(yù)應(yīng)力。本文桅桿-斜拉索采用無窮剛度。

2.2 加強(qiáng)方案介紹

1)第1種為單桅桿-斜拉索方案,如圖3所示。在滑移軌道2即軸位置設(shè)置桅桿,桅桿與V形撐底部鉸接。每根桅桿初步設(shè)置4道拉索,桅桿頂端通過耳板和拉索相連,拉索另一端分別與⑦～,～軸跨中網(wǎng)架相連。

圖3 單桅桿-斜拉索示意Fig.3 The single mast-cable

圖4 V形桅桿-斜拉索示意Fig.4 The V-shaped mast-cable

2)第2種為V形桅桿-斜拉索方案,如圖 4所示。同樣地,在滑移軌道2即軸位置設(shè)置桅桿,V形桅桿與V形撐底部鉸接。每根桅桿初步設(shè)置5道拉索,桅桿頂端通過耳板和拉索相連,拉索另一端分別與⑦～,～軸跨中網(wǎng)架相連,其中1道拉索接近垂直角度吊于⑦～軸。

2.3 加強(qiáng)方案對比

無加強(qiáng)和兩種加強(qiáng)方案位移對比如圖5所示。由圖5可知,在無加強(qiáng)情況下網(wǎng)殼屋蓋⑦～軸跨中最大位移為97mm,超過規(guī)范要求和拼裝網(wǎng)殼屋面及網(wǎng)格柱施工要求;在單桅桿-斜拉索加強(qiáng)下,跨中位移降低至42mm,同比降低了57%;在V形桅桿-斜拉索加強(qiáng)下,跨中位移降低至40mm,同比降低了59%。兩種加強(qiáng)方案均能有效控制位移,最終可通過一定預(yù)張力將屋蓋撓度控制在安裝和拼接的允許范圍內(nèi)。

圖5 無加強(qiáng)和兩種加強(qiáng)方案下屋蓋位移對比(單位：mm)Fig.5 Comparison of the roof displacement of the non-strengthening and two strengthening schemes(unit：mm)

圖6 拉索布置示意Fig.6 Arrangement of the cables

此外,在桅桿-斜拉索加強(qiáng)下,V形撐應(yīng)力得到有效緩解。在無加強(qiáng)方案中,某V形撐應(yīng)力為111MPa;在單桅桿-斜拉索作用下,相同位置V形撐應(yīng)力降低至44MPa,降低了60%;同理在V形桅桿-斜拉索作用下,相同位置V形撐應(yīng)力降低至66MPa,降低了41%?？梢娢U加強(qiáng)體系可降低V形撐應(yīng)力,使V形撐有更多的安全儲備。

綜上所述,單桅桿-斜拉索和V形桅桿-斜拉索均能有效控制屋蓋撓度,并且對于屋蓋應(yīng)力和V形撐應(yīng)力均有減小作用,構(gòu)件應(yīng)力小于屋蓋鋼材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?？紤]到單桅桿-斜拉索形式更簡單,因此,加強(qiáng)方案采用單桅桿模式。

3 單桅桿-斜拉索加強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

3.1 拉索數(shù)量對屋蓋加強(qiáng)的影響

單桅桿-4道拉索和單桅桿-3道拉索如圖 6所示。分析發(fā)現(xiàn)：在4道拉索作用下,屋蓋⑦～軸跨中最大位移由97mm降低至42mm,降低了57%;在3道拉索作用下,屋蓋⑦～軸跨中最大位移由97mm降低至45mm,降低了54%。兩者對于位移的約束均呈現(xiàn)良好的效果,考慮到施工便捷性,采用單桅桿-3道拉索的方案更具優(yōu)勢。

3.2 桅桿高度對屋蓋加強(qiáng)的影響

基于構(gòu)件運(yùn)輸、加工等實(shí)際情況,桅桿高度最高不超過15m。考慮參數(shù)化分析,桅桿高度取10～20m。采用9根桅桿-3道拉索方案,橫向上拉索一側(cè)吊于⑦～軸跨中,另一側(cè)吊于軸;縱向上相鄰桅桿相鄰拉索共點(diǎn)。其余參數(shù)與第2節(jié)相同。

由圖7可知,隨著桅桿高度增加,跨中最大位移減小,對比斜率發(fā)現(xiàn)減小的效率會隨著桅桿高度增加逐漸降低?？傮w上,桅桿高度越高,拉索斜率越大,更多拉力的豎向分力用于提升屋蓋,降低位移;桅桿高度越低,拉索水平分力越大,更多的拉力用于平衡水平力,導(dǎo)致加強(qiáng)體系效率越低。綜合構(gòu)件加工運(yùn)輸和撓度控制效率,可采用14,15,16m桅桿高度,基于材料用量和構(gòu)件穩(wěn)定問題,桅桿高度取14m。

圖7 桅桿高度對屋蓋最大位移的影響Fig.7 Influence of the mast height on the roof maximum displacement

圖8 拉索縱向吊點(diǎn)布置Fig.8 Layout of the cable longitudinal lifting points

3.3 斜拉索吊點(diǎn)位置對屋蓋加強(qiáng)的影響

不同拉索吊點(diǎn)位置對拉索預(yù)張力、撓度控制程度、屋蓋網(wǎng)殼受力均勻程度均有影響。重點(diǎn)分析斜拉索縱向吊點(diǎn)位置即相鄰拉索是否共點(diǎn)和斜拉索橫向吊點(diǎn)位置對屋蓋位移和應(yīng)力的影響,綜合對比判斷選出合理的吊點(diǎn)方案。

1)斜拉索縱向吊點(diǎn)位置

縱向相鄰桅桿相鄰斜拉索吊點(diǎn)可采用不共點(diǎn)和共點(diǎn)兩種類型,分別如圖 8a,8b所示。如果采用不共點(diǎn)方案,吊點(diǎn)數(shù)量多,斜拉索對屋架的拉力更均勻;而采用共點(diǎn)方案,吊點(diǎn)數(shù)量減少一半,拉索定位、施工更便捷。由此分別討論兩種情況對位移和應(yīng)力的影響。

不同縱向吊點(diǎn)下屋蓋位移如圖9所示?？梢钥闯鰞烧叩牟町愋暂^小,兩種方案均可。整體上構(gòu)件應(yīng)力均較小,不同吊點(diǎn)方式對于應(yīng)力的影響比較小。綜合以上,采用縱向相鄰拉索共點(diǎn)的方案更合理,便于施工和定位。

圖9 不同縱向吊點(diǎn)下屋蓋位移(單位：mm)Fig.9 Roof displacement under different longitudinal lifting points(unit： mm)

圖10 拉索橫向吊點(diǎn)布置Fig.10 Layout of the cable lateral lifting points

2)斜拉索橫向吊點(diǎn)位置

不同橫向吊點(diǎn)下屋蓋位移如圖11所示。由圖 11a可知,為減?、摺S跨中位移,吊于～軸跨中的斜拉索會將～軸的屋蓋拉起,造成該區(qū)域大面積反拱,可能會導(dǎo)致網(wǎng)殼屋蓋中間跨和網(wǎng)格柱對接出現(xiàn)問題。為緩解反拱現(xiàn)象,將斜拉索吊于軸,如圖 11b所示,此時(shí)拉索作用力直接傳遞至滑移軌道支座上,對～軸屋蓋撓度無影響。因此,采用吊點(diǎn)位于軌道上方的模式更合理。

圖11 不同橫向吊點(diǎn)下屋蓋位移(單位：mm)Fig.11 Roof displacement under different lateral lifting points(unit： mm)

4 結(jié)語

1)整體加固方案與單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)自平衡體系,盡管拉索和桅桿在預(yù)應(yīng)力施加后會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部力的作用,但不會給滑移支撐胎架及縱向支撐桁架增加任何附加力,滑移支撐結(jié)構(gòu)僅承擔(dān)單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)自重。

2)單桅桿-斜拉索和V形桅桿-斜拉索均能有效控制屋蓋撓度,并且對于屋蓋應(yīng)力和V形撐應(yīng)力均有減小的作用,結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度存在一定安全余量。單桅桿-斜拉索形式更簡單,因此更利于施工。

3)對于單桅桿-斜拉索加強(qiáng)方案,采用4道拉索和3道拉索,拉索間均能形成穩(wěn)定的四角錐和三角錐,而兩種拉索模式對于位移的約束均呈現(xiàn)良好效果,但考慮到施工便捷性,采用單桅桿-3道斜拉索方案更具優(yōu)勢。

4)對于單桅桿-斜拉索加強(qiáng)方案,桅桿高度越高,拉索斜率越大,更多拉力的豎向分力用于提升屋蓋,降低撓度;桅桿高度越低,拉索水平分力越大,更多的拉力用于平衡水平力,導(dǎo)致加強(qiáng)體系效率越低。綜合構(gòu)件加工運(yùn)輸和撓度控制效率,可采用14,15,16m桅桿高度,基于材料用量和構(gòu)件穩(wěn)定問題,選擇桅桿高度14m。

5)基于施工便利性和撓度控制效果,縱向相鄰桅桿相鄰斜拉索吊點(diǎn)可采用共點(diǎn)類型。橫向上,拉索一側(cè)約束網(wǎng)殼屋蓋跨中撓度,另一側(cè)則保持桅桿-斜拉索結(jié)構(gòu)平衡,為緩解制衡一側(cè)的屋架反拱,可將橫向拉索吊點(diǎn)設(shè)置于結(jié)構(gòu)鄰近軌道處。