單層菱形網殼屋蓋滑移施工空間張弦梁加強方案研究*

張德欣,侯彥果,朱博莉,顧爽爽,馬曉暉,聞陳寶,伍錦鵬,賀 雄

(1.北京建工集團有限責任公司,北京 100088; 2.清華大學土木工程系,北京 100084; 3.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083; 4.中冶(上海)鋼結構科技有限公司,上海 201908)

0 引言

鋼結構滑移施工技術包括逐區滑移、累積滑移、整體滑移等。逐區滑移是將一區域或由若干區域組成的滑移單元從一端滑移至設計位置,各滑移單元間分別在高空進行連接,直接形成整體結構。累積滑移將滑移單元在滑移軌道上滑移一段,待連接好下一單元后再滑移一段距離,反復積累直至所有單元滑移至設計位置。整體滑移是指全部構件在指定區域吊裝和拼接完成后,整體滑移至設計位置。復雜空間網格結構施工多采用累積滑移[1-7],對場地面積要求低,拼裝和滑移可同時進行,但高空焊接作業多;而整體滑移多用于整體剛度較強的多層網格結構[8]或小跨度單層網殼結構[9],對場地面積要求相對較高,但拼裝和滑移均集中完成,相互獨立,分工明晰。

整體滑移對結構剛度和施工技術均有較高要求。因此,大跨度單層網殼采用整體滑移施工技術尚不多見,該施工技術的最大挑戰是如何有效控制滑移過程中撓度與局部應力超標情況,尤其對于整體剛度較弱的大跨度單層網格結構。

本文基于北京星火站交通樞紐工程的超大面積單層菱形網殼屋蓋結構,提出空間張弦梁加強屋蓋剛度方法,以解決安裝滑移過程中網殼變形過大、網殼和網格柱無法對口安裝或拼接構件附加應力過大造成結構承載力降低等問題。通過有限元分析,重點研究空間張弦梁結構對單層網殼整體剛度的提升作用,并分析張弦梁撐桿位置、數量和高度對屋蓋撓度和應力的影響,探討所提方案的可行性,最終為該類型結構整體滑移施工屋蓋剛度加強提供理論依據。

1 工程概況

1.1 結構概況

北京星火站交通樞紐工程屋面分為公交區和樞紐區,重點研究樞紐區屋蓋整體滑移加強方案。樞紐區屋蓋采用多點支承的單層菱形網殼體系,網殼底部支撐結構主要為鋼柱、斜撐及菱形網格柱,柱頂設置抗震支座,菱形網格柱與屋蓋網殼自然銜接為一體,底部支承于-19.000m基礎。屋蓋為超大面積斜交單層鋼網殼結構(見圖 1),長146.5m、寬146.8m,屋面為曲面,最高處高約9.6m,最低處高約0.45m,樞紐區立面標高如圖2所示。網殼屋蓋東側雨棚結構采用鋼框架體系,長96m、寬27.5m、高7.6m。網殼構件截面以箱形為主,截面主要有□600×250×20×20,□600×250×30×30,□800×300×40×40,□900×300×40×40等。鋼材材質主要為 Q355B,Q345GJC。

圖1 項目整體結構三維效果Fig.1 3D effect of the whole structure

圖2 樞紐區立面標高Fig.2 The facade elevation of the hub area

圖3 滑移屋架和軌道Fig.3 The sliding roof and rails

圖4 空間張弦梁示意Fig.4 The beam string structure

1.2 施工方法

屋蓋為單層網殼結構,跨度大,采用高空滑移施工技術,屬于鋼結構安裝工程中超過一定規模的危險性較大分部分項工程,需對滑移進行精準控制。如圖 3所示,整個樞紐區屋架設置4條滑移軌道,其中滑移軌道1,2相距36m,滑移軌道2,3相距28m,滑移軌道3,4相距28m。屋架吊裝到位后采用爬行器同時頂推至設定位置?；栖壍?,2間距離最大,在自重作用下跨中撓度可達97mm,不滿足GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[10]要求。另外,如果不加以控制,可能導致網殼屋蓋和網格柱、斜撐無法對口安裝,強行安裝會造成網格柱和斜撐支座反力與結構一次成型存在較大差異,待屋蓋卸載后,對接口出現較大附加應力(即應力損失),使網殼承載力降低,存在安全隱患。因此,需對滑移屋蓋進行加強處理,減小屋蓋在自重作用下的撓度,確保屋蓋與其他結構對接誤差在較小范圍內。

2 空間張弦梁加強方案及計算

2.1 有限元模型

采用有限元軟件ANSYS對網殼屋蓋進行受力分析,其中網殼構件和張弦梁撐桿采用beam188單元,拉索采用link180單元,通過降溫法對拉索施加預應力?；栖壍郎喜繛閂形撐與屋蓋相連,由于實際滑移軌道對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),兩端角點約束x,y向位移,防止平動和面內轉動,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]施工設備、工人等,荷載采用自重荷載的1.2倍?？臻g張弦梁撐桿采用直徑219mm、壁厚12mm圓鋼管,拉索直徑為80mm。

2.2 加強方案介紹

1)第1種為單撐桿張弦梁,如圖 4a所示(L為⑦,軸間跨度,下同)。撐桿為V形,設置于⑦,軸跨中位置,上部2個端點剛接于屋蓋菱形網格2個對角點處,下部連接2道拉索至⑦,軸對應的屋蓋網格節點處。

2)第2種為雙撐桿張弦梁,如圖 4b所示。撐桿為V形,設置于⑦,軸跨度的1/3位置,共設置2根撐桿和3道拉索。

3)第3種為四撐桿張弦梁,如圖 4c所示。V形撐設置于⑦,軸跨度的1/5位置,共設置4根撐桿和5道拉索。

2.3 加強方案對比

菱形網殼屋蓋共設置12道張弦梁結構加強,所有拉索預應力為500kN,張弦梁撐桿高度為5 000mm。

3種張弦梁結構加強屋蓋位移和應力如圖 5所示,圖中顯示區域剔除了屋蓋懸挑部分,僅保留中間被加強區域位移和應力變化。由圖5可知,屋蓋在自重作用下位移為97.5mm,超過規范[10]要求90mm和拼裝網殼屋蓋與網格柱施工要求,構件最大應力為120.5MPa,大部分區域應力為26～40MPa;在單撐桿張弦梁加強下,屋蓋位移下降至48.0mm,同比減小了51%,構件最大應力為117.6MPa,大部分區域應力為0～13MPa;在雙撐桿張弦梁加強下,屋蓋位移下降至43.3mm,同比減小了55%,構件最大應力為117.4MPa,大部分區域應力為0～13MPa;在四撐桿張弦梁加強下,屋蓋位移下降至44.5mm,同比減小了54%,構件最大應力為117.1MPa,大部分區域應力在0～13MPa?？傮w上,張弦梁結構能有效控制網殼撓度,明顯降低大部分構件應力,對最大應力的影響較小。

圖5 不同加強方案下屋蓋位移和應力對比Fig.5 Comparison of the roof displacement and stress under different strengthening schemes

圖6 無加強和3種加強方案下屋蓋最大位移對比Fig.6 Comparison of the roof maximum displacement of the non-strengthening and three strengthening schemes

圖7 撐桿高度對屋蓋位移和應力的影響Fig.7 The influence of support rod height on the roof displacement and stress

圖8 單撐桿位置對屋蓋位移的影響Fig.8 The influence of a single support rod location on the roof displacement

圖9 雙撐桿間距對屋蓋位移的影響Fig.9 The influence of the double support rodsspace on the roof displacements

如圖 6所示,對比單撐桿和雙撐桿張弦梁結構,發現兩者均能有效改善結構剛度,單撐桿模型最大位移比雙撐桿大11%。同理,對比雙撐桿和四撐桿張弦梁結構,發現四撐桿張弦梁效率并不高,對于位移和應力的控制與雙撐桿結果接近,甚至位移控制效果還略低于雙撐桿張弦梁模型。這是由于屋蓋撓度控制是通過在拉索上施加預拉力從而將撐桿反向頂上,而拉索間角度是控制撐桿向上作用力的關鍵,四撐桿模型拉索間的角度較大導致中間2個撐桿效率低下甚至不起作用,造成結構經濟性差。

綜上所述,空間張弦梁結構能有效控制屋蓋撓度,并且減小屋蓋網格構件應力,構件應力最大120MPa,小于屋蓋鋼材Q355強度的0.6倍,結構材料強度存在一定安全余量。單撐桿張弦梁和雙撐桿張弦梁在位移控制效果和效率方面更具優勢。

3 空間張弦梁加強結構優化分析

3.1 撐桿高度對屋蓋加強的影響

通過改變撐桿高度研究其對屋蓋撓度和構件應力的影響,如圖 7所示。由于屋蓋為網殼形式,存在一定曲率,所以不同位置撐桿高度不同。因此,撐桿高度變化是基于目前每根撐桿高度乘以0.5～3倍系數。其中,最低撐桿高度約為2.2m,最高撐桿高度約為4m。

由圖 7a可知,在拉索預應力保持不變的情況下,隨著撐桿高度增加,屋蓋最大位移總體減小。當撐桿為0.5倍高度時,曲線斜率最大,效率最高;當撐桿為3倍高度時,屋蓋最大位移逐漸趨于常數24mm,此時繼續增加撐桿高度相當于無效工作,并且此時撐桿最高為12m,自身穩定性也需要重點考慮;當撐桿為0.8～2倍高度時,此時最大位移近乎線性變化,效率居中。在0.5～2倍高度時,雙撐桿最大位移比單撐桿約小9%,并且不隨高度增加變化。由此可知,撐桿高度增加對最大位移控制效果顯著,但存在一定上限,雙撐桿對最大位移控制更具優勢。

由圖 7b可知,在拉索預應力保持不變的情況下,隨著撐桿高度增加,屋蓋網格構件最大應力總體呈線性減小。雙撐桿模型比單撐桿更加顯著,雙撐桿模型每提升1倍高度,最大應力下降約7%,單撐桿模型每提升1倍高度,最大應力下降5%?？紤]到施工階段,本項目構件最大應力為120MPa,在安全范圍內,因此應力控制可降低要求。

綜上,根據施工對撓度的限制和鄰跨撓度需要匹配的要求,結合撐桿高度對最大位移控制的效率,撐桿高度設計為0.5～2倍高度,然后通過索的預應力設置達到撓度要求。需要注意撐桿穩定性和運輸長度的限制,撐桿不宜過長。

3.2 撐桿位置對屋蓋加強的影響

1)單撐桿張弦梁 屋蓋為菱形網格,橫向菱形對角點距離6m,撐桿可調整的位置有6個,但考慮到對稱性,實際只有3個位置,即0.2倍跨度、0.36倍跨度、0.5倍跨度,如圖 8a所示。由圖 8b可知,單撐桿設置越靠近跨中,屋蓋剛度提升越明顯。這是由于非對稱位置長度大的拉索角度偏小,導致水平方向分力大而撐桿向上頂的軸力小,張弦梁剛度降低,并且為平衡水平方向作用力,撐桿會向某個方向傾斜,導致撐桿上的力出現水平方向分力,同樣削弱張弦梁增強剛度的效果;而跨中位置撐桿拉索角度最大,并且剛好平衡水平分力,所有豎向力皆用于增加屋蓋剛度,因此效率更高。

2)雙撐桿張弦梁 雙撐桿始終保持對稱,只改變2根撐桿間距,根據屋蓋菱形網格角點,撐桿間距分別定為0.14L,0.43L,0.57L,0.71L,如圖 9a所示。由圖 9b可知,隨著撐桿間距增加,屋蓋最大位移先降低再增加,因此撐桿間距不宜過大或過小。撐桿間距小,如0.14L,拉索長度大而角度偏小,導致水平方向分力大而撐桿向上頂的軸力小,張弦梁剛度降低;撐桿間距大,如0.71L,位置靠近支座,而屋蓋跨中位置缺少撐桿支承,導致張弦梁對跨中撓度的約束不足,整體剛度減弱;而兩者區間內是撐桿較優的間距選擇,能高效提升屋蓋剛度。

4 結語

本文介紹了北京星火站交通樞紐工程建筑結構與施工方法,基于整體滑移施工提出了空間張弦梁加強方案,對比了單撐桿、雙撐桿、四撐桿張弦梁對屋蓋剛度增強的差異性,研究了撐桿高度、位置對屋蓋位移的影響并提出了優化建議。主要結論如下。

1)單撐桿、雙撐桿、四撐桿張弦梁結構均能有效改善菱形網殼屋蓋剛度,但四撐桿張弦梁結構由于拉索間角度較大導致中間2根撐桿效率低下甚至不起作用,結構經濟性差。

2)隨著撐桿高度增加,屋蓋撓度減小,降低斜率逐漸趨于0,由此撐桿設計高度可在撐桿高度-屋蓋最大位移曲線線性降低區間選擇,并綜合考慮實際施工對撓度的要求、撐桿自身穩定性及周圍跨撓度等。

3)對于單撐桿張弦梁加強方案,跨中位置設置撐桿對屋蓋撓度控制效率最高,此時拉索角度最大,剛好平衡水平分力,所有豎向分力皆用于增加屋蓋剛度。

4)對于雙撐桿張弦梁加強方案,撐桿間距不宜過大或過小。間距小的拉索水平分力大而豎向分力小,導致對屋蓋剛度提升效率較低;間距大的撐桿位置偏離跨中,對撓度最大的位置約束較弱,因此剛度提升效率低。