单层菱形网壳屋盖滑移施工空间张弦梁加强方案研究*

张德欣,侯彦果,朱博莉,顾爽爽,马晓晖,闻陈宝,伍锦鹏,贺 雄

(1.北京建工集团有限责任公司,北京 100088; 2.清华大学土木工程系,北京 100084; 3.北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083; 4.中冶(上海)钢结构科技有限公司,上海 201908)

0 引言

钢结构滑移施工技术包括逐区滑移、累积滑移、整体滑移等。逐区滑移是将一区域或由若干区域组成的滑移单元从一端滑移至设计位置,各滑移单元间分别在高空进行连接,直接形成整体结构。累积滑移将滑移单元在滑移轨道上滑移一段,待连接好下一单元后再滑移一段距离,反复积累直至所有单元滑移至设计位置。整体滑移是指全部构件在指定区域吊装和拼接完成后,整体滑移至设计位置。复杂空间网格结构施工多采用累积滑移[1-7],对场地面积要求低,拼装和滑移可同时进行,但高空焊接作业多;而整体滑移多用于整体刚度较强的多层网格结构[8]或小跨度单层网壳结构[9],对场地面积要求相对较高,但拼装和滑移均集中完成,相互独立,分工明晰。

整体滑移对结构刚度和施工技术均有较高要求。因此,大跨度单层网壳采用整体滑移施工技术尚不多见,该施工技术的最大挑战是如何有效控制滑移过程中挠度与局部应力超标情况,尤其对于整体刚度较弱的大跨度单层网格结构。

本文基于北京星火站交通枢纽工程的超大面积单层菱形网壳屋盖结构,提出空间张弦梁加强屋盖刚度方法,以解决安装滑移过程中网壳变形过大、网壳和网格柱无法对口安装或拼接构件附加应力过大造成结构承载力降低等问题。通过有限元分析,重点研究空间张弦梁结构对单层网壳整体刚度的提升作用,并分析张弦梁撑杆位置、数量和高度对屋盖挠度和应力的影响,探讨所提方案的可行性,最终为该类型结构整体滑移施工屋盖刚度加强提供理论依据。

1 工程概况

1.1 结构概况

北京星火站交通枢纽工程屋面分为公交区和枢纽区,重点研究枢纽区屋盖整体滑移加强方案。枢纽区屋盖采用多点支承的单层菱形网壳体系,网壳底部支撑结构主要为钢柱、斜撑及菱形网格柱,柱顶设置抗震支座,菱形网格柱与屋盖网壳自然衔接为一体,底部支承于-19.000m基础。屋盖为超大面积斜交单层钢网壳结构(见图 1),长146.5m、宽146.8m,屋面为曲面,最高处高约9.6m,最低处高约0.45m,枢纽区立面标高如图2所示。网壳屋盖东侧雨棚结构采用钢框架体系,长96m、宽27.5m、高7.6m。网壳构件截面以箱形为主,截面主要有□600×250×20×20,□600×250×30×30,□800×300×40×40,□900×300×40×40等。钢材材质主要为 Q355B,Q345GJC。

图1 项目整体结构三维效果Fig.1 3D effect of the whole structure

图2 枢纽区立面标高Fig.2 The facade elevation of the hub area

图3 滑移屋架和轨道Fig.3 The sliding roof and rails

图4 空间张弦梁示意Fig.4 The beam string structure

1.2 施工方法

屋盖为单层网壳结构,跨度大,采用高空滑移施工技术,属于钢结构安装工程中超过一定规模的危险性较大分部分项工程,需对滑移进行精准控制。如图 3所示,整个枢纽区屋架设置4条滑移轨道,其中滑移轨道1,2相距36m,滑移轨道2,3相距28m,滑移轨道3,4相距28m。屋架吊装到位后采用爬行器同时顶推至设定位置。滑移轨道1,2间距离最大,在自重作用下跨中挠度可达97mm,不满足GB 50017—2017《钢结构设计标准》[10]要求。另外,如果不加以控制,可能导致网壳屋盖和网格柱、斜撑无法对口安装,强行安装会造成网格柱和斜撑支座反力与结构一次成型存在较大差异,待屋盖卸载后,对接口出现较大附加应力(即应力损失),使网壳承载力降低,存在安全隐患。因此,需对滑移屋盖进行加强处理,减小屋盖在自重作用下的挠度,确保屋盖与其他结构对接误差在较小范围内。

2 空间张弦梁加强方案及计算

2.1 有限元模型

采用有限元软件ANSYS对网壳屋盖进行受力分析,其中网壳构件和张弦梁撑杆采用beam188单元,拉索采用link180单元,通过降温法对拉索施加预应力。滑移轨道上部为V形撑与屋盖相连,由于实际滑移轨道对V形撑水平向约束较弱,因此边界条件仅约束z向位移(竖向位移),两端角点约束x,y向位移,防止平动和面内转动,其余位置均不约束水平向位移。

屋盖均采用Q355钢,钢材弹性模量为210 062MPa, 泊松比为0.3,密度为7 850kg/m3。考虑施工设备、工人等,荷载采用自重荷载的1.2倍。空间张弦梁撑杆采用直径219mm、壁厚12mm圆钢管,拉索直径为80mm。

2.2 加强方案介绍

1)第1种为单撑杆张弦梁,如图 4a所示(L为⑦,轴间跨度,下同)。撑杆为V形,设置于⑦,轴跨中位置,上部2个端点刚接于屋盖菱形网格2个对角点处,下部连接2道拉索至⑦,轴对应的屋盖网格节点处。

2)第2种为双撑杆张弦梁,如图 4b所示。撑杆为V形,设置于⑦,轴跨度的1/3位置,共设置2根撑杆和3道拉索。

3)第3种为四撑杆张弦梁,如图 4c所示。V形撑设置于⑦,轴跨度的1/5位置,共设置4根撑杆和5道拉索。

2.3 加强方案对比

菱形网壳屋盖共设置12道张弦梁结构加强,所有拉索预应力为500kN,张弦梁撑杆高度为5 000mm。

3种张弦梁结构加强屋盖位移和应力如图 5所示,图中显示区域剔除了屋盖悬挑部分,仅保留中间被加强区域位移和应力变化。由图5可知,屋盖在自重作用下位移为97.5mm,超过规范[10]要求90mm和拼装网壳屋盖与网格柱施工要求,构件最大应力为120.5MPa,大部分区域应力为26～40MPa;在单撑杆张弦梁加强下,屋盖位移下降至48.0mm,同比减小了51%,构件最大应力为117.6MPa,大部分区域应力为0～13MPa;在双撑杆张弦梁加强下,屋盖位移下降至43.3mm,同比减小了55%,构件最大应力为117.4MPa,大部分区域应力为0～13MPa;在四撑杆张弦梁加强下,屋盖位移下降至44.5mm,同比减小了54%,构件最大应力为117.1MPa,大部分区域应力在0～13MPa。总体上,张弦梁结构能有效控制网壳挠度,明显降低大部分构件应力,对最大应力的影响较小。

图5 不同加强方案下屋盖位移和应力对比Fig.5 Comparison of the roof displacement and stress under different strengthening schemes

图6 无加强和3种加强方案下屋盖最大位移对比Fig.6 Comparison of the roof maximum displacement of the non-strengthening and three strengthening schemes

图7 撑杆高度对屋盖位移和应力的影响Fig.7 The influence of support rod height on the roof displacement and stress

图8 单撑杆位置对屋盖位移的影响Fig.8 The influence of a single support rod location on the roof displacement

图9 双撑杆间距对屋盖位移的影响Fig.9 The influence of the double support rodsspace on the roof displacements

如图 6所示,对比单撑杆和双撑杆张弦梁结构,发现两者均能有效改善结构刚度,单撑杆模型最大位移比双撑杆大11%。同理,对比双撑杆和四撑杆张弦梁结构,发现四撑杆张弦梁效率并不高,对于位移和应力的控制与双撑杆结果接近,甚至位移控制效果还略低于双撑杆张弦梁模型。这是由于屋盖挠度控制是通过在拉索上施加预拉力从而将撑杆反向顶上,而拉索间角度是控制撑杆向上作用力的关键,四撑杆模型拉索间的角度较大导致中间2个撑杆效率低下甚至不起作用,造成结构经济性差。

综上所述,空间张弦梁结构能有效控制屋盖挠度,并且减小屋盖网格构件应力,构件应力最大120MPa,小于屋盖钢材Q355强度的0.6倍,结构材料强度存在一定安全余量。单撑杆张弦梁和双撑杆张弦梁在位移控制效果和效率方面更具优势。

3 空间张弦梁加强结构优化分析

3.1 撑杆高度对屋盖加强的影响

通过改变撑杆高度研究其对屋盖挠度和构件应力的影响,如图 7所示。由于屋盖为网壳形式,存在一定曲率,所以不同位置撑杆高度不同。因此,撑杆高度变化是基于目前每根撑杆高度乘以0.5～3倍系数。其中,最低撑杆高度约为2.2m,最高撑杆高度约为4m。

由图 7a可知,在拉索预应力保持不变的情况下,随着撑杆高度增加,屋盖最大位移总体减小。当撑杆为0.5倍高度时,曲线斜率最大,效率最高;当撑杆为3倍高度时,屋盖最大位移逐渐趋于常数24mm,此时继续增加撑杆高度相当于无效工作,并且此时撑杆最高为12m,自身稳定性也需要重点考虑;当撑杆为0.8～2倍高度时,此时最大位移近乎线性变化,效率居中。在0.5～2倍高度时,双撑杆最大位移比单撑杆约小9%,并且不随高度增加变化。由此可知,撑杆高度增加对最大位移控制效果显著,但存在一定上限,双撑杆对最大位移控制更具优势。

由图 7b可知,在拉索预应力保持不变的情况下,随着撑杆高度增加,屋盖网格构件最大应力总体呈线性减小。双撑杆模型比单撑杆更加显著,双撑杆模型每提升1倍高度,最大应力下降约7%,单撑杆模型每提升1倍高度,最大应力下降5%。考虑到施工阶段,本项目构件最大应力为120MPa,在安全范围内,因此应力控制可降低要求。

综上,根据施工对挠度的限制和邻跨挠度需要匹配的要求,结合撑杆高度对最大位移控制的效率,撑杆高度设计为0.5～2倍高度,然后通过索的预应力设置达到挠度要求。需要注意撑杆稳定性和运输长度的限制,撑杆不宜过长。

3.2 撑杆位置对屋盖加强的影响

1)单撑杆张弦梁 屋盖为菱形网格,横向菱形对角点距离6m,撑杆可调整的位置有6个,但考虑到对称性,实际只有3个位置,即0.2倍跨度、0.36倍跨度、0.5倍跨度,如图 8a所示。由图 8b可知,单撑杆设置越靠近跨中,屋盖刚度提升越明显。这是由于非对称位置长度大的拉索角度偏小,导致水平方向分力大而撑杆向上顶的轴力小,张弦梁刚度降低,并且为平衡水平方向作用力,撑杆会向某个方向倾斜,导致撑杆上的力出现水平方向分力,同样削弱张弦梁增强刚度的效果;而跨中位置撑杆拉索角度最大,并且刚好平衡水平分力,所有竖向力皆用于增加屋盖刚度,因此效率更高。

2)双撑杆张弦梁 双撑杆始终保持对称,只改变2根撑杆间距,根据屋盖菱形网格角点,撑杆间距分别定为0.14L,0.43L,0.57L,0.71L,如图 9a所示。由图 9b可知,随着撑杆间距增加,屋盖最大位移先降低再增加,因此撑杆间距不宜过大或过小。撑杆间距小,如0.14L,拉索长度大而角度偏小,导致水平方向分力大而撑杆向上顶的轴力小,张弦梁刚度降低;撑杆间距大,如0.71L,位置靠近支座,而屋盖跨中位置缺少撑杆支承,导致张弦梁对跨中挠度的约束不足,整体刚度减弱;而两者区间内是撑杆较优的间距选择,能高效提升屋盖刚度。

4 结语

本文介绍了北京星火站交通枢纽工程建筑结构与施工方法,基于整体滑移施工提出了空间张弦梁加强方案,对比了单撑杆、双撑杆、四撑杆张弦梁对屋盖刚度增强的差异性,研究了撑杆高度、位置对屋盖位移的影响并提出了优化建议。主要结论如下。

1)单撑杆、双撑杆、四撑杆张弦梁结构均能有效改善菱形网壳屋盖刚度,但四撑杆张弦梁结构由于拉索间角度较大导致中间2根撑杆效率低下甚至不起作用,结构经济性差。

2)随着撑杆高度增加,屋盖挠度减小,降低斜率逐渐趋于0,由此撑杆设计高度可在撑杆高度-屋盖最大位移曲线线性降低区间选择,并综合考虑实际施工对挠度的要求、撑杆自身稳定性及周围跨挠度等。

3)对于单撑杆张弦梁加强方案,跨中位置设置撑杆对屋盖挠度控制效率最高,此时拉索角度最大,刚好平衡水平分力,所有竖向分力皆用于增加屋盖刚度。

4)对于双撑杆张弦梁加强方案,撑杆间距不宜过大或过小。间距小的拉索水平分力大而竖向分力小,导致对屋盖刚度提升效率较低;间距大的撑杆位置偏离跨中,对挠度最大的位置约束较弱,因此刚度提升效率低。