【解构】大跨钢结构拱脚预应力水平推力解决方案

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大跨空间拱壳结构因其优美的造型而受到建筑师和业主的青睐，近年来发展十分迅速。拱壳结构体系分析和设计时，需要解决的一个关键问题就是如何处理拱壳结构在支承处产生的水平推力。本文以河北体育中心项目为案例论述目前工程中常用的预应力水平推力解决方案。

一、工程概况

河北奥林匹克体育中心游泳跳水馆100米跨采用拱壳钢结构，由于拱壳结构本身的特点，在支座处产生较大的水平推力，从而使下部的支承结构处于承受水平力的不利状态，为了避免直接传递到下部支承结构，预应力技术就是处理这类问题的好办法，我们在拱架的两个支承点之间设置预应力钢绞线，从而把对支承结构产生的推力转化为由预应力钢绞线承担的内力，减小变形的作用。本工程在游泳跳水馆-1m标高板部分采用有粘结预应力技术，在2-A/2-M轴中布置8束9孔直线型有粘结预应力筋，均采用双端张拉。

二、预应力张拉施工过程模拟分析

根据总体施工部署，进行预应力施工过程模拟分析。计算模型共分成以下5个施工阶段，并分析各个施工阶段拱桁架下混凝土结构的应力场、位移场，为预应力张拉过程提供理论依据，以确保施工过程的安全可靠。

（一）施工阶段

第1阶段：下部混凝土主体结构完成,此时预应力筋未张拉；

第2阶段：钢结构拱桁架支撑未拆除之前，进行第一次张拉，第一次张拉只张拉50%预应力筋（对角张拉，4个9孔，见附图）；

第3阶段：钢结构大拱支撑开始拆除；

注：拆除大拱支撑必须在2天以内完成

第4阶段：钢结构大拱支撑拆除后，进行第2批预应力筋张拉，第二批把张拉剩余50%预应力筋（对角张拉，4个9孔，见附图）；

注：考虑到拱桁架拱脚推力主要由自身自重及自身承受的荷载有关，与拱桁架之外的钢结构关系不大，故拱桁架支撑拆除之后，即可进行第2批预应力张拉。

第5阶段：屋面板安装完成,各种屋面荷载施加完成

（二）计算结果

2.1 位移结果

第1阶段拱下结构位移（mm,沿长度方向）

第2阶段拱下结构位移（mm,沿长度方向）

第3阶段拱下结构位移（mm,沿长度方向）

第4阶段拱下结构位移（mm,沿长度方向）

第5阶段拱下结构位移（mm,沿长度方向）

小结：

1）根据分析结果，各施工阶段拱下结构梁端位移统计如下表1所示。

表1 拱下结构张拉端位移

2）由表1可知：施工阶段2，第一批预应力张拉，使拱下混凝土结构产生预压，引起的位移为0.6mm；施工阶段3，上部拱桁架安装完成、支撑拆除后，拱下混凝土结构产生向外的推力，节点位移减小为0.4mm；施工阶段4，第二批预应力张拉，施工下混凝土结构进一步压缩，节点位移增大为1.0mm；施工阶段5，屋面板、幕墙等结构施工完成后，拱下混凝土结构又产生向外的推力，节点位移减小为0.9mm；

3）由计算结果可知，施工阶段1~6，拱下混凝土结构最大位移为1.0mm，位移可控，不会对结构生成不利的影响。

2.2应力结果

第1阶段拱下结构应力（N/mm2,沿长度方向）

第1阶段拱下结构应力（N/mm2,沿长度方向）-拱脚处应力放大显示

第2阶段拱下结构应力（N/mm2,沿长度方向）

第2阶段拱下结构应力（N/mm2,沿长度方向）-拱脚处应力放大显示

第3阶段拱下结构应力（N/mm2,沿长度方向）

第3阶段拱下结构应力（N/mm2,沿长度方向）-拱脚处应力放大显示

第4阶段拱下结构应力（N/mm2,沿长度方向）

第4阶段拱下结构应力（N/mm2,沿长度方向）-拱脚处应力放大显示

第5阶段拱下结构应力（N/mm2,沿长度方向）

第5阶段拱下结构应力（N/mm2,沿长度方向）-拱脚处应力放大显示

小结：

1）根据分析结果，各施工阶段拱下结构拱脚处应力统计如下表2所示。

表2 拱下结构拱脚处应力

2）由表2可知：预应力张拉之前，拱下结构拱脚处混凝土表现为拉应力，拉应力为0.98N/mm2；施工阶段2，第一批预应力张拉，使拱下混凝土结构产生预压，拱下结构拱脚处混凝土应力由受拉变成受压，压应力为0.42 N/mm2；施工阶段3，上部拱桁架安装完成后，拱下混凝土结构产生向外的推力，拱下结构拱脚处混凝土应力由受压又变成受拉，拉应力为0.69 N/mm2；施工阶段4，第二批预应力张拉，拱下混凝土结构进一步压缩，拱下结构拱脚处混凝土应力由受拉变成受压，压应力为1.34 N/mm2；施工阶段5，屋面板、幕墙等结构施工完成后，拱下结构拱脚处混凝土应力基本无变化，仍保持1.30 N/mm2的压应力；

3）由计算结果可知，施工阶段2~5，拱下混凝土结构应力拉应力最大为0.7 N/mm2，远小于混凝土抗拉强度标准值2.39 N/mm2，最终在拱下混凝土结构中建立1.30 N/mm2的压应力。

三、结论

根据分析结果，可得出如下结论：

1）拱桁架支撑拆除之前，张拉第一批预应力筋（4个9孔），拱桁架支撑拆除后，张拉第二批预应力筋（4个9孔）；

2）按照此张拉方案，拱桁架下混凝土结构应力与位移均满足规范的要求，本方案可行。

通过预应力技术对拱壳结构水平推力的处理，使其空间更大，造型更优美。相信河北奥体中心建成后，势必会成为石家庄市的城市新地标，也将改变河北体育基础设施特别是标志性体育场馆严重落后的现状。体育场与周边城市空间将更加协调，展现“绿色、科技、人文”的时代特点，又能体现出河北人民勇于进取，健康和谐的社会氛围。