交叉張弦桁架預(yù)應(yīng)力施工過(guò)程分析與索力實(shí)測(cè)

湯 磊 羅 斌 丁明珉

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院,南京 210096)

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)將高強(qiáng)拉索引入結(jié)構(gòu)中,通過(guò)張拉拉索在結(jié)構(gòu)中建立預(yù)應(yīng)力,由于預(yù)應(yīng)力改變了結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)形狀[1],因此,預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能與普通鋼結(jié)構(gòu)相比存在較大差異.另外,由于預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的施工相對(duì)于普通鋼結(jié)構(gòu)多一道預(yù)應(yīng)力張拉工序,且大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中拉索面廣量大,無(wú)法實(shí)現(xiàn)整體一次性張拉到位,往往采用拉索分批、分級(jí)張拉的施工工藝,使得各施工工況下的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)差別較大.由于上述預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能和施工過(guò)程的特殊性,預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工的各個(gè)環(huán)節(jié),從制作、安裝到張拉,其結(jié)構(gòu)受力性能均不同于普通鋼結(jié)構(gòu)工程[2].現(xiàn)階段,通過(guò)有限元分析軟件和國(guó)內(nèi)部分學(xué)者自主開(kāi)發(fā)的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工計(jì)算分析軟件的應(yīng)用,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工前對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行計(jì)算分析,并可通過(guò)模擬施工過(guò)程對(duì)各施工工況進(jìn)行計(jì)算分析[3].

由于大多數(shù)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)之初均為超常規(guī)結(jié)構(gòu),為驗(yàn)證理論分析方法的正確性和理論分析結(jié)果的可信度,以及驗(yàn)證預(yù)應(yīng)力拉索施工方法的可行性和正確性等,需對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的拉索索力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,常用的索力測(cè)試方法包括千斤頂壓力表測(cè)定法[4]、壓力傳感器法、振動(dòng)頻率法[5]和磁通量測(cè)定法[6]等,其中基于拉索模態(tài)識(shí)別的振動(dòng)頻率法應(yīng)用最為廣泛且在不斷地改進(jìn)中.張宇鑫等[7]研究指出基于數(shù)值迭代求解方法識(shí)別張弦梁的索力精度無(wú)法保證.為提高精度及簡(jiǎn)化計(jì)算,文獻(xiàn)[7]根據(jù)分析迭代計(jì)算得到的頻率與索力相關(guān)關(guān)系的曲線和已有索力識(shí)別經(jīng)驗(yàn)公式的特點(diǎn),擬合出了基于索力頻率測(cè)試結(jié)果的索力計(jì)算公式.文獻(xiàn)[8]則在考慮減振裝置的彈簧剛度對(duì)拉索邊界條件的影響,著重研究減振裝置彈簧剛度與等效索長(zhǎng)的關(guān)系,提出考慮彈簧剛度影響的二次等效索長(zhǎng)修正公式,并對(duì)該方法的誤差敏感性、識(shí)別精度等進(jìn)行了討論.文獻(xiàn)[9]給出了通過(guò)局部頻率測(cè)試計(jì)算構(gòu)件軸力的一種理論方法,并通過(guò)數(shù)值模擬和一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了局部測(cè)試方法的正確性.文獻(xiàn)[10]則結(jié)合預(yù)應(yīng)力張弦結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),根據(jù)已有研究成果提出了一種較為實(shí)用的張弦結(jié)構(gòu)拉索索力平面外頻率測(cè)試法,即通過(guò)測(cè)試張弦梁平面外拉索的頻率,結(jié)合數(shù)值迭代和節(jié)點(diǎn)剛度修正,最終確定出拉索索力.本文以鄱陽(yáng)湖模型試驗(yàn)研究基地后續(xù)工程模型試驗(yàn)大廳鋼屋蓋交叉張弦桁架為研究對(duì)象,結(jié)合施工全過(guò)程模擬分析結(jié)果,對(duì)其預(yù)應(yīng)力實(shí)施全過(guò)程的索力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析研究.

1 工程概況

鄱陽(yáng)湖模型試驗(yàn)研究基地后續(xù)工程模型試驗(yàn)大廳鋼屋蓋采用交叉張弦桁架結(jié)構(gòu),預(yù)應(yīng)力交叉張弦桁架共11榀,每榀預(yù)應(yīng)力交叉張弦桁架由“X形”上弦桁架通過(guò)拉索及撐桿組成一榀空間預(yù)應(yīng)力鋼桁架,見(jiàn)圖1(a).張弦桁架跨度110 m,中心間距15 m,截面高度11 m.上部桁架為變截面倒三角形立體鋼管桁架,桁架高度從中部的3 m漸變?yōu)檫叢康? m,桁架寬度從中部的2 m漸變?yōu)檫叢康?.4 m,見(jiàn)圖1(b).

張弦桁架一端固定鉸接于一側(cè)混凝土柱邊的框架梁頂,另一端設(shè)置單向滑動(dòng)鉸支座支承于另一側(cè)混凝土柱邊的框架梁頂.張弦桁架平面外設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的支撐桁架.張弦桁架支座處節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼節(jié)點(diǎn),桁架桿件間連接采用相貫線焊縫.該張弦桁架的拉索索體采用強(qiáng)度等級(jí)為fptk=1 670 MPa的φ7 mm高強(qiáng)度低松弛鍍鋅鋼絲半平行鋼絲束,拉索規(guī)格為φ7 mm×127,拉索理論張拉力為1 100 kN,索體兩端可調(diào).張拉端錨具采用冷鑄鐓頭錨,且端部設(shè)置高阻尼黏彈性橡膠減震圈.

2 預(yù)應(yīng)力施工分析

2.1 張弦桁架張拉時(shí)機(jī)的選擇

選擇合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉不僅可以建立有效的預(yù)應(yīng)力值而且可以減少?gòu)埨墓ぷ髁?對(duì)鄱陽(yáng)湖模型試驗(yàn)研究基地后續(xù)工程模型試驗(yàn)大廳鋼屋蓋的交叉桁架預(yù)應(yīng)力拉索張拉采用荷載子步分析方法,對(duì)在支撐胎架上的單榀張弦桁架和整體結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力拉索分級(jí)張拉的全過(guò)程分析,具體分級(jí)見(jiàn)表1,分析結(jié)果見(jiàn)圖2.采用大型通用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)在支撐胎架上預(yù)應(yīng)力拉索分級(jí)張拉的全過(guò)程分析.桁架部分采用梁?jiǎn)卧狟eam188, 撐桿采用兩端鉸接的桿單元Link8,拉索采用只受拉、不受壓和不受彎的索單元Link10,支撐胎架采用僅受壓、不受拉和不受彎的單元Link10.支座一端鉸接,一端沿拉索張拉方向單向滑動(dòng)鉸接.材料彈性模量:鋼材取206 GPa,拉索取195 GPa.荷載取結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值.為計(jì)算精確,分析中考慮應(yīng)力剛化效應(yīng)和幾何非線性,采用Newton-Raphson方法迭代求解.

由分析結(jié)果可得,當(dāng)索力張拉力達(dá)到約800 kN時(shí),單榀交叉張弦桁架基本脫離了支撐胎架,而整體結(jié)構(gòu)在索力達(dá)到1 000 kN時(shí)仍未脫離胎架.分析結(jié)果表明,采用單榀張弦桁架張拉,在較小的張拉力下桁架即可脫離胎架,可避免整體結(jié)構(gòu)逐榀張拉時(shí)由于先后張拉順序而導(dǎo)致的索力相互影響.此外,由圖2可得在單榀張弦桁架張拉時(shí),當(dāng)索力平衡結(jié)構(gòu)自重,桁架剛脫離支撐胎架后,豎向位移受張拉力影響非常敏感,因此在實(shí)際施工中,不僅要控制張拉力還要嚴(yán)格監(jiān)控豎向位移.

圖1 模型試驗(yàn)大廳結(jié)構(gòu)圖(單位:mm)

表1 預(yù)應(yīng)力拉索分級(jí)張拉索力

圖2 拉索張拉力-結(jié)構(gòu)豎向位移的變化曲線

2.2 單榀桁架與整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

相對(duì)整體結(jié)構(gòu)逐榀張拉,單榀交叉張弦桁架獨(dú)立張拉時(shí)的側(cè)向穩(wěn)定性較差,因此通過(guò)特征值屈曲分析進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算.考慮到結(jié)構(gòu)的非線性,取在拉索等效預(yù)張力、結(jié)構(gòu)自重共同作用下的結(jié)構(gòu)平衡態(tài)的剛度作為特征值屈曲分析的剛度矩陣.計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2和圖3.

由分析結(jié)果可得:① 前4階模態(tài)特征值,單榀交叉張弦桁架明顯低于整體結(jié)構(gòu),但第5階及之后兩者的特征值比較接近.② 單榀交叉張弦桁架的最低階屈曲荷載數(shù)為11.322,說(shuō)明其仍具有良好的穩(wěn)定性,單獨(dú)張拉不會(huì)出現(xiàn)側(cè)向失穩(wěn).

表2 單榀交叉張弦桁架和整體結(jié)構(gòu)的前10階屈曲荷載系數(shù)

圖3 單榀桁架和整體結(jié)構(gòu)屈曲荷載系數(shù)曲線

3 索力測(cè)試與對(duì)比分析

拉索預(yù)張力施工過(guò)程是個(gè)動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化過(guò)程,是結(jié)構(gòu)從零狀態(tài)向成形初始態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程.由于鋼構(gòu)件安裝誤差、拉索制作、安裝和張拉誤差、分析誤差以及環(huán)境影響等因素,實(shí)際結(jié)構(gòu)狀態(tài)與分析模型有一定差異的.因此,有必要對(duì)拉索預(yù)應(yīng)力施工過(guò)程予以監(jiān)測(cè),對(duì)比理論分析值和實(shí)際結(jié)構(gòu)響應(yīng)的差異,及時(shí)掌握各關(guān)鍵施工階段的結(jié)構(gòu)狀態(tài),保證拉索施工全過(guò)程處于可控狀態(tài),為下階段施工和最后的施工驗(yàn)收提供依據(jù).

3.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容和方法

工程共11榀交叉張弦桁架,共計(jì)22根拉索.對(duì)拉索索力的監(jiān)測(cè)共分2次進(jìn)行:① 考慮到采取的是單榀交叉桁架張拉方法,因此預(yù)應(yīng)力施工過(guò)程中選擇預(yù)應(yīng)力張拉完成屋面檁條未安裝時(shí)進(jìn)行索力測(cè)試,校驗(yàn)千斤頂張拉力的精度.② 在縱向連系桁架安裝完成,整體屋蓋結(jié)構(gòu)成型后,對(duì)所有拉索(22根)的索力進(jìn)行測(cè)試,以便掌握整體結(jié)構(gòu)成型時(shí)的索力狀況,桁架和拉索編號(hào)見(jiàn)圖1(a).該工程分別選擇頻率法來(lái)測(cè)試所有拉索的索力,壓力傳感器法測(cè)試第5榀和第6榀桁架的拉索索力,如圖4所示.

圖4 拉索索力測(cè)試方法

3.2 平面外的頻率法測(cè)試步驟

該工程索力測(cè)試采用平面外自振頻率法測(cè)試平面索桿系拉索索力.該方法通過(guò)將平面索桿系中的連續(xù)短索轉(zhuǎn)化為平面外的長(zhǎng)索,通過(guò)實(shí)測(cè)平面外自振頻率和建立索力-平面外自振頻率的關(guān)系來(lái)確定拉索索力.具體步驟為:① 進(jìn)行平面索桿系有限元模型的模態(tài)分析,確定平面外計(jì)算長(zhǎng)度;② 實(shí)測(cè)平面索桿系的平面外自振頻率;③ 根據(jù)實(shí)測(cè)的多階平面外自振頻率,識(shí)別平面外抗彎剛度;④ 建立索力-平面外自振頻率的關(guān)系;⑤ 計(jì)算索力.其中,拉索索力T可根據(jù)測(cè)得頻率進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算式為[11]

(1)

式中,m為索的線密度(可以通過(guò)產(chǎn)品規(guī)格查得);f1,f2分別為第1階和第2階自振頻率(可以通過(guò)頻率計(jì)測(cè)得)；l為拉索計(jì)算長(zhǎng)度.由于拉索端部的約束比較復(fù)雜,因此,拉索計(jì)算長(zhǎng)度l的確定成為實(shí)際工程測(cè)量的難點(diǎn).

該工程的拉索規(guī)格為φ7 mm×127,鋼絲束外接圓直徑為91 mm(不含外包PE厚度),被撐桿劃分的索段長(zhǎng)度約為11 m,索段長(zhǎng)度與索體直徑之比為120.9.與斜拉結(jié)構(gòu)相比,張弦桁架撐桿間各索段較短,索段兩端約束條件復(fù)雜,無(wú)法直接確定拉索計(jì)算長(zhǎng)度,因此,通過(guò)在索頭布設(shè)壓力傳感器,對(duì)兩榀桁架的拉索索力進(jìn)行校對(duì)來(lái)確定其計(jì)算長(zhǎng)度.

3.3 壓力傳感器和頻率法索力測(cè)試結(jié)果

對(duì)拉索5-2和6-1采用壓力傳感器和頻率計(jì)進(jìn)行索力校核測(cè)試.由壓力傳感器測(cè)試的索力見(jiàn)表3.

假定各測(cè)試索段的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)相等, 根據(jù)式(1)可得出本工程頻率法索力測(cè)試的平均計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為0.974.由于計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)約等于1,說(shuō)明撐桿下端對(duì)拉索的約束作用近似固定鉸接.具體計(jì)算步驟如下:

表3 壓力傳感器測(cè)試的索力 kN

表4 頻率法測(cè)得索段振動(dòng)頻率 Hz

通過(guò)修正索段的計(jì)算長(zhǎng)度,得出頻率法測(cè)試索力結(jié)果，如表5和表6所示.測(cè)試結(jié)果表明:在拉索張拉完成和安裝屋面檁條后,測(cè)試索力與理論值的偏差在±10%以內(nèi),因而符合設(shè)計(jì)要求.

表5 屋面檁條未安裝時(shí)的各索索力測(cè)試結(jié)果

表6 屋面檁條安裝完成的各索索力測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

1) 本工程采用單榀交叉桁架張拉方法是切實(shí)可行的,張拉時(shí)索力控制分為11級(jí)是合理的.實(shí)測(cè)表明,張拉過(guò)程中索力與理論分析相符,張拉完成后結(jié)構(gòu)狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)初始態(tài)的要求.

2) 單榀交叉張弦桁架具有良好的平面外穩(wěn)定性,獨(dú)立張拉不僅脫架時(shí)的拉索張拉力較小,而且可避免各榀間先后張拉導(dǎo)致的索力相互影響,因此對(duì)交叉張弦桁架采用單榀獨(dú)立張拉是合理的.

3) 由于張弦桁架的索段長(zhǎng)度短,采用頻率法測(cè)試索力時(shí),通過(guò)取前兩階自振頻率計(jì)算索力來(lái)考慮索體抗彎剛度的影響,另通過(guò)壓力傳感器測(cè)試索力修正計(jì)算長(zhǎng)度來(lái)考慮索端約束剛度,可達(dá)到較好的測(cè)試精度.

4) 本工程采用頻率法索力測(cè)試的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為0.974<1,說(shuō)明撐桿下端對(duì)拉索的約束作用近似固定鉸接,因此對(duì)計(jì)算長(zhǎng)度的修正是必要的.

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