大跨度轮辐式单双层索网结构施工过程模拟.pdf
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1、2023 年 10 月下第 52 卷 第 20 期施工技术(中英文)CONSTRUCTION TECHNOLOGY15 DOI:10.7672/sgjs2023200015大跨度轮辐式单双层索网结构施工过程模拟袁 野,张其林,张舒翔,罗晓群(同济大学土木工程学院,上海 200092)摘要 对于大跨度索网屋架结构,结构刚度主要来自拉索预应力与张拉形成的几何形态,因此,施工张拉过程对结构成型与安全至关重要。作为首创的轮辐式单双层索网结构,乐山奥体中心体育场屋架具有结构形式复杂、两侧索网不对称、施工难度大等特点。对索系屋架结构进行低空低应力组装、整体提升安装、分批成组锚固的 3 步式施工过程模拟,考
2、察了张拉施工过程中的结构位形与索力变化情况。结果表明,屋架张拉过程中拉索内力、结构位移过渡稳定,单双层索网交界处不平衡力可控,索网体系无失稳风险,屋架整体有足够的施工安全储备。关键词 索结构;拉索;预应力;张拉;数值模拟中图分类号 TU745.2文献标识码 A文章编号 2097-0897(2023)20-0015-06Simulation of Construction Process for Large-span Wheel-spokeSingle-double-layer Cable Net StructuresYUAN Ye,ZHANG Qilin,ZHANG Shuxiang,LUO
3、Xiaoqun(College of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract:For large-span cable net roof structures,the structural stiffness primarily comes from theprestress of the cables and the geometric configuration formed by tensioning.Therefore,the constructiontensioning process is
4、 crucial for the formation and safety of the structure.As an innovative wheel-spokeand single-double-layer cable net structure,the stadium roof of Leshan Olympic Sports Center exhibitscharacteristics such as complex structural form,asymmetric cable nets on both sides,and highconstruction difficulty.
5、A three-step construction simulation,involving low-level,low-stress assembly,overall lifting installation,and phased grouping anchoring was conducted for the cable system roofstructure.The changes in structural geometry and cable forces during the tensioning process wereexamined.The results indicate
6、 that the internal forces and structural displacements during the rooftensioning process transition smoothly.The imbalanced forces at the junction of the single and doublelayers of cable nets can be controlled,and the cable net system has no instability risk,the overall roofstructure possesses suffi
7、cient construction safety reserves.Keywords:cable structures;cables;prestress;tensioning;simulation国家自然科学基金面上项目:PTFE 膜材细观本构和热合连接破坏机理研究(52378180)作者简介 袁 野,博士研究生,E-mail:yuanyetj 通信作者 张其林,教授,博士,E-mail:zhangqilin 收稿日期 2023-05-200 引言 大跨度索系柔性屋架常见形式包括索穹顶和轮辐式结构,轮辐式结构包括单层索网与双层索网。目前,国内已建成多项具有代表性的轮辐式索网结构,主要应用在各
8、类体育场上,包括深圳宝安体育场1-2、苏州奥体中心体育场3、枣庄体育场4、郑州奥体中心体育场5-6、盘锦体育中心体育场7-8等,这些轮辐式索网屋架或为单层索网结构,或为双层索网结构,均为双向对称结构。对于对称轮辐式索网结构,现已有相关大量研究,如张月强等9对内凹形轮辐式张拉结构初始预应力和构型间关系进行了研究,分析了结构关键参数,如径向索矢跨比、桁架榀数、内外环相对高差等对结构性态的影响。刘占省等10通过缩尺模型试验研究对比了圆形轮辐式索桁架结构张拉径向索、张拉环向索和顶升内撑杆 3 种施工张拉方法,得出了张拉径向索方案操作最方便、工程实用性最好的结论。郭彦林等11结合试验与数值模拟方法对宝1
9、6 施工技术(中英文)第 52 卷安体育场的轮辐式屋盖结构张拉施工过程进行研究,比较了 4 种张拉方案,并最终制定了张拉径向索的施工方案。夏晨12以苏州工业园区体育场为工程对象,研究了轮辐式马鞍形单层索网结构设计与施工方案,并结合结构各几何参数对结构静力性能进行参数化分析。为研究轮辐式单双层混合索网结构在施工过程中内力与结构位移的变化规律,探究合理的施工张拉工序,本文对乐山奥体中心体育场屋架施工过程进行数值模拟,以期为类似项目提供参考。1 工程概况乐山奥体中心项目位于乐山苏稽新区,为四川省第十四届运动会提供场馆硬件支持,项目由体育场、体育馆、游泳馆、全民健身中心组成,其中,体育场索网屋架为世界
10、首例大跨度轮辐式单双层索网结构13-14。单双层索网结构更符合体育场场地特征,为丰富屋面整体造型与优化看台座位的排布提供了条件。体育场设固定座席 20 000 座,活动座席10 000 座,结构投影平面呈椭圆形,南北向长约244m、东西向长约 235m,东侧为内高外低双层索网,最高处设计标高 30.000m,西侧为内低外高单层索网,最高处设计标高 44.850m,双层索网间设竖向撑杆,从双层索网向单层索网过渡,撑杆长度逐渐变短,形成高低错落屋面形态,体育场效果与剖面分别如图 1,2 所示。图 1 乐山奥体中心体育场效果Fig.1 Effect of Leshan Olympic Sports
11、Center Stadium图 2 体育场剖面(单位:m)Fig.2 Section of the stadium(unit:m)2 张拉流程简介 索网现场施工模拟流程可分为 3 个主要步骤:低空低应力组装、整体提升安装与分批成组锚固。其中,低空低应力组装是索网内各拉索、撑杆单元,在低空按一定步骤组装至索网对应位置并提升到一定高度的过程,经过低空低应力组装,形成了索网初步形态、位置与预应力分布;整体提升安装是通过提升、张拉、调整,将索网从低空低应力状态逐渐张拉至预期初始状态(即仅考虑预应力与自重的计算状态)的过程,经过整体提升安装,使索网达到能承受荷载的初始状态、索网形态贴近设计形态,预应力分
12、布符合设计要求;分批成组锚固是当索网整体提升至接近设计状态时,按不同分组,先后分批次对径向索进行锚固,在径向索尾端部与外环刚架间形成永久连接。本节采用 3D3S 软件对施工过程进行模拟计算。张拉过程是针对拉索与撑杆组成的索网,因此,以屋盖外围钢结构全部安装完成作为张拉施工起点,首先将单层环向索、双层上环向索及各上层径向索组成的上层索网体系组装起来,并向上提升;待上层索网体系提升到一定高度后,将双层下环向索与下层径向索组成的下层索网体系也组装好,挂至上层索网上;之后同时提升上、下层索网,在上层索网位置合适、两层索网间距合适时逐组组装撑杆,直至所有撑杆全部组装完成,此过程为低空低应力组装过程。如图
13、 3 所示,单层索网共 16 榀,按南北对称性分别编号为 18。双层索网共 26 榀,组装撑杆时,将每对上下对应相同位置的径向索中间所夹撑杆定义为 1 组,按对称性编为 13 组,定义南/北侧(单双层索网交界处最短)撑杆组号为 1,到东侧(最长)撑杆组号为 13,安装顺序为 113,即撑杆由短到长逐步安装。图 3 径向索分组(单位:m)Fig.3 The radial cable grouping(unit:m)在索网全部组装完成后,需交替张拉单双层径向索,控制索网整体形态基本水平,并逐渐向上提升,至索网整体达到设计位置、索网预应力状态达2023 No.20袁 野等:大跨度轮辐式单双层索网结构
14、施工过程模拟17 到设计状态后,安装销轴,完成张拉,此过程为整体提升安装过程。索网张拉过程全部通过各径向索尾端部与钢结构相连的工装索控制。在计算过程中,通过控制工装索原长进行张紧和放松,通过对工装索进行分组张拉、分批次张拉控制索网整体形态与位置。索网张拉过程为:状态 1 组装好上层环向索、径向索,索网呈碗形,环向索平摊于地面,工装索与上层径向索连接进行牵引,使上层径、环向索逐渐向上提升,工装索长度为 810m;状态 2 上层索网提升到一定高度后,组装下层索网,将下层径、环向索挂在上层索网上,之后开始同步提升上、下层索网,工装索长度为 79m;状态 3 待上层索网高度合适且上、下层索网间距合适时
15、,开始组装撑杆,该过程也是上、下层索网同步提升的过程,工装索长度为 68m;状态 4 撑杆组装完成一半时,上、下层索网均有所提升,工装索长度为 57m;状态 5撑杆组装完毕,在自重作用下双层索网稍向东侧倾斜,工装索长度为 46m;状态 6 索网调平,主要张拉双层双网上、下径向索,提升双层索网高度,工装索长度为 36m;状态 7所有径向索同步提升,单双层径向索同步张拉,提升索网整体高度,工装索长度为 14m;状态 8主要张拉单层索网,放缓双层索网提升,工装索长度为 13m;状态 9 单双层径向索同步张拉,索网整体同步提升,微调至接近初始状态,工装索全部收回,按先单层索网后双层索网,先索网对称位置
16、后单双层交界位置的顺序,分批成组安装销轴进行锚固,如图 4 所示。图 6 环向索建模Fig.6 Ring cable modeling3 分析模型构成 分析模型采用环向索分索建模方式,整体模型如图 5 所示。对于各环索夹节点位置,采用主从节点约束方式,竖直撑杆上、下端节点为主节点,各分环索经过索夹处节点为从节点,假设索夹本身变形很小,节点无内部相对位移,从节点位移与主节点位移耦合,各索夹自重产生的节点力施加于主节点上。环向索建模如图 6 所示。数值模拟中,按设计模型定义索网各类构件截图 4 索网张拉过程Fig.4 Cable tensioning process图 5 施工模拟建模Fig.5
17、Construction simulation modeling面规格,如表 1 所示。表 1 索网构件规格Table 1 Material specification of cables索网位置构件类型截面规格单层索网环向索径向索4120+6130295,2110双层索网上环向索下环向索上径向索下径向索撑杆41206130270110,1301006 450164 张拉过程中索力与位移结果 张拉过程中,计算一系列结构中间状态,选取部分具有代表性状态,截取结构竖直方向位移状态图,如图 7 所示。其中,状态 16 为低空低应力组装阶段,状态 712 为整体提升安装阶段。18 施工技术(中英文)第
18、 52 卷图 7 中间状态结构竖直方向位移Fig.7 Structural vertical displacement of intermediate state对张拉全过程进行结果统计,取部分重要节点、单元,提取其位移、内力结果,绘制全过程变化曲线如图 8 所示,图中选取了所计算的 22 个结构状态所对应的数据。图 8 张拉过程中位移与索力变化Fig.8 Displacement and cable force changing during tensioning4.1 内环位形变化 由图 8a 可知,整个张拉过程中,索网内环东侧、西侧、南/北侧均在平稳上升,伴有小范围波动。西侧索网由于自重
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