大跨度輪輻式單雙層索網結構施工過程模擬*

袁 野,張其林,張舒翔,羅曉群

(同濟大學土木工程學院,上海 200092)

0 引言

大跨度索系柔性屋架常見形式包括索穹頂和輪輻式結構,輪輻式結構包括單層索網與雙層索網。目前,國內已建成多項具有代表性的輪輻式索網結構,主要應用在各類體育場上,包括深圳寶安體育場[1-2]、蘇州奧體中心體育場[3]、棗莊體育場[4]、鄭州奧體中心體育場[5-6]、盤錦體育中心體育場[7-8]等,這些輪輻式索網屋架或為單層索網結構,或為雙層索網結構,均為雙向對稱結構。

對于對稱輪輻式索網結構,現已有相關大量研究,如張月強等[9]對內凹形輪輻式張拉結構初始預應力和構型間關系進行了研究,分析了結構關鍵參數,如徑向索矢跨比、桁架榀數、內外環相對高差等對結構性態的影響。劉占省等[10]通過縮尺模型試驗研究對比了圓形輪輻式索桁架結構張拉徑向索、張拉環向索和頂升內撐桿3種施工張拉方法,得出了張拉徑向索方案操作最方便、工程實用性最好的結論。郭彥林等[11]結合試驗與數值模擬方法對寶安體育場的輪輻式屋蓋結構張拉施工過程進行研究,比較了4種張拉方案,并最終制定了張拉徑向索的施工方案。夏晨[12]以蘇州工業園區體育場為工程對象,研究了輪輻式馬鞍形單層索網結構設計與施工方案,并結合結構各幾何參數對結構靜力性能進行參數化分析。

為研究輪輻式單雙層混合索網結構在施工過程中內力與結構位移的變化規律,探究合理的施工張拉工序,本文對樂山奧體中心體育場屋架施工過程進行數值模擬,以期為類似項目提供參考。

1 工程概況

樂山奧體中心項目位于樂山蘇稽新區,為四川省第十四屆運動會提供場館硬件支持,項目由體育場、體育館、游泳館、全民健身中心組成,其中,體育場索網屋架為世界首例大跨度輪輻式單雙層索網結構[13-14]。單雙層索網結構更符合體育場場地特征,為豐富屋面整體造型與優化看臺座位的排布提供了條件。體育場設固定座席20 000座,活動座席10 000座,結構投影平面呈橢圓形,南北向長約244m、東西向長約235m,東側為內高外低雙層索網,最高處設計標高30.000m,西側為內低外高單層索網,最高處設計標高44.850m,雙層索網間設豎向撐桿,從雙層索網向單層索網過渡,撐桿長度逐漸變短,形成高低錯落屋面形態,體育場效果與剖面分別如圖1,2所示。

圖1 樂山奧體中心體育場效果

圖2 體育場剖面(單位:m)

2 張拉流程簡介

索網現場施工模擬流程可分為3個主要步驟:低空低應力組裝、整體提升安裝與分批成組錨固。其中,低空低應力組裝是索網內各拉索、撐桿單元,在低空按一定步驟組裝至索網對應位置并提升到一定高度的過程,經過低空低應力組裝,形成了索網初步形態、位置與預應力分布;整體提升安裝是通過提升、張拉、調整,將索網從低空低應力狀態逐漸張拉至預期初始狀態(即僅考慮預應力與自重的計算狀態)的過程,經過整體提升安裝,使索網達到能承受荷載的初始狀態、索網形態貼近設計形態,預應力分布符合設計要求;分批成組錨固是當索網整體提升至接近設計狀態時,按不同分組,先后分批次對徑向索進行錨固,在徑向索尾端部與外環剛架間形成永久連接。本節采用3D3S軟件對施工過程進行模擬計算。

張拉過程是針對拉索與撐桿組成的索網,因此,以屋蓋外圍鋼結構全部安裝完成作為張拉施工起點,首先將單層環向索、雙層上環向索及各上層徑向索組成的上層索網體系組裝起來,并向上提升;待上層索網體系提升到一定高度后,將雙層下環向索與下層徑向索組成的下層索網體系也組裝好,掛至上層索網上;之后同時提升上、下層索網,在上層索網位置合適、兩層索網間距合適時逐組組裝撐桿,直至所有撐桿全部組裝完成,此過程為低空低應力組裝過程。

如圖3所示,單層索網共16榀,按南北對稱性分別編號為1～8。雙層索網共26榀,組裝撐桿時,將每對上下對應相同位置的徑向索中間所夾撐桿定義為1組,按對稱性編為13組,定義南/北側(單雙層索網交界處最短)撐桿組號為1,到東側(最長)撐桿組號為13,安裝順序為1～13,即撐桿由短到長逐步安裝。

圖3 徑向索分組(單位:m)

在索網全部組裝完成后,需交替張拉單雙層徑向索,控制索網整體形態基本水平,并逐漸向上提升,至索網整體達到設計位置、索網預應力狀態達到設計狀態后,安裝銷軸,完成張拉,此過程為整體提升安裝過程。

索網張拉過程全部通過各徑向索尾端部與鋼結構相連的工裝索控制。在計算過程中,通過控制工裝索原長進行張緊和放松,通過對工裝索進行分組張拉、分批次張拉控制索網整體形態與位置。索網張拉過程為:①狀態1 組裝好上層環向索、徑向索,索網呈碗形,環向索平攤于地面,工裝索與上層徑向索連接進行牽引,使上層徑、環向索逐漸向上提升,工裝索長度為8～10m;②狀態2 上層索網提升到一定高度后,組裝下層索網,將下層徑、環向索掛在上層索網上,之后開始同步提升上、下層索網,工裝索長度為7～9m;③狀態3 待上層索網高度合適且上、下層索網間距合適時,開始組裝撐桿,該過程也是上、下層索網同步提升的過程,工裝索長度為6～8m;④狀態4 撐桿組裝完成一半時,上、下層索網均有所提升,工裝索長度為5～7m;⑤狀態5 撐桿組裝完畢,在自重作用下雙層索網稍向東側傾斜,工裝索長度為4～6m;⑥狀態6 索網調平,主要張拉雙層雙網上、下徑向索,提升雙層索網高度,工裝索長度為3～6m;⑦狀態7 所有徑向索同步提升,單雙層徑向索同步張拉,提升索網整體高度,工裝索長度為1～4m;⑧狀態8 主要張拉單層索網,放緩雙層索網提升,工裝索長度為1～3m;⑨狀態9 單雙層徑向索同步張拉,索網整體同步提升,微調至接近初始狀態,工裝索全部收回,按先單層索網后雙層索網,先索網對稱位置后單雙層交界位置的順序,分批成組安裝銷軸進行錨固,如圖4所示。

圖4 索網張拉過程

3 分析模型構成

分析模型采用環向索分索建模方式,整體模型如圖5所示。對于各環索夾節點位置,采用主從節點約束方式,豎直撐桿上、下端節點為主節點,各分環索經過索夾處節點為從節點,假設索夾本身變形很小,節點無內部相對位移,從節點位移與主節點位移耦合,各索夾自重產生的節點力施加于主節點上。環向索建模如圖6所示。

圖5 施工模擬建模

圖6 環向索建模

數值模擬中,按設計模型定義索網各類構件截面規格,如表1所示。

表1 索網構件規格

4 張拉過程中索力與位移結果

張拉過程中,計算一系列結構中間狀態,選取部分具有代表性狀態,截取結構豎直方向位移狀態圖,如圖7所示。其中,狀態1～6為低空低應力組裝階段,狀態7～12為整體提升安裝階段。

對張拉全過程進行結果統計,取部分重要節點、單元,提取其位移、內力結果,繪制全過程變化曲線如圖8所示,圖中選取了所計算的22個結構狀態所對應的數據。

圖8 張拉過程中位移與索力變化

4.1 內環位形變化

由圖8a可知,整個張拉過程中,索網內環東側、西側、南/北側均在平穩上升,伴有小范圍波動。西側索網由于自重較小,提升較快,節點高度始終高于東側與南/北側節點高度。在低空低應力組裝過程中,索網西側較高,東/南/北側較低且基本等高度,索網體現為西側對東/南/北側的“牽引”。由于下層環向索與徑向索在較早施工步中附著于上層索網,導致索網整體“偏重”,東側有向下沉趨勢,因此直至狀態9,東側上節點高度仍和西側差距較大,從狀態9至狀態10,經過了一個索網整體調平過程,其后再開始整體提升。

整體提升也并非完全同步提升,從狀態11至狀態14,是內環基本同步提升過程;從狀態15至狀態16,放緩了雙層索網(東側節點)的提升,主要提升了西側與南/北側索網,從狀態17至狀態22,稍微放緩了南/北側索網提升,東/西側索網基本同步提升,在狀態22基本達到了索網初始狀態。

4.2 環/徑向索索力變化

由圖8b,8c可知,環向索索力與徑向索索力變化均呈先慢后快趨勢,在低空低應力組裝階段與整體提升安裝的前半階段,索力均緩慢上升,在整體提升安裝的后半階段,索力迅速上升,每單位提升高度產生的索力提高大大增加。從數值上看,南/北側徑向索位于單雙層索網交界處,索網剛度變化明顯,且此位置索網斜度較低,索網曲面較水平,徑向索較緊繃,索力最大;西側徑向索為單層索網,索力由單層徑向索承擔,牽引環向索;東側徑向索為雙層索網,由單層徑向索承受環向索與撐桿重力,索力最小,其中,下層徑向索還有一個類似于環向索的“兜住”上層索網與撐桿的效應,因此下層徑向索索力大于上層徑向索。

觀察低空低應力組裝階段徑向索索力變化情況,可發現徑向索索力變化主要與撐桿安裝有關:西側無撐桿安裝,徑向索索力基本平穩增加;東、南/北側均有撐桿安裝,徑向索索力出現了波動。其中,每個位置撐桿安裝均會導致該位置徑向索索力減小,下徑向索索力增加。狀態3安裝了第1組撐桿,同時南/北側徑向索(相當于第1組撐桿附近上徑向索)索力下降;狀態9安裝了第13組撐桿,同時東側上徑向索索力下降,東側下徑向索索力上升。

4.3 索網交界處索力變化

由圖8d可知,東側上、下環向索索力之和與西側環向索索力在整個張拉過程中基本一致。由于索網組裝順序為上環/徑向索→下環/徑向索→撐桿,在安裝過程中,撐桿與下層索網重力主要由上層索網承受,上層索網為“掛住”下層索網和撐桿的受力狀態,因此,狀態5～9中上層環向索索力大于下層環向索索力,在索網調平(狀態 9～10) 過程中,下層環向索索力上升,雙層索網變成下層索網“兜住”上層索網和撐桿的受力狀態,雙層索網重力主要由下層索網承受,直至索力達到初始態水平。

由圖8e可知,雖然交界位置總索力平衡,但環向索內各單索索力分布不均勻,在狀態8與狀態20,單索不平衡力出現了2個峰值,全過程最大不平衡力約為380kN。總之,靠近場館外側的單索索力較大,靠近場館內側的單索索力較小。

在狀態8位置,主要施工工序為加設撐桿與調平索網,在此過程中,上層與下層索力發生重分配,由加設撐桿時上層環向索主受力到調平索網后上、下層索網共同受力。在此階段,單層環向索與雙層環向索索力調整速度不一致,導致單索不平衡索力較大。

在狀態20位置,索網已張拉至較接近初始態的位形,由于該階段索力大,各分索間不平行,同時進行索力調整以達到平衡,導致此處也出現了1個較高不平衡索力值。

施工模擬結束狀態與結構初始狀態結果對比如表2所示,考察張拉是否到位。由表2可知,施工模擬結束后,索網內環高度基本張拉至初始狀態要求的高度,索網索力除雙層上環向索比初始態稍低以外,其他拉索基本均張拉至初始態索力值,且具備不同程度的過張拉,可以認為,施工張拉模擬的最終結果(狀態22)是與初始狀態很接近的一個狀態。

表2 施工模擬與初始態結果對比

5 施工過程中關鍵問題

1)每次安裝撐桿時,不僅會導致該位置上、下徑向索索力變化,也會影響整個索網位移形態,安裝撐桿時,會導致東側雙層索網自重增加,東側索網下沉,索網整體向東側傾斜。施工過程中可以考慮結合腳手架、臨時支撐等,先安裝再提升,盡量減小撐桿重力的影響。

2)從狀態9至狀態10的索網調平非常重要,在此過程中主要發生了雙層索網提升與雙層上下環向索、徑向索索力調整,這個步驟能否處理好,直接關乎后面整體提升過程中索網是否水平、索力變化是否穩定。因此,在實際張拉中,需密切監測關鍵節點高度、關鍵單元內力,保證調平后索網位置水平與內力分布合理。

3)最后的幾個狀態,其提升高度與前面階段接近,但索力上升很快,在實際施工時,張拉至接近初始態時索力增速會有明顯上升,此階段(整體提升后半段)尤其需注意索力監控,盡量減小每個施工步提升高度,防止索力出現突變或某些位置張拉過快導致出現索力分布不均情況。

綜上所述,索網張拉過程流程清晰可控,索力、位移變化平滑穩定,施工模擬的最終狀態接近初始態結果,全過程未出現內力突變,滿足構件強度要求。

6 結語

針對樂山奧體中心體育場單雙層混合索網屋架施工過程進行數值模擬,得出以下結論。

1)通過低空低應力組裝、整體提升安裝的兩階段施工模擬過程計算,明確了各階段、結構位移與索力變化情況,計算出單雙層索網交界處最大不平衡索力約為380kN。

2)通過計算可知。影響張拉施工結果與安全性的主要因素為安裝撐桿過程及索網調平與應力上升迅速的最終張拉,這些因素在單雙層索網混合結構張拉中具有一定共性。