预应力空间网格结构施工中的支撑可靠性研究

姜 波 马晓云

1 工程概述

某展示大厅采用预应力空间网格结构,长向(纵向)跨度约450 m,短向(横向)99 m。结构由预应力双层圆柱面网壳部分和拉杆—提篮拱部分组成,见图1。

网壳部分分为A1～A5五个区,各区均为90 m×99 m跨,99 m跨方向为一圆弧曲线,网壳纵向及横向最外侧支撑于柱上;提篮拱部分分为G1～G4四个区。为减小网壳对柱支座产生的水平推力,并控制网壳在自重作用下的挠度,在柱顶处网壳下弦横向布置水平拉索;在提篮拱下弦设水平预应力拉杆,以减小拱脚处水平推力,并在提篮拱下设置竖向吊杆悬挂网壳,对吊杆进行预张拉使其具有足够刚度,为网壳提供竖向弹性支撑,使网壳形成四边支撑的双向受力体系。结构共采用38根水平拉索和104根竖向吊杆。拉索和吊杆均采用55束1670 MPa低松弛5.3 mm钢丝组成的半平行高强钢丝束。图2和图3分别为结构的侧立面和局部示意图。

2 支撑可靠性不足引起的问题与解决方法

由于结构中的拉索和吊杆数目庞大,必须采用分区分批张拉的方案。结合网壳和提篮拱的安装进度和计算分析结果,确定张拉方案如下:1)每片网壳安装完成后,在吊杆下方设置临时支撑胎架;2)先张拉各区拉索,再张拉各区吊杆,拉索在网壳安装完成后即可张拉,吊杆须等网壳屋面系统全部完成后方可进行张拉;3)按照A1～A5的次序依次张拉各区拉索,任一区中,由中间往两边对称进行;4)按照G1～G4的次序依次张拉各区吊杆,任一区中,从中间往两边在拱的左右两个分支上对称进行。

从张拉方案中可知,在提篮拱下面的吊杆张拉前,网壳是依靠吊杆下方设置的临时支撑形成双向受力体系的,因此,设计明确要求在施工过程中必须保证吊杆下方临时支撑的可靠性,这样才能确保网壳在吊杆张拉前处于比较良好的受力状态。然而,在网壳安装完成后,水平拉索张拉前,网壳中出现了较多数量的“弯杆”(即压屈杆件),网壳的跨中挠度达到15 cm,超出理论计算5 cm,基本接近网壳在单向受力状态时的数值,并且网壳在临时支撑点附近下沉较多,使得吊杆安装无法进行。分析其原因,网壳施工单位对临时支撑的可靠性没有足够重视,一方面支撑数量和强度未达到设计要求,另一方面施工场地条件较差,加之施工期间多日连降大雨,地基条件进一步恶化,临时支撑产生一定沉降,两个因素综合影响使得吊杆下方设置的临时支撑近乎失效,从而引起“弯杆”、网壳跨中挠度过大和吊杆无法安装等问题。经设计、施工和检测单位分析讨论以及专家论证,提出了相应的解决方案:1)采用夯实、碾压和排水等措施对支撑下部地基进行处理,改善场地条件,并在支撑下加垫厚木板,以使支撑反力较均匀地扩散在地基上;2)经理论分析验证,可在网壳下方均匀布置多台千斤顶实现同步顶升,使吊杆下方网壳节点复位,检测单位全程监测网壳顶升过程;3)在网壳顶升完成后,放松千斤顶前,增加吊杆下方支撑的数量和强度达到设计要求,并替换出现的“弯杆”。在网壳顶升完成后,水平拉索的张拉便可立即进行。

采用以上步骤可以基本解决支撑沉降引起的问题。但按照张拉方案,网壳在水平拉索张拉后,需等屋面系统全部完成后才能进行吊杆张拉,也就是说吊杆下方的临时支撑仍需保持较长一段时间。而且临时支撑下方不可能设置钢筋混凝土基础或桩基础(代价太大,工期也不允许),即使采用地基处理等措施改善了支撑下方场地条件,在网壳顶升复位之后支撑仍有可能产生一定的沉降[1]。为此,建立支撑沉降的有限元模型进行分析,了解不同支撑沉降量对网壳可能产生的影响,为后续施工过程中的支撑沉降控制提供理论依据。

3 支撑沉降分析

以A5区网壳为研究对象。由于在吊杆张拉前,各区网壳独立工作,因此仅建立A5区网壳的有限元分析模型,在吊杆下节点处施加强迫位移模拟支撑沉降,并对网壳下弦水平拉索未张拉和已张拉两种状态下的支撑沉降进行分析。

分析采用两种支撑沉降位移模式:

一种是假设从一侧拱脚到另一侧拱脚的沉降位移服从正弦曲线分布,如图4所示。

用公式表示为:

其中,Di为第i个支撑的沉降位移;Dmax为最大支撑沉降位移;l为拱脚之间的间距;x为第i个支撑到拱脚的距离;m为支撑数量。正弦分布位移模式基本近似于地基整体性较好、网壳整体性发挥作用的状态,因而是偏安全的。

另一种为文克勒位移模式,即假设各支撑沉降量与支撑反力成正比:

其中,Ri为第i个支撑的反力;Rmax为最大支撑的反力。这种情况忽略地基整体性和网壳整体性,因而是偏危险的。

表1 各种情况下的“弯杆”数量

实际情况应介于上述两种情况之间。在这两种模式下,设最大沉降分别为2.5 mm,5 mm,7.5 mm,10 mm,20 mm,30 mm和40 mm进行分析,在每次的分析结果中,按照GB 50017-2003钢结构设计规范[2,3]检查各杆件局部稳定性,不满足规范要求即 认定为“弯杆”,并统计各种情况下的“弯杆”数量。分析结果如图5和表1所示(限于篇幅,图5仅给出拉索未张拉状态、最大沉降为40 mm时的“弯杆”分布情况)。

由分析结果可知,正弦分布位移模式下,“弯杆”的位置集中在支撑两侧,而在文克勒位移模式下则分布比较均匀,实际工程在支撑的两侧和中间均出现“弯杆”,但以两侧居多,因此相对来说,实际发生的沉降位移模式应该更接近于正弦分布。此外,对比拉索张拉前后的“弯杆”数量可知,拉索张拉与否对“弯杆”数量基本没有影响。根据表1,支撑最大沉降在20 mm以内时,各种情况下的“弯杆”数量均较少,而最大沉降超过20 mm后,“弯杆”数量迅速增加,因此支撑沉降的控制数值以小于20 mm为宜。实际上,为了避免后续施工过程中支撑沉降问题的发生,可以修改张拉方案,在网壳顶升复位和水平拉索张拉完成后立即张拉吊杆(此时网壳屋面系统施工尚未开始),这样可大大缩短临时支撑的使用时间。当然张拉方案的修改需要设计院与预应力施工单位对吊杆的预应力施工过程重新进行分析,预应力施工过程中的张拉控制力、索伸长值以及提篮拱和网壳的杆件应力、结构变形等控制数据都需要全部重新计算,设计与分析的工作量较大。但如果按照原定张拉方案进行施工,则一定要对支撑沉降量进行监控,并采取相应的措施将其控制在20 mm范围以内,避免再次出现影响结构安全的问题。

4 结语

从本工程结构施工过程中出现的问题可发现,临时支撑的可靠性问题不容忽视,主要包括两个方面,一方面为支撑的数量和强度,另一方面则为支撑的沉降。支撑的数量和强度一般在设计中会明确提出要求,因而较易得到保证,而支撑的沉降问题在设计时一般不会充分考虑甚至忽略,因此难以控制,而根据本文的支撑沉降分析结果,较大的支撑沉降会使网壳结构中出现较多数量的“弯杆”,影响结构的安全,因此支撑沉降问题必须引起足够的重视,最好在设计时就能够给予充分考虑,对支撑沉降的问题进行详细分析,提出施工过程中的沉降控制数值,便于施工单位采取相应的控制措施。

[1]娄俊杰,郭彦林.澳门综合体育馆钢屋盖次桁架安装方案及分析[J].工业建筑,2004,34(12):12-14.

[2]GB 50017-2003,钢结构设计规范[S].

[3]王国周,瞿履谦.钢结构原理与设计[M].北京:清华大学出版社,2007.