大跨度多次预应力钢穹网壳设计与张拉监控.doc

大跨度多次预应力钢穹网壳设计与张拉监控 ss攀枝花体育馆平面呈八角花瓣形(图6-7-1),周围用8个柱面相连,跨度近65m,曲边八边形外尚有l.94~4.16m不等的悬挑。屋盖支承于标高16.6m的8个混凝土圆柱顶上,相邻柱距24.85m,壳中心标高(节点球心)27.90m。最大平面覆盖尺寸74.8m74.8m。该工程按7度抗震设防,属Ⅰ类场地土,基本风压0.5kN/m2,屋面荷载4.11kN/m2。 网壳杆件用16Mn钢管,计4633根,另加8大束钢绞线预应力高强拉索,节点球986个,其中大部分节点为鼓形螺栓球,少量(约15%)为焊接空心球。8个支座采用橡胶垫板减振并消除温度应力。16Mn钢网壳设计用钢量为35.00kg/m2。后因16Mn钢管现货匹配不齐,改用以大代小的Q235钢管,屋面荷载变为4.25kN/m2,实际工程用量增至49.00kg/ m2。 该屋盖结构选型时,除首先要满足建筑功能、使用要求、安全可靠并符合设计规定外,还进行了曲面平板网架、预应力混凝土边构支承的钢网壳、非预应力钢网壳、预应力钢网壳等多方案比较。分析表明,多次预应力钢网壳比非预应力钢网壳节约钢材36.61%,比平板网架省钢54.88%。最后决定采用按多次预应力组合式短程线型钢网壳方案。据悉这是世界上多次预应力新技术应用于空间钢结构的首例工程。因国内无网壳设计规范,亦无预应力钢结构设计规程,故工程设计只能参照相关规范和自身特点以及该项目阶段性研究成果进行。 第1章 预加应力体系的选择 网壳的预加应力体系包括布索方案、预应力节点和预应力拉索选型,在网壳中如何布索才能提高预应力经济效益是关键问题。布索的原则是:在预应力的作用下，结构具有最多数量的卸载杆,最少数量的增载杆和中性杆,以使网壳的卸载效应大,从而收到明显的效果。 网壳宜在下部壳外布索,其布索方案大致可分两类(图6.7-2):一类为壳边缘布索—边构街外布索(A-A)、支座两两相间配索(B-B);另一类为壳中部布索—支座对角线配索(C-C)、对角线下撑式壳外配索(D-D)。杆件卸载效应和节点反拱度效应分析结果显示,中部布索方案的矢高大,易获较大的反力矩,因而卸载与反拱度效应均比边缘布索方案明显。由于建筑要布设吊顶,不容预加应力体系结构外露,故正式施工图设计采用壳外下撑式直束配索的边缘布索方案（A-A)。该预加应力体系方案与网壳的边缘构件和壳面构件合二为一,仅需加大截面尺寸,以简化构造。下撑拉索为高强钢绞线,通过间M锚具锚于预应力节点,考虑到平面外的稳定性,特于侧向加杆扶持。 为改善布索方案A-A矢高小的不利受力情况,在八条边下设置了32根向上的撑杆,它能产生很大的上抬力,以弥补其卸载与反拱度效应差的不足。 第2章 预应力全过程计算原理及静力分析 预应力网壳全过程计算,实际上就是加载顺序在网壳计算上的反映。该屋盖工程根据荷载的可分性、施工设备及工艺的可行性,在简化构造的情况下,为最大限度提高结构承载能力,节约钢材、降低造价,在征求施工单位意见后,决定采用以高强钢绞线为预应力拉杆的预应力结构五阶段设计。即“受载—张拉一受载一张拉一受载"的加载顺序。首先,网壳拼装就位后,加上约半数的屋面板重,使杆件处于受载状态,第一次利用荷载作用下杆件的允许承载能力;其次,张拉钢索,大致按荷载比例确定初始预加力值,对整个网壳相当大部分的杆件施加预应力至其反向允许承载力的极限;再第二次加上首批余下的全部壳板重量,第二次利用荷载下杆件的允许承载能力;然后第二次张拉钢索达总预加力控制值,这时,网壳又有相当大部分杆件达到其反向允许承载力的极限;最后第三次将屋面构造、室内吊顶、灯光、马道、水电管线等全部荷载加上,从而使网壳杆件的承载能力达到设计值,第三次利用杆件的允许承载能力。分析中,每当全部荷载工况计算完毕,都要根据内力组合结果,调整杆件截面,再进行下一轮计算,并需复检恶劣工况,再调杆件截面至满足设计要求。 预加力值的选择包括预加力值的初始值和最终控制值的确定,两次预加力幅值变化及其引起不同的杆件内力和经济效益等,问题比较复杂。预应力值不是越大越好,而是要根据工程具体情况,调整至变形适度、杆力不能过大、杆件理论重量最轻的最佳状态,这主要通过不同方案反复试算后优选确定。本工程预加力值的初始值和最终控制值分别取450kN和250kN较为合适。按空桁法专用程序分析其内力分布规律,理论分析与模型实测结果比较吻合。 第3章 动力特性及地震反应分析 理论分析及模型试验表明,结构体系的频率分布成几个密集区形式。加预应力后,网壳的自振频率有缩短趋势。当预应力网壳作整体振动(主要是基频)时,网壳各杆件间的相互拉力可以抵制其振动幅值;但在大多数自振频率下,网壳作局部振动。采用反应谱理论对结构竖向地震反应作了分析,从若干典