空間索桿張拉結構施工全過程分析
——以某會展中心魚腹梁施工為例

吳武玄

(福州市建筑科學研究所 福建福州 350000)

0 引言

索桿張力結構施工成形分析需要解決一個松弛態索桿系統的平衡形態求解問題，該問題可歸結為一個給定構件原長的受荷索桿機構系統的找形問題[1-2]。在索桿張拉結構施工全過程分析中，體系由剛度為零到具有很大的剛度，索由只承受自重到拉索繃緊，整個體系的分析，既有機構分析又有力學分析，實際上包含了找形分析和找力分析的過程[3]。

本文結合某會展中心魚腹梁索桿張拉結構，采用MIDAS/Civil程序對魚腹梁施工成形和施工控制方案進行分析[4-5]，以期為施工安裝提供參考依據。

1 工程概況

1.1 項目基本概況

某會展中心主要功能包含展覽中心、會議中心及配套功能設施用房。地下1層，地上3層，局部設置夾層，建筑高度約為33m，局部挑高至45m，總建筑面積約為11.28萬m2，其中地上建筑面積約8.2萬m2，地下建筑面積約3.1萬m2，其效果圖如圖1所示。

圖1 某會展中心效果圖

1.2 項目結構型式

該工程主體為裝配式鋼結構，在主要出入口處根據建筑外觀需求在標高為+16.000m～+32.000m間平均設置三道魚腹梁，跨度為34m，如圖2所示。魚腹梁截面型式如圖3所示，共由16組索桿張拉成型，其中4組為直徑32mm(魚腹位置)，12組為直徑26mm(除魚腹位置外其余索桿)，索桿均為圓形拉索，材料屈服強度不小于515MPa。

圖2 標高在+16.000m～+32.000m間設置三道魚腹梁

圖3 魚腹梁截面型式

2 施工過程數值模擬及分析

2.1 數值模擬分析模型

采用MIDAS/Civil軟件進行正裝施工過程分析。建模時，其中梁、柱、魚腹梁構件采用梁單元，索桿采用索單元，胎架只起受壓作用，直接采用彈性連接進行模擬，底層柱底固接。建模后分析模型如圖4所示。

圖4 MIDAS/Civil整體及局部魚腹梁有限元模型

2.2 魚腹梁找形分析

索桿和魚腹梁所形成的零態，是指索桿初始繃緊成形但尚未施加預應力的狀態，實際指構件加工和放樣態，也稱放樣態。初始態是拉索張拉完畢后，結構安裝就位的形態，通常也稱預應力態，初始態即為建筑施工圖中所明確的結構外形。因此，應先進行結構的找形分析，找到結構的初始態。通過MIDAS/Civil中的找形分析功能找到結構初始態下索桿的拉力，如圖5和表1所示。

圖5 各層索桿單元編號

表1 各層索桿初拉力 kN

一層索桿編號拉力二層索桿編號拉力三層索桿編號拉力四層索桿編號拉力10000102000012.773000019.3340000122.8410000202000022.233000026.394000027.5210000302000032.7330000314.374000036.2510000402000042.3130000411.3240000420.0410000502000051.2430000517.0540000530.2910000602000063.633000065.8440000616.881000070200007030000723.2640000729.561000080200008030000813.6640000816.381000090200009030000923.0240000932.541000100200010030001012.754000108.0110001102000111.1930001116.9840001132.6810001202000122.543000124.584000126.5710001302000131.0530001313.1640001336.7610001402000140.123000149.9140001436.6510001502000152.073000158.2140001547.9910001602000161.143000165.1340001648.16

2.3 自平衡驗證

通過MIDAS/Civil中的找形分析功能，可以找到結構初始態索桿的拉力，為驗證結構在該拉力及自重作用下魚腹梁是否處于初始態，需進行自平衡驗證。同樣，采用MIDAS/Civil進行模擬，可以得到在自重及索桿拉力共同作用下初始態下的變形，如圖6所示。由圖6可知，魚腹梁的變形非常小(10-7mm)，說明魚腹梁達到自平衡狀態，即結構初始態已找到。

圖6 自平衡分析下的魚腹梁的變形(單位：mm)

2.4 施工過程模擬工況

根據分析得到自平衡狀態(建筑施工圖中所明確的結構外形)，再進行正裝施工過程模擬，荷載主要考慮結構自重及初始態下的索桿拉力。具體模擬過程如表2所示。

表2 施工模擬工況

2.5 正裝施工模擬結果及分析

根據上述數值模擬過程，可以得到施工各階段魚腹梁的變形及索桿拉力結果，如圖7～圖11所示。由諸圖可知，魚腹梁在胎架臨時支撐下(CS1階段)，各層魚腹梁跨中最大豎向變形均為16.33mm，但各層索桿張拉后(CS8階段)，第三層魚腹梁跨中豎向變形僅為11.43mm(撓度1/29746)，第二層魚腹梁跨中豎向變形僅為6.61mm(撓度1/51437)，第一層魚腹梁跨中豎向變形僅為3.75mm(撓度1/90667)，說明安裝完畢后各層魚腹梁已完全滿足初始態要求。

圖7 CS1階段魚腹梁變形DZ(mm)

(a)魚腹梁豎向變形DZ(mm)

(b)第四層索桿拉力(kN)圖8 CS3階段魚腹梁變形及索桿拉力

(a)魚腹梁豎向變形DZ(mm)

(b)第三、四層索桿拉力(kN)圖9 CS5階段魚腹梁變形DZ(mm)

(a)魚腹梁豎向變形DZ(mm)

(b)第二～四層索桿拉力(kN)圖10 CS7階段魚腹梁變形及索桿拉力

(a)魚腹梁豎向變形DZ(mm)

(b)第一～四層索桿拉力(kN)圖11 CS8階段魚腹梁變形DZ(mm)

由圖11(b)可知，魚腹梁拉桿張拉完畢后第一層索桿在初始態下受力非常小(基本接近0)，主要是由于第一層魚腹梁自重和第二層索桿拉力處于平衡狀態且底部懸挑梁剛度大和第一層魚腹梁相對變形很小所致。

分析得到的施工階段各層魚腹梁跨中豎向變形變化曲線，如圖12和圖13所示。由圖11～12可知，各層魚腹梁在胎架卸載過程，其跨中變形基本保持一致，說明索桿和魚腹梁自重已基本保持平衡，索桿張拉后胎架已經不起作用。另外，由CS8階段變形與上一階段變形基本一致，進一步說明了第一層索桿拉力基本為0，施工安裝時直接張緊即可。

(a)第一層魚腹梁跨中觀測點(標高：20.300m)

(b)第二層魚腹梁跨中觀測點(標高：23.700m)

(c)第三層魚腹梁跨中觀測點(標高：28.300m)圖12 各層魚腹梁跨中觀測點示意圖

圖13 各層魚腹梁跨中觀測點豎向變形Dz變化曲線(mm)

3 施工控制措施及步驟

3.1 施工控制措施

根據以上計算分析，可以得到施工過程各層魚腹梁的線型和索桿控制拉力，從而為施工安裝提供依據。安裝過程應以“線型控制為主，拉力控制為輔”為原則。各層魚腹梁施工過程控制措施如下：

(1)取CS3階段的第四層索桿拉力作為第三層魚腹梁張拉施工時的控制拉力，魚腹梁各節點變形作為控制線型。

(2)取CS5階段的第三層索桿拉力作為第二層魚腹梁張拉施工時的控制拉力，魚腹梁各節點變形作為控制線型。

(3)取CS7階段的第二層索桿拉力作為第三層魚腹梁張拉施工時的控制拉力，魚腹梁各節點變形作為控制線型。

3.2 施工步驟

(1)安裝各層魚腹梁臨時胎架，并吊裝和拼接各層魚腹梁，形成魚腹梁張拉體系的零態。

(2)進行第四層索桿張拉和調整，按照上述措施控制索桿的拉力和魚腹梁的變形，并卸載第三層魚腹梁的胎架。

(3)進行第三層索桿張拉和調整，按照上述措施控制索桿的拉力和魚腹梁的變形，并卸載第二層魚腹梁的胎架。

(4)進行第二層索桿張拉和調整，按照上述措施控制索桿的拉力和魚腹梁的變形，并卸載第一層魚腹梁的胎架。

(5)最后將第一層索桿張緊即可，卸除所有剩余胎架，施工完畢。

4 結論

(1)空間索桿張拉結構受力和成形過程分析基礎是進行幾何非線性的找形分析，找到結構的初始態，并應進行自平衡驗證。

(2)得到初始態索桿的拉力，方可進行正裝過程的施工過程模擬，得到的施工過程各層索桿張拉過程的控制拉力及魚腹梁的線型為施工安裝提供了技術依據。

(3)根據理論分析結果，給出了具體的施工步驟及其控制措施，經施工實踐驗證表明，該理論分析正確，結構安全成型，達到預期設計效果，具有一定的工程參考價值。