弦支穹頂結(jié)構(gòu)的施工全過程分析

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1、第七屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會弦支穹頂結(jié)構(gòu)的施工全過程分析鄭君華1，2羅堯治1周觀根2f1浙江大學(xué)建工學(xué)院空『日]結(jié)構(gòu)研究中心t浙江杭州310027；2浙江東南阿架集團(tuán)有限公司·浙江杭州311209)摘要：弦支穹頂結(jié)構(gòu)的施工分析是進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜動力性能計算的基礎(chǔ)，是施工單位進(jìn)行現(xiàn)場施工的依據(jù)。奉文利用改進(jìn)逆迭代法和施工反分析法相結(jié)合的方法，對上部剛接的弦支穹頂結(jié)構(gòu)的施工全過程進(jìn)行了跟蹤計算。算例分析表明，該方法能精確模擬弦支穹頂結(jié)構(gòu)的施工過程，解決了弦支穹頂結(jié)構(gòu)的施工計算問題，可對該類結(jié)構(gòu)的實際工程施工起指導(dǎo)作用。關(guān)鍵詞：弦支穹頂結(jié)構(gòu)，施工反分析法．改進(jìn)逆迭代沾一、引言單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性差，

2、而且對周邊支座有很大的水平推力；索穹頂結(jié)構(gòu)?為了保證結(jié)構(gòu)上部脊索在工作狀態(tài)下不產(chǎn)生松弛，必須對結(jié)構(gòu)施加足夠大的預(yù)張力從而對周邊支座產(chǎn)生了很大的水平拉力。為了克服上述兩種結(jié)構(gòu)的不足，20世紀(jì)90年代日本政法大學(xué)教授MaInonIKawaguc曲i提出了弦支穹頂結(jié)構(gòu)“J，這種結(jié)構(gòu)由上部的單層球面網(wǎng)殼和去掉上層索的下部索穹項結(jié)構(gòu)組合而成。弦支穹頂結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是通過張拉下部的預(yù)應(yīng)力索，使上部的單層網(wǎng)殼產(chǎn)生與使用荷載作用時相反的位移，從而抵消了部分外荷載的作用，改善了單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力。同時，下部斜索對邊界產(chǎn)生的拉力部分抵消了上部網(wǎng)殼對支座的雅力，可以減輕支座受力，簡化邊界支座做法。由于弦支穹項結(jié)構(gòu)受力明

3、確，近年來它在我國工程應(yīng)用中日益增多。目前關(guān)于弦支穹項結(jié)構(gòu)的研究主要集中在靜動力性能計算B目、參數(shù)分析‘”1、預(yù)應(yīng)力分布確定及穩(wěn)定性分析”1等方面。有關(guān)弦支穹頂施工成形分析的研究較少，文獻(xiàn)【9】對弦支穹頂結(jié)構(gòu)的形態(tài)進(jìn)行了分析，給出了弦支穹頂結(jié)構(gòu)放樣態(tài)的求解方法：文獻(xiàn)【10】提出了弦支穹頂結(jié)構(gòu)施工反分析法，該方法從弦支穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計理想成形狀態(tài)出發(fā)，解決了上部單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為鉸接的弦支穹頂結(jié)構(gòu)的施工計算問題。本文基于前人的研究成果，對上部單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為剛接的弦支穹頂結(jié)構(gòu)的施工全過程進(jìn)行模擬跟蹤。二、弦支穹頂結(jié)構(gòu)施工計算弦支穹頂結(jié)構(gòu)的施工涉及三個狀態(tài)(圖1．)：(1)放樣態(tài)(預(yù)應(yīng)力零狀態(tài))：無自重、無

4、預(yù)應(yīng)力作用的放樣狀態(tài)：(2)預(yù)應(yīng)力平衡態(tài)：自重、預(yù)應(yīng)力作用下的自平衡狀態(tài)；(3)荷載態(tài)：在預(yù)應(yīng)力平衡態(tài)基礎(chǔ)上，承受其它外荷載作用的狀態(tài)。其中，放樣態(tài)是工廠確定構(gòu)件加工尺寸的依據(jù)。預(yù)應(yīng)力平衡志工業(yè)建筑．2007增刊圖1弦支穹頂結(jié)構(gòu)的三個狀態(tài)42l第七屆爭國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會弦支穹頂結(jié)構(gòu)施工的主要過程即結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)應(yīng)力甲衡態(tài)的過程。由于弦支穹項結(jié)構(gòu)的施工一般分為以下幾個階段：(1)按照放樣態(tài)確定的桿件長度安裝上部單層網(wǎng)殼，并施加周邊約束；(2)安裝各圈撐桿并掛索}(3)張拉各圈索桿使其達(dá)到預(yù)應(yīng)力平衡態(tài)；(4)安裝外圍構(gòu)件及屋面。所以弦吏穹頂結(jié)構(gòu)的施工需主要解決以下兩個問題：(1)放樣態(tài)的確定。放

5、樣態(tài)是安裝上部單層網(wǎng)殼的依據(jù)，是結(jié)構(gòu)形狀按設(shè)計要求完成的保證：(2)下部張拉索索力的確定。各圈索在張拉過程中，索力互相影響，張拉各圈索時會對已張拉安裝好的其他圈索桿內(nèi)力產(chǎn)生影響。確定各圈張拉索索力的大小有利于簡化施工，提高施工質(zhì)量。下面對這兩個問題的解決方案進(jìn)行詳述。(一)放樣態(tài)求解本文求解弦支穹頂結(jié)構(gòu)放樣態(tài)時運(yùn)用Ansys軟件，采用文獻(xiàn)[9]中的改進(jìn)逆迭代法，并考慮結(jié)構(gòu)分塊思想，對文獻(xiàn)[9]的求解方法進(jìn)行精簡，以減少迭代次數(shù)。首先假設(shè)結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力平衡態(tài)的設(shè)計坐標(biāo)為fx，y，z15，經(jīng)過第K次迭代后，得到放樣態(tài)坐標(biāo)為{x，y，z)；，預(yù)應(yīng)力平衡態(tài)坐標(biāo)計算值為{x．y，z】：，位移為f唧，W，0z

6、}，。求解過程如下所示：(1)首先在結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力平衡態(tài)位置建立結(jié)構(gòu)模型；(2)約束索桿與單層網(wǎng)殼的共用節(jié)點(diǎn)，施加索桿部分預(yù)應(yīng)力，求出約束點(diǎn)處反力(R，E，El；(3)將約束反力施加到單層網(wǎng)殼上求解網(wǎng)殼部分位移，得到放樣態(tài)的初始坐標(biāo)為(x，y，z)i；(4)將卜只，一E，一Cl施加到放樣態(tài)的單層網(wǎng)殼上，此時各坐標(biāo)點(diǎn)位移為{嘣，w，呢}。。計算{x，y，z}：={x，y，z}≯{刪，uy，昵l。，并令△={x，y，z}5一㈨y，z咖(5)判斷△是否滿足精度要求。如滿足，則{x，y，z)：為所求的放樣態(tài)坐標(biāo)；如不滿足，則令{x，y，z)：“={x，l，，z}：+△，轉(zhuǎn)第(4)步，繼續(xù)置+1次迭代?！?/p>

7、上述求解結(jié)構(gòu)放樣態(tài)的過程由于引入結(jié)構(gòu)分塊思想，將下部索桿預(yù)應(yīng)力的作用轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)力作用在上部單層網(wǎng)殼上，簡化了下部索桿結(jié)構(gòu)對上部單層網(wǎng)殼的作用方式，減少了放樣態(tài)的求解迭代次數(shù)。如果在求解得到的放樣態(tài)基礎(chǔ)上．去除約束及約束反力，并日f入索桿預(yù)應(yīng)力即可計算得到預(yù)應(yīng)力平衡態(tài)。本文索桿預(yù)應(yīng)力的引入同樣采用文獻(xiàn)[9】中的張力補(bǔ)償法，不同的是本文對所有張拉索力同時引入且同時補(bǔ)償。(二)索張拉力求解本文對結(jié)構(gòu)索力