中关村软件园光盘结构钢索张拉施工模拟分析.pdf

第37卷 第2期建 筑 结 构2007年2月中关村软件园光盘结构钢索张拉施工模拟分析刘 枫 郝成新 钱基宏 赵基达(中国建筑科学研究院结构所 北京100013)张同亿(中元国际工程设计研究院 北京100089)提要 中关村软件园光盘结构属车辐式双层索系,其中含径向索、斜拉索和缆风索共288根。首先进行了考虑几何非线性和初始缺陷的整体稳定计算,进而从稳定计算角度介绍了各类钢索张拉施工顺序的确定过程。整个张拉步骤共分为163步,介绍了钢索张拉的具体步骤,分步进行张拉施工模拟验算的具体方法及采用的工装设备。钢索张拉顺利完成,最终误差控制在5%以内,证明了施工模拟分析的正确性。关键词 光盘结构 索结构 预应力张拉 施工模拟Construction Simulation Analysis of Cables in Giant Disk Canopy in Beijing Softw are ParkLiu Feng1,Hao Chengxin1,Qian Jihong1,Zhao Jida1,Zhang T ongyi2(1 China Academyof Building Research,Beijing 100013,China;2 IPPR EngineeringInternational,Beijing 100089,China)Abstract:The structural style of the disk canopy in Beijing software park is rung double deck cable system,in which 288cables are adopted including radial cables,hanger cables and stabilizing cables.Buckling analysis considering geometrynonlinear and initial defection is done,and the tensioning sequence for cables is confirmed according to the buckling analysis.The tensioning process is divided into 163 steps.The concrete steps for tensioning,the methods used for constructionsimulation and the equipments used are introduced.The tensioningof the cables isfinished and the error is controlled in 5%,which verifies the correctness of the construction simulation.Keywords:disk canopy;cable structure;prestress tensioning;construction simulation1 工程概况中关村软件园光盘结构由4根桅杆通过24根斜拉索吊起在空中,为抵抗风吸力的作用,光盘下还增设了24根缆风索1,2。整体结构外观及结构平如图1所示。整个项目的设计施工难点集中在拉索部分。由于拉索的存在,整个结构呈现几何非线性特征。结构共有各类索288根,具体情况如表1所示5。其中,径向索分上、下两层设置,为了保证上下两层径向索的共同工作,两层径向索之间设置了一道撑杆。各类索的受力相互影响,一根索内力的改变,将带来其他索力的连锁变化。既要保证建筑标高的准确;又要控制索力在一定范围内,以满足承载和排水需要;同时由于桅杆采用固接柱脚,还要保证尽量减少柱底部的弯矩作用,必须通过严密计算来达到上述目标。下面主要从稳定计算角度介绍钢索张拉施工顺序的确定过程,张拉施工模拟验算的具体方法,钢索张拉的具体步骤及采用的工装设备。2 整体稳定计算根据设计阶段的计算2,在最不利荷载工况下,单根径向索索力约为350kN,加上其他索的内力,根据车辐式双层索系的计算方法3,外环梁的压力约为图1 光盘结构15 000kN。如果将斜拉索和缆风索的共同作用看作光光盘结构索分类表1索分类径向索斜拉索缆风索总根数2402424截面形式161钢绞线Z型密封索161钢绞线直径(mm)367542截面面积(mm2)7633 8861 039材料镀铝锌钢索镀铝锌钢索镀铝锌钢索盘外环梁的平面外支撑,那么其最大节间长度约为16m,所以外环梁的平面外稳定问题应是关注的焦点。索结构的整体稳定是一个非常复杂的问题。首先,由于几何非线性的影响,索结构必须采用非线性屈曲分析进行稳定计算,才可能获得比较准确的临界荷36载分析结果。因为只有考虑非线性才可能在分析中考虑初始缺陷、塑性行为、大变形等特征。另外,在不同的荷载条件下,结构的刚度在不断的变化,其临界荷载也在随之不断变化。因此,每一个临界荷载都是针对某种特定的荷载工况提出的。在设计阶段已经进行了结构在正常使用荷载条件下的非线性稳定计算,下面将分析结构在拉索张拉施工完毕阶段(采光顶未安装)的整体稳定性。在拉索张拉施工完成阶段,单根径向索索力约为250kN,加上其他索的内力,外环梁的压力约为10 000kN。为确定结构的初始几何缺陷,首先进行了特征值屈曲分析,将结构的第一阶屈曲模态作为结构的初始缺陷分布模态,其中最大计算值取为外环梁最大节间长度(约16m)的1400,这是设计对结构加工及安装精度的要求。进行几何非线性屈曲分析,其临界荷载系数为419。屈曲模态如图2所示,外环梁产生了平面外翘曲失稳。值得一提的是,斜拉索与缆风索都是柔性索,仅取其一不能起到平面外支撑的作用,但他们的共同作用则形成了“光盘”的平面外支撑,减小了外环梁的平面外计算长度。3 钢索张拉施工顺序的确定根据前面的计算结果可知,当斜拉索和缆风索的共同作用形成以后,结构整体张拉完毕,不会出现稳定问题。但在施工阶段结构支撑条件不同,在施工开始阶段,内、外环分别被搁置在脚手架上,脚手架可以受压但不能受拉,也就是说,当脚手架受压时,他可以成为结构的一部分,充当外环梁的平面外支撑;而当脚手架受拉时,他将和结构脱开,不能起到平面外支撑的作用。从施工方便的角度考虑,自然希望先将径向索张拉完毕,这样能够在脚手架上完成径向索的张拉,径向索数量最多,在脚手架上张拉要比悬挂在空中张拉更为方便。根据上述分析,进行了施工稳定计算。根据脚手架的实际搭设情况计算不同位置脚手架的刚度,通过弹簧支座模拟脚手架的作用。采用通用有限元计算软件ANSYS进行计算4,计算模型如图3所示。在进行计算时,要考虑结构自重的作用,将240条径向索全部张拉完毕。根据等比例加载的非线性静力计算方法进行计算,计算过程中要特别注意,每一步都要判断所有弹簧支座是否同结构脱开,若出现支座脱开的现象,则该步计算应重新进行,忽略该支座的作用。实际计算结果显示,在整个计算过程中,由于外环梁重量相对较大,弹簧支座未出现与结构脱开的现象,结构的临界荷载系数大于5。因此,在脚手架上将径向索全部张拉完毕是可行的。图4 节点锚固照片但是,如果采用上述张拉方案,当通过张拉斜拉索将光盘吊起时,则会不安全。因为此时光盘已经离开了脚手架,而斜拉索和缆风索的共同作用还未形成,光盘外环梁基本处于无平面外支撑的状态,其平面外计算长度将大大增加。针对上述分析,为了确保安全,采取了两个措施。首先,在脚手架上张拉径向索时,仅将径向索拉力控制在目标预应力值的40%左右;其次,将径向索张拉至40%后,不是直接通过张拉斜拉索将光盘吊起,而是交替张拉斜拉索和缆风索,这样当光盘吊起时,斜拉索和缆风索的共同作用已经部分形成。采取这两个措施后,整个张拉施工过程的安全度大大提高。通过计算控制,让光盘在空中处于一个相对理想的标高,完成径向索、斜拉索、缆风索的张拉。另外,为了保证结构的稳定性,根据张拉设备数量和施工进度要求,尽量满足对称同步张拉的原则。图2 施工阶段结构屈曲模态图3 施工验算模型4 钢索张拉施工模拟分析确定了基本张拉顺序后,对整个施工过程进行了施工模拟分析,以确定详细的张拉过程和准确的张拉力值,再根据张拉力值选择合适的设备。由于拉索结构属于敏感结构,在模型的建立上,尽量真实地模拟实际结构。对结构各部分的重量进行详细统计,由于拉索锚固节点构造造成的偏心也在模型中通过刚臂单元进行模拟。锚固节点如图4所示。在计算过程中,要控制每一步的柱底弯矩、关键点的位移以及外环梁的稳定性。各类索的施工张拉目标预应力值如表2所示。由于索力之间相互联系,索的目标预应力值与施工张拉预应力值并不相同。整个施工张拉过程共分为163步,每一步的施工张拉值都是通过计算确定的。通过46弹簧支座模拟脚手架的作用,当弹簧支座与结构脱开时,则需要去掉这些支座重新进行该步计算。值得一提的是,因为在实际施工时,不可能每步都进行拆除支座的操作,所以有可能上一步脱离结构的支座在这一步又同结构发生接触,所以每一步还应根据支座节点的位移进行判断。这样整个光盘结构是如何形成一个整体,如何被吊离脚手架,并最终按目标标高和目标预应力值稳定在空中的过程就完整准确地展现出来。各类索施工张拉目标预应力(kN)表2斜拉索缆风索径向索外环(长索)外环(短索)内环外环(长索)外环(短索)内环上层下层1 1909361 0851171252772212532212525 张拉方法及张拉工装设备整个张拉施工主要分为两类:1)径向索的张拉;2)斜拉索和缆风索的张拉。对于径向索,其拉索锚固点共有两处,一处在外环梁的内侧,另外一处在内环梁的外侧。在张拉位置的选择上,这两处各有优势。由于径向索的张拉要分多轮进行,而且径向索数量最多,因此在内环梁上张拉的主要优势是由于半径相对较小,人员设备的移动距离小,这将节省一定的时间。但是在外环梁上张拉优势更加明显。一是上下层径向索在内环梁上分别固定在上下层内环梁上,而在外环梁上则固定在同一块连接钢板上,如图4(a)所示,这样上下层径向索张拉同步性的控制将变得比较容易;另外虽然在外环梁上张拉,人员设备的移动距离较大,但同时也带来了更大的操作空间,使张拉施工更加方便。因此最终选择在外环梁内侧进行径向索的张拉。对于径向索的张拉共采用两种张拉设备。在预应力值较小时,为了加快施工进度采用扭矩扳手进行张拉;在后期则需通过千斤顶进行,其张拉示意如图5(a)所示,现场的实际张拉照片如图5(b)所示。图5 径向索张拉对于斜拉索和缆风索而言,其拉索锚固点共分两处,一处在环梁上,一处在桅杆上。由于桅杆截面相对较小,操作空间不足,因此将张拉位置选择在环梁处(含外环梁和内环梁)。由于索拉力比较大,本不希望索拉力对环梁造成偏心,但根据放样的结果,环梁处的锚固节点基本都位于几道环梁之间的环梁腹板处,张拉操作基本无法进行。因此最终将张拉位置全部放在环梁上下表面,如图4(b)所示,这样张拉施工方便,而对于索力引起的偏心则需通过计算和构造措施解决。对于斜拉索和缆风索的张拉设备主要采用千斤顶进行。在缆风索预应力值较小时,采用扭矩扳手进行张拉。其张拉如图6所示。图6 斜拉索、缆风索张拉张拉方法6 张拉具体步骤根据上述计算,最终确定了具体的张拉步骤,整个张拉过程共分为163步,现小结如下。(1)采用卷扬机对称同步安装径向索,安装完毕后,各径向索索力约515kN;采用吊车对称同步安装斜拉索和缆风索。安装示意见图7。图7 各类索安装示意图(2)对称同步张拉各组径向索至目标预应力值的40%左右。每次张拉两组共4条径向索,上、下层径向索按照相同预应力值进行张拉,上、下层径向索张拉同时进行。将240条径向索完整张拉一轮。此步通过扭矩扳手进行操作。(3)通过两轮张拉,对称同步张拉各组斜拉索至目标预应力值的45%左右。每根索通过两台千斤顶进行张拉,共八台千斤顶。两台千斤顶分别安装在每根索的对角固定螺栓上,张拉时控制八台千斤顶的同步性。下面各步的张拉中,千斤顶的数量、安装及操作要求均与此相同。(4)对称同步张拉各组斜拉索,同时对称同步张拉各组缆风索。此步完成后应放松相应的脚手架支座。(下转第69页)56图8 两种拉索在不同张力条件下的位移图9 斜拉索等效弹性模量随着拉索水平投影长度变化曲线随拉索比重、拉索长度的增大而减小,随索中应力的增大而增大。对于钢拉索,弹性模量取E=11951011Pa,容重=80kNm3;CFRP拉索取E=1471011Pa,=16kNm3。图9给出了分别对应于钢拉索和CFRP拉索的应力为300,500,750 MPa时等效弹性模量随长度的变化。可见,在拉索长度及索中应力相同的情况下,CFRP拉索的等效弹性模量比钢拉索高得多,且拉索愈长,其间差别愈大。4 结论(1)从实际索形出发推导的斜拉索的切线刚度与采用等效弹性模量法模拟斜拉索的计算结果比较可以看出,采用Ernst公式模拟CFRP斜拉索得到的切线刚度在一定的初始应力下有很高的精确度。(2)在EAT相同情况下,碳纤维斜拉索的切线刚度要小于钢索,但是随着拉索应力的增加,刚度等效系数很快接近1。(3)由于自重小于传统的钢索,CFRP斜拉索的竖向索力分量等效系数即使在应力较小的情况下仍然接近1,在工程应力范围内采用直杆单元模拟斜拉索有很高的精度。(4)CFRP斜拉索的垂度在相同应力状态下约为钢拉索的15;拉索的垂跨比与拉索的材料特性如质量、弹性模量等无关;CFRP索的弦向位移与跨径的比值要小于钢索。等效弹性模量等效系数随着跨径的增加要远远高于钢拉索。参考文献1梅葵花,吕志涛.CFRP在超大跨悬索桥和斜拉桥中的应用前景J.桥梁建设,2002,(2):75278.2 NIKWINK L ER,PASCAL K L EIN.Carbon fiber products(CFRP)aconstruction material for the next centuryC Proceedings of the 13thFIP Congress Amsterdam,1998.3夏桂云,李传习,张建仁.斜拉索非线性分析J.长沙交通学院学报,2001,(1):47250.4 ERNST H J.Der E2modul von seilen unter beruecksichtigung desdurchhangesJ.Der Bauingenieur,1965,40:522555 CHEN W F,LIU E M.Stability design of steel framesM.London:CPC Press,Inc,1991.6公路斜拉桥设计规范(试行)(JT J 027296)S17尼尔斯J吉姆辛,金增洪.缆索支承桥梁M.北京:人民交通出版社,2002.(上接第65页)张拉完毕后,斜拉索预应力值达到目标预应力值的75%左右。此步缆风索的张拉通过扭矩扳手进行操作。缆风索预应力值达到目标预应力值的15%30%。图8 上、下层径向索之间的撑杆(5)对称同步张拉各组斜拉索达到目标预应力值的80%90%。(6)小心地放松其余未放松的脚手架支座。操作完毕后,斜拉索预应力值约为目标预应力值的95%。(7)对称同步张拉各组缆风索至目标预应力值的50%70%。(8)对称同步张拉各组缆风索达到目标预应力值的130%左右。(9)对称同步张拉各组径向索,每次张拉两组共4条径向索。上、下层径向索按照不同预应力值进行张拉。上、下层径向索张拉同时进行。将240条径向索完整张拉一轮。张拉完毕后,全部索预应力值达到目标预应力值。(10)按照目标预应力值进行全部拉索的预应力值调整。(11)按照对称原则安装上、下层径向索之间的撑杆,由于此时径向索刚度已经形成,此部分通过在径向索之间搭设跳板完成,避免了大规模搭设脚手架。安装完毕的撑杆如图8所示。7 结语在工程施工过程中,通过全站仪观测光盘特征点标高,并采用索力动测仪,通过频率测试获得索内力。最终通过油泵进行索预应力值的全面调整。由于技术准备充分,张拉预应力误差控制在5%以内,光盘内、外环脱离脚手架的位置时间均与计算基本吻合。钢索张拉施工已顺利完成。参考文献1张同亿等.北京中关村软件园“光盘”结构设计J.建筑结构,2005,35(11).2张同亿等.北京中关村软件园“光盘”结构分析J.建筑结构,2006,36(2).3沈世钊,徐崇宝,赵臣.悬索结构设计M.中国建筑工业出版社,199714 ANSYS使用手册.美国ANSYS公司北京办事处.5 PLANNINGAID.BRUGG.96