厦门新体育场车辐式索桁结构预应力施工全过程分析

近年来随着多种新型大跨度空间结构形式的不断涌现,并在大型公共建筑中得到广泛应用,现场预应力施工面临相当的挑战。通过对当前预应力张拉施工过程模拟方法的简单梳理,并结合具体工程算例,对厦门新体育场车辐式索桁结构预应力施工进行全过程分析。

厦门新体育中心体育场又名白鹭体育场,建筑面积 18.06 万 m ² ,预计作为 2023 年亚洲杯比赛足球场,由南北向巨拱、内环桁架、周边桁架、正交正放连系网架以及位于罩棚中心的马鞍形车辐式索桁结构组成。其中,车辐式索桁结构由 40 组索桁架和环索组成,钢屋盖东西长度为 326 m,南北长度为 350 m,平面投影为 143 m×95 m 的椭圆形,空间呈马鞍形,罩棚东西侧最大标高分别为 77 m 和 85 m,南北侧最大标高分别为 24 m 和 32.5 m,是国内高差最大的体育场结构。索桁结构的径向索锚固于巨拱结构和巨拱之间的连系网架上。

针对该创新结构体系构造复杂、索系施工体量大、马鞍面高差大、整体提升与同步张拉协同性要求高等重、难点,创新性地提出了车辐式索桁结构的五阶段提升过程施工方案,其核心步骤为:低空组装—牵引提升—分批锚固—钢撑吊装—高空张拉。而后利用 LS-DYNA 动力分析软件对预应力拉索施工进行了全过程数值模拟,通过工况划分,分别对提升阶段、钢斜撑安装阶段、上径向索锚固阶段和张拉阶段进行施工模拟验算,并与设计施工阶段的结果进行对比,以验证五阶段提升方案的可操作性。研究表明:位移变形与索力云图模拟值与设计值基本吻合;五阶段提升方案与传统提升方案相比在安全、质量、临设和进度控制等方面具有一定优势;通过有限元软件进行找形分析、找力分析和荷载分析的计算简洁性与便利性仍有大幅度提升空间;采用开发集成交互分析软件进行施工过程动态模拟可以为索结构预应力全过程施工提供稳定技术保障和广阔应用前景。

车辐式张拉结构基本构件包括外压环、内拉环以及内外环之间的索杆体系,主要依靠预应力提供结构刚度,因其造型轻盈通透,常常作为大跨度公共建筑屋盖的空间结构形式。车辐式索桁结构是典型的柔性索结构,大位移、小应变、几何刚度与结构刚度耦合的特点,使得形状分析与内力分析同等重要。该类结构的受力性能与预应力张拉施工分析必须考虑几何非线性的影响,从加工放样、施工到最终使用要经历三个状态:零状态、初始态和荷载态。考虑到该结构钢索预应力施工的复杂性,本文创新性地提出了车幅式索桁结构的五阶段提升过程施工方案,首次采用 LS-DYNA 动力有限元分析软件对厦门新体育中心大高差马鞍形车辐式索桁结构预应力钢索施工进行了全过程模拟,保证结构建造全过程的安全可靠。

当前预应力张拉施工过程受到研究人员的广泛关注,其中袁行飞等依据实际施工顺序的逆过程提出了索穹顶的反向施工模拟法;郭佳民等采用这一方法利用非线性有限元对一跨度为 122 m 的索穹顶结构进行了施工模拟;董石麟等提出了索穹顶结构的 7 种施工张拉工序,并利用动力松弛法依次对 7 种不同的施工工序进行了模拟;Wu 等采用反向施工法与逐步修正索中预应力的方法对索支撑拱结构进行了预应力的张拉模拟;赵阳等成功利用向量式有限元实现了对张力结构装配张拉的正向模拟。 

本文首先介绍了厦门新体育场新型马鞍形车辐式索桁结构。该结构为新型的索杆结构体系,与常规索桁架不同,因为其大高差导致部分下弦构件为受压的钢斜撑,这不仅影响了结构性能,同时也给结构施工带来了不小的难度。本文将 LS-DYNA 动力学分析软件应用于施工分析,对该索杆结构施工全过程进行了有限元模拟,最终创新性地提出了吊机辅助安装的特殊施工方法。

该工程车幅式索桁结构五阶段提升过程的具体步骤为:

1) 低空组装。在场内组装环索、展开拉索并进行低空组装、高空提升张拉系统安装就位,且在看台上先后铺设下径向索和上径向索,如图 4 所示。

a—体育场短轴剖面; b—体育场长轴剖面。

图 4 提升过程步骤 1 示意

2) 牵引提升。同步提升上径向索,并在低空累积安装竖杆与下径向索,如图 5 所示。

a—体育场短轴剖面; b—体育场长轴剖面。

图 5 提升过程步骤 2 示意

3) 分批锚固。保持环索位形协调稳定,使上径向索分批就位,如图 6 所示。

a—体育场短轴剖面; b—体育场长轴剖面。

图 6 提升过程步骤 3 示意

4) 钢撑吊装。所有上径向索提升到位后(离锚固位置预留 1.0 m 的长度),如图 7 所示,采用履带吊辅助安装钢撑杆。安装时,先安装西侧钢撑杆,后安装东侧钢撑杆,并从两端向中间对称安装,如图 8所示。然后同步分级张拉下径向索至索网成型。钢斜撑安装顺序为:

a—体育场短轴剖面; b—体育场长轴剖面。

图 7 提升过程步骤 4 示意

图 8 提升点与钢撑杆编号

5) 高空张拉。继续牵引下径向索锚固到位后,同步分级张拉下径向索,使结构成形,如图 9 所示。

a—体育场短轴剖面; b—体育场长轴剖面。

图 9 提升过程步骤 5 示意

车辐式索桁结构在无预应力时几乎没有自然刚度,结构稳定性依赖于系统的预应力,在施工过程中,由于索杆体系发生大位移和大转角,因此必须考虑整体结构几何非线性的影响,本工程施工仿真验算利 用 LS-DYNA 动力有限元分析软件进行分析,撑杆采用既能受压也能受拉的杆单元 Link 160来模拟,拉索采用只受拉的索单元 Link 167 模拟,主体钢结构采用梁单元 Beam 161 模拟。在零状态和初始态的情形下,充分考虑加载方式、加载次序、提升高度以及加载量级等相关重要参数指标。主要荷载包括结构自重和索夹重量,索夹重量以集中节点荷载的形式施加,每点施加集中荷载如表 1所示,通过施加初始偏置量来使工装索长度变化以模拟提升过程。

表 1 分析工况

4.1 分析工况

本工程施工过程验算主要分为四个阶段:提升过程验算、钢斜撑就位过程验算、上径向索锚固过程验算、下径向索张拉过程验算。主要分析工况如表1 所示。

4.2 结构自重初始态

结构自重初始态为初始预应力和结构自重共同作用下的结构静力平衡态,即主索网结构(不含膜结构)张拉完成时的状态。整体结构在自重初始态的位移、应力及内力结果如图 10 ~ 14 所示。

图 10 结构自重下初始态竖向位移 mm

图 11 结构自重下初始态东西向水平位移 mm

图 12 结构自重下初始态南北向水平位移 mm

图 13 结构自重下初始态钢构等效应力 MPa

图 14 结构自重下初始态拉索内力 N

4.3 提升工况分析

根据整体施工思路,索系在地面铺装完成后,通过径向索整体提升,拟定 40 根上径向索同时提升。提升有以下几种工况。

工况 1: 索系离开胎架 0.5 m 时的提升开始状态; 

工况 2:第一根上径向索( )提升到位状态;

工况 3:第二根上径向索( )提升到位状态;

工况 4:第三根上径向索( )提升到位状态;

工况 5:所有上径向索提升到位状态。

分别对以上 5 种工况进行模拟,考虑到整体钢结构参与运算后影响计算效率,且提升到位前索结构对整体钢结构的影响较小,因此,工况 1 ~ 4 只考虑索结构的位形变化,工况 5 将整体钢结构作为边界条件考虑共同参与运算。分析结果统计如图 15所示。

a—工况 1; b—工况 2; c—工况 3; d—工况 4; e—工况 5。

图 15 提升工况位形 mm

环索从脱离胎架到径向索就位的过程中,40 根径向索索力变化较为均匀,没有出现“突变”的情况,径向索最大索力为 206.3 kN,出现在体育场??????轴线,整个提升过程中的提升力在 31.2 ~ 206.3 kN。

4.4 钢斜撑安装过程分析

根据拉索总体施工方案,在上径向索全部提升到位后,需利用履带吊辅助安装钢斜撑,即借助履带吊将钢斜撑对应环索索夹位置上提后,将钢斜撑安装就位。按照预定提升高度,分析得到每一工况下的结构位形(因篇幅所限,只给出工况 2-1-T 和 2-18-T 位形,如图 16、17 所示)和提升力(表 2)。

图 16 工况 2-1-T 索杆系位形 mm

图 17 工况 2-18-T 索杆系位形 mm

表 2 钢斜撑安装过程中的提升力和提升高度

4.5 上径向索锚固工况分析

钢斜撑安装完成后,继续同步牵引上径向索直至锚固到位,位形如图 18 所示,上径向索锚固后,径向索索力和钢斜撑轴力见表 3 ~ 5。可知,上径向索锚固后最大索力为 663.5 kN,在上径向索锚固后,已经形成稳定的索网结构体系,此时,钢斜撑由于环索预张后部分轴线对应的钢斜撑受到一定的拉力作用。

图 18 工况 3-0 上径向索锚固阶段位形 mm

表 3 上径向索索力 kN

表 4 环索索力 kN

表 5 钢斜撑轴力 kN

4.6 张拉工况分析

事实上,钢斜撑安装完成后,结构已经具有一定的初内力,此时除下挂的钢撑杆和下径向索外,整个可视为稳定的结构体系。因此,采用牵引下径向索锚固并进行多点同步、分级张拉的方案,张拉过程中分为四级同步张拉,分别为25%—50%—75%—100%,最终得到的张拉力如表 6 所示,表中张拉力与设计索力的误差可能是由于张拉顺序或分析假定等条件产生的。张拉完成态的位移和内力如图 19 ~24 所示。可知,张拉完成后周边钢结构位移最大约为 71 mm,而索结构位移较小,内力与设计索力相差不大,张拉过程合理。

表 6 下径向索张拉力

图 19 张拉完成态钢构等效应力变化 MPa

图 20 张拉完成态结构竖向位移 mm

图 21 张拉完成态钢斜撑内力 N

图 22 张拉完成态环索内力 N

图 23 张拉完成态上径向索内力 N

图 24 张拉完成态下径向索内力 N

张拉成型的预应力施工过程是柔性结构施工过程中的关键环节,本文依托厦门新体育中心的工程实例,对预应力拉索施工进行数值模拟,比较了施工过程中典型工况的索力与钢构件应力,证明整个施工过程是安全合理、切实可行的。

1) 提升阶段各径向索力不尽相同,其中最大索力出现在体育场 轴线处。在上径向索锚固后,已经形成稳定的索网结构体系,此时,钢斜撑由于环索预张后部分轴线对应的钢斜撑受到一定的拉力作用。

2) 钢斜撑安装阶段最大提升力为 176.5 kN,发生在安装钢斜撑 时,提升高度为 1550 mm,绝对标高为 +64.157 m, 采用吊机辅助安装方案是可行的。