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摘要：通过有限元分析软件对轮辐式预应力张弦梁钢屋盖结构进行拉索张拉施工仿真分析，比较三种张拉顺序方案和三种张拉阶段方案，提出合理的张拉方案，并给出类似结构的张拉方式和施工建议。
关键词：轮辐式；预应力；张弦梁；有限元分析；张拉方案比较
Abstract : Through the finite element analysis software for spokes prestressed chord-tension LiangGang roof structure of tension lasso construction simulation analysis, comparative three tension sequence solutions and three kinds of drawing phase scheme, put forward reasonable drawing scheme, and gives similar structure drawing mode and construction proposal.
Key words:Spokes, Prestressed;beam string structrue ;The finite element analysis; Tension scheme comparison
1 概述
某体育馆钢屋盖为轮辐式预应力张弦梁结构，屋盖结构支撑于下部混凝土圈梁上，共布置有30榀張弦梁（沿每一径向称之为一榀），每榀张弦梁有一根拉索，围绕中央设置的刚性环形成屋盖。施工阶段各拉索设计预张力均为1300KN。上弦劲性钢梁截面为箱600X400X18X24，下弦柔性拉索采用OVM系列的PES5-199拉索，钢丝束面积为3905mm2，钢丝束直径为77mm，钢丝束理论重量为30.7kg/m，破断荷载为6525kN，含双层拉索直径为93mm。拉索采用高强度钢丝束，抗拉强度≥1670MPa,松弛率≤2.5%，屈服强度≥1410MPa，弹性模量E=（1.95~2.1）×105MPa。拉索通过索夹和撑杆连接，每榀张弦梁有6根撑杆。屋盖投影到水平面为以建筑坐标原点为圆心直径100m的圆。钢屋盖支座平面为水平面绕1轴和16轴旋转3.02度，旋转完成后环向支撑及圆心投影保持不动，撑杆保证垂直水平面从而形成本案的斜轮辐式张弦梁结构。体育馆屋盖形状为圆形，圆形平面的直径100m，单榀张弦梁的矢高5.120m。整个屋盖曲面面积为9359.939m2，覆盖面积为7853.982m2。屋面面板采用铝镁锰合金压型板，底板采用镀铝锌彩钢压型板，中间夹保温隔热材料。
2 张拉方案选取的基本原则
预应力拉索张拉方案的选择应遵循以下几点基本要求：① 张拉过程中，拉索索力不应超过承载能力极限状态下的设计索力；② 张拉过程中，拉索以外的结构部分不得出现超应力杆件，且结构内力变化梯度不宜过大，结构变形也不宜过大。③ 张拉完成时，所有拉索索力均达到设计预张力。④张拉方案的选取应兼顾实际张拉的可操作性、施工现场状况、人员设备数量及拉索张拉施工同其他工种的配合，并考虑拉索施工的经济性等。
3 分析模型的选取
该体育馆30榀张弦梁上弦钢梁在中心位置通刚性环相连，各榀上弦钢梁通过环向钢梁和水平支撑相连成整体；下弦拉索在中央通过劲性钢拉环连接在一起，因此该体育馆整个结构是一个空间受力体系。在张拉时每榀张弦梁会对其它张弦梁产生影响，尤其是对相邻的张弦梁影响较大。为了对张拉过程进行准确模拟，就需要对结构进行整体建模并进行施工全过程的仿真模拟，这样就会了解张拉过程中各个阶段结构的内力和变形，从而有利于控制结构的张拉和成形。为了能够精确模拟拉索张拉施工、合理选择张拉方案，采用了大型有限元分析软件ANSYS进行虚拟拉索张拉施工全过程的仿真分析，并对张拉过程中各索索力及关键点位移进行了动态追踪，选取10组典型拉索分析数据进行比较，优选张拉方案。
4 张拉方案的比较分析
张弦梁下弦拉索采取一端张拉，屋盖中央刚性环处为固定端，另一端为张拉端。根据该结构特点可知，该结构最理想的张拉方案是对30榀张弦梁共30根拉索进行同时同步张拉，但是采取该方案需要的人员、设备投入量相当大，且对30根索进行同时同步控制本身也有较高的难度，是不现实的，因此实际施工中只能采取按顺序分批分阶段张拉。
4.1张拉顺序方案的比较分析
当主体结构自身刚度很大，拉索对结构整体刚度贡献较小时，无需分级张拉。但是，当结构较柔时，拉索分批张拉会因为张拉先后顺序的不同，导致群索之间的索力相互影响较大，引起结构内力的转移，后批拉索的张拉将引起先前拉索索力的降低。为了确定结构刚度特征及群索索力的相互影响，采用传统的顺序张拉法对张弦梁进行虚拟张拉全过程分析。
1）张拉顺序方案的选择：将30榀张弦梁拉索分为10批，每批3榀，投入的张拉设备数量为3台，按分批顺序进行张拉，具体的张拉顺序分批方案如表1所示。
表 1 张弦梁分批方案
4.2张拉阶段方案的比较分析
1）张拉阶段方案的选择：根据张拉方案选取的基本原则，结合本工程的特点及现场投入的设备、人员状况等，按照前述所确定分批张拉顺序方案一，分别选取了3种张拉阶段方案：方案一：预紧→60%→90%→100%
方案二：预紧→50%→75%→100%
方案三：预紧→60%→100%
2）计算结果分析：通过有限元分析软件ANSYS对三个方案进行施工仿真模拟计算，取其中10榀拉索作为典型分析，得到三个不同方案，详见表3所示。
表3
5 结论与建议
通过对该轮辐式预应力张弦梁钢屋盖结构的张拉方案对比分析，得出下述结论与建议：
1）结构刚度大小决定张拉方案的选择，对于刚度较小的预应力钢结构，不同张拉方案的选择对拉索索力影响很大，传统的顺序张拉法不适用于较柔的预应力钢结构。
2）对于同该张弦梁屋盖类似的预应力钢结构，整体刚度较小，群索之间索力影响较大，选择合理的张拉方案至关重要，应借助计算机，采用逆向分析思路进行虚拟拉索张拉全过程的仿真分析，来确定张拉顺序与张拉级别，并得出拉索实际张拉力。
3）对于其他形式的预应力钢结构，张拉顺序的选择应根据结构外形特点、刚度等综合考虑，尽量保证整体结构受力的对称与均匀。
4）拉索张拉可以“一步到位”，即从预紧直接张拉到相应设计预张力，这样可以大大简化张拉过程，节省大量人员设备消耗，但是索力变化梯度大，尤其结构较柔时，群索之间索力影响较大，先批张拉的拉索超张拉幅度较大，对整个结构受力不利，张拉过程中易产生超应力构件，施工阶段结构的可靠度难以保证。因此，选择张拉方案时通常采取分级张拉，即根据设计预张力的大小分为几个阶段循环张拉，最终各索均一致达到设计值。适当分阶段循环张拉不仅有利于拉索本身的受力，而且对结构其他部分的受力与变形也较为有利。
参考文献
[1] 陆赐麟，尹思明，刘锡良. 现代预应力钢结构[M]. 北京：人民交通出版社，2003.380-383
[2] Saitoh Masao,Okada Akira.The role of string in hybrid string structure[J].Engineering Structure,1999,21(8):756-769.
[3] Hosozawa Osamu,Shimamura Kouhei,Mizutani Taro.The role of cables in large span spatial structures: introduction of recent space structures with cables ni Japan [J]. Engineering Structure,1999,21(8):795-804.
[4] 陈荣毅，董石麟. 大跨度张弦钢桁架的预应力施工[J]. 空间结构,2003,9(2): 1-63
[5] 钱若军，杨联萍. 张力结构的分析·设计·施工[M]. 南京：东南大学出版社，2003.100-134
[6] 张志宏,张明山,董石麟. 张弦梁结构若干问题的探讨[J]工程力学, 2004,(06).
[7] 白正仙,刘锡良,李义生. 新型空间结构形式――张弦梁结构[J]空间结构, 2001,(02).
[8] 王聪,万燕. 张弦梁结构基于ANSYS的分析[A]第十二届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ册[C], 2003.
[9] 石开荣;郭正兴;;预应力钢结构施工的虚拟张拉技术研究[J];施工技术;2006年03期
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：轮辐式；预应力；张弦梁；有限元分析；张拉方案比较
Abstract : Through the finite element analysis software for spokes prestressed chord-tension LiangGang roof structure of tension lasso construction simulation analysis, comparative three tension sequence solutions and three kinds of drawing phase scheme, put forward reasonable drawing scheme, and gives similar structure drawing mode and construction proposal.
Key words:Spokes, Prestressed;beam string structrue ;The finite element analysis; Tension scheme comparison
1 概述
某体育馆钢屋盖为轮辐式预应力张弦梁结构，屋盖结构支撑于下部混凝土圈梁上，共布置有30榀張弦梁（沿每一径向称之为一榀），每榀张弦梁有一根拉索，围绕中央设置的刚性环形成屋盖。施工阶段各拉索设计预张力均为1300KN。上弦劲性钢梁截面为箱600X400X18X24，下弦柔性拉索采用OVM系列的PES5-199拉索，钢丝束面积为3905mm2，钢丝束直径为77mm，钢丝束理论重量为30.7kg/m，破断荷载为6525kN，含双层拉索直径为93mm。拉索采用高强度钢丝束，抗拉强度≥1670MPa,松弛率≤2.5%，屈服强度≥1410MPa，弹性模量E=（1.95~2.1）×105MPa。拉索通过索夹和撑杆连接，每榀张弦梁有6根撑杆。屋盖投影到水平面为以建筑坐标原点为圆心直径100m的圆。钢屋盖支座平面为水平面绕1轴和16轴旋转3.02度，旋转完成后环向支撑及圆心投影保持不动，撑杆保证垂直水平面从而形成本案的斜轮辐式张弦梁结构。体育馆屋盖形状为圆形，圆形平面的直径100m，单榀张弦梁的矢高5.120m。整个屋盖曲面面积为9359.939m2，覆盖面积为7853.982m2。屋面面板采用铝镁锰合金压型板，底板采用镀铝锌彩钢压型板，中间夹保温隔热材料。
2 张拉方案选取的基本原则
预应力拉索张拉方案的选择应遵循以下几点基本要求：① 张拉过程中，拉索索力不应超过承载能力极限状态下的设计索力；② 张拉过程中，拉索以外的结构部分不得出现超应力杆件，且结构内力变化梯度不宜过大，结构变形也不宜过大。③ 张拉完成时，所有拉索索力均达到设计预张力。④张拉方案的选取应兼顾实际张拉的可操作性、施工现场状况、人员设备数量及拉索张拉施工同其他工种的配合，并考虑拉索施工的经济性等。
3 分析模型的选取
该体育馆30榀张弦梁上弦钢梁在中心位置通刚性环相连，各榀上弦钢梁通过环向钢梁和水平支撑相连成整体；下弦拉索在中央通过劲性钢拉环连接在一起，因此该体育馆整个结构是一个空间受力体系。在张拉时每榀张弦梁会对其它张弦梁产生影响，尤其是对相邻的张弦梁影响较大。为了对张拉过程进行准确模拟，就需要对结构进行整体建模并进行施工全过程的仿真模拟，这样就会了解张拉过程中各个阶段结构的内力和变形，从而有利于控制结构的张拉和成形。为了能够精确模拟拉索张拉施工、合理选择张拉方案，采用了大型有限元分析软件ANSYS进行虚拟拉索张拉施工全过程的仿真分析，并对张拉过程中各索索力及关键点位移进行了动态追踪，选取10组典型拉索分析数据进行比较，优选张拉方案。
4 张拉方案的比较分析
张弦梁下弦拉索采取一端张拉，屋盖中央刚性环处为固定端，另一端为张拉端。根据该结构特点可知，该结构最理想的张拉方案是对30榀张弦梁共30根拉索进行同时同步张拉，但是采取该方案需要的人员、设备投入量相当大，且对30根索进行同时同步控制本身也有较高的难度，是不现实的，因此实际施工中只能采取按顺序分批分阶段张拉。
4.1张拉顺序方案的比较分析
当主体结构自身刚度很大，拉索对结构整体刚度贡献较小时，无需分级张拉。但是，当结构较柔时，拉索分批张拉会因为张拉先后顺序的不同，导致群索之间的索力相互影响较大，引起结构内力的转移，后批拉索的张拉将引起先前拉索索力的降低。为了确定结构刚度特征及群索索力的相互影响，采用传统的顺序张拉法对张弦梁进行虚拟张拉全过程分析。
1）张拉顺序方案的选择：将30榀张弦梁拉索分为10批，每批3榀，投入的张拉设备数量为3台，按分批顺序进行张拉，具体的张拉顺序分批方案如表1所示。
表 1 张弦梁分批方案
4.2张拉阶段方案的比较分析
1）张拉阶段方案的选择：根据张拉方案选取的基本原则，结合本工程的特点及现场投入的设备、人员状况等，按照前述所确定分批张拉顺序方案一，分别选取了3种张拉阶段方案：方案一：预紧→60%→90%→100%
方案二：预紧→50%→75%→100%
方案三：预紧→60%→100%
2）计算结果分析：通过有限元分析软件ANSYS对三个方案进行施工仿真模拟计算，取其中10榀拉索作为典型分析，得到三个不同方案，详见表3所示。
表3
5 结论与建议
通过对该轮辐式预应力张弦梁钢屋盖结构的张拉方案对比分析，得出下述结论与建议：
1）结构刚度大小决定张拉方案的选择，对于刚度较小的预应力钢结构，不同张拉方案的选择对拉索索力影响很大，传统的顺序张拉法不适用于较柔的预应力钢结构。
2）对于同该张弦梁屋盖类似的预应力钢结构，整体刚度较小，群索之间索力影响较大，选择合理的张拉方案至关重要，应借助计算机，采用逆向分析思路进行虚拟拉索张拉全过程的仿真分析，来确定张拉顺序与张拉级别，并得出拉索实际张拉力。
3）对于其他形式的预应力钢结构，张拉顺序的选择应根据结构外形特点、刚度等综合考虑，尽量保证整体结构受力的对称与均匀。
4）拉索张拉可以“一步到位”，即从预紧直接张拉到相应设计预张力，这样可以大大简化张拉过程，节省大量人员设备消耗，但是索力变化梯度大，尤其结构较柔时，群索之间索力影响较大，先批张拉的拉索超张拉幅度较大，对整个结构受力不利，张拉过程中易产生超应力构件，施工阶段结构的可靠度难以保证。因此，选择张拉方案时通常采取分级张拉，即根据设计预张力的大小分为几个阶段循环张拉，最终各索均一致达到设计值。适当分阶段循环张拉不仅有利于拉索本身的受力，而且对结构其他部分的受力与变形也较为有利。
参考文献
[1] 陆赐麟，尹思明，刘锡良. 现代预应力钢结构[M]. 北京：人民交通出版社，2003.380-383
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[3] Hosozawa Osamu,Shimamura Kouhei,Mizutani Taro.The role of cables in large span spatial structures: introduction of recent space structures with cables ni Japan [J]. Engineering Structure,1999,21(8):795-804.
[4] 陈荣毅，董石麟. 大跨度张弦钢桁架的预应力施工[J]. 空间结构,2003,9(2): 1-63
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[6] 张志宏,张明山,董石麟. 张弦梁结构若干问题的探讨[J]工程力学, 2004,(06).
[7] 白正仙,刘锡良,李义生. 新型空间结构形式――张弦梁结构[J]空间结构, 2001,(02).
[8] 王聪,万燕. 张弦梁结构基于ANSYS的分析[A]第十二届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ册[C], 2003.
[9] 石开荣;郭正兴;;预应力钢结构施工的虚拟张拉技术研究[J];施工技术;2006年03期
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。