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中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文 2006年 大型索承网壳张拉成形方法对比分析 王永泉 郭正兴 罗斌 （东南大学土木工程学院 南京 210096） 提 要 本文采用大型有限元分析软件对常州体育馆索承单层网壳的施工过程进行分析，并通过比较张拉机具、张拉力误差及施工工艺的难易程度，选择了一种对于该结构而言较为优化的张拉成形方法。 关键词 索承网壳，张拉成形方法，张拉机具，张拉力误差 随着社会的进步和人民生活水平的提高，人们对更加新颖，更大跨度的建筑物需求日益增加，因此，新型的杂交空间结构便应运而生。各种空间杂交结构在大型体育场馆及展览馆中的应用，已经体现了其较大的发展优势。杂交空间结构是将不同类型的结构进行组合而得到的新型结构体系，它能够发挥不同类型结构的优点，起到扬长避短的作用。 索承网壳（suspend-dome）是由日本学者M Kawaguchi于1993年提出的一种新型的杂交结构形式【1】，系由上层网壳、撑杆及预应力拉索组成，是一种综合了网壳结构和索穹顶优点的新颖的杂交结构。通过杂交而得到的索承成网壳一方面改善了网壳的稳定性，使该结构能够适应更大跨度建筑物的需求，另一方面也使得其在设计与施工方面相对于索穹顶张拉整体结构显得较为简化。 索承网壳结构体系作在空间结构领域已取得了一定的发展，并在国内外小规模的工程实践【2】【3】，如日本的Hikarigaoka和Fureai体育馆，国内的昆明柏联广场采光中庭、天津开发区商务中心大堂。今年刚刚建成的武汉市体育馆又开创了大型索承网壳结构的工程实践。这些结构的建成为索承网壳的设计与施工的研究积累了宝贵的工程经验。 1 工程背景 本文以中国建筑西南设计研究院设计的常州体育馆索承单层网壳为工程背景，对比分析了大型椭球型索承网壳各种张拉成形方法的优缺点。 常州市体育馆屋盖形状为椭球形索承单层网壳图1，椭圆形平面的长轴119.872m， 图1 常州体育馆钢屋盖--索成单层网壳 短轴79.9147m，椭球形屋盖的矢高21.45m。整个屋盖曲面面积为9359.939m2，覆盖面积为7502.282m2。 屋盖采用索承单层网壳结构，其由上部的网壳和下部的张拉索杆体系以及中间的撑杆 王永泉，男，1981.12出生，博士研究生 构成，是传统索穹顶与空间网壳结构的混合体。作为新型的杂交结构体系，该结构具有时代气息，用钢量小，结构轻盈，钢结构杆件类型较少，节点构造简洁，施工方便等优点。 该索承网壳的网壳为单层网壳，其中心部位的网格形式为凯威特型（K8）、外围部位的网格形式为联方型。网壳杆件采用圆钢管，径向杆与环向杆相交节点均采用相贯线节点。该索承单层网壳的索系为Levy索系，由环向索和径向索构成，共设6环。撑杆采用圆钢管，上下端铰接。 2 索承网壳的张拉成形方法对比分析 索承网壳的拉索张拉方法通常有三种，即张拉径向索、张拉环向索和调节撑杆张拉。 1）环索张拉，即通过仅张拉环向索，从而在径向索和撑杆乃至整个结构中建立设计所需的预应力。 2）径向索张拉，即通过仅张拉径向索，从而在环向索和撑杆乃至整个结构中建立设计所需的预应力。 3）调节撑杆张拉，即预先缩短撑杆的长度，通过顶撑伸长撑杆，在环向索和撑杆乃至整个结构中建立设计所需的预应力。 对于预应力结构而言，人们最关心的往往是施工结束后的预应力态，希望结构施工完成后的实际预应力态与设计一致，因此无论采用哪一种张拉方法，张拉结束后的最终状态要与设计要求相符，也就是说，在张拉顺序一定的情况下（从最外环向最内环张拉），拉索无论采用何种张拉方法，仅是相应的节点构造、张拉机具、施工工艺等不同，而对结构本身的施工阶段和使用阶段的状况均没有影响。 本文主要从张拉机具、张拉力误差分析及施工工艺这三个方面以常州市体育馆索承网壳的张拉成形工艺进行对比分析。 2.1 模型的计算分析 根据索承网壳的张拉成形顺序（从最外环向最内环张拉），分别计算该结构在张拉过程中各环环向索和径向索索力、撑杆的顶撑力。计算分析可得，该结构的上层网壳刚度相对较大，张拉过程中环与环之间的相互影响较小，环向索和径向索索力及撑杆的轴力的变化率均小于8。据此，仅给出全部张拉结束之后各环环索和径向索索力及撑杆的轴力图。 由于结构为椭球形，同一环内环向索索力由短轴向长轴递减（图2），而径向索索力（图3）及撑杆轴力（图4）则是由短轴向长轴递增，即各环各个构件张拉力不等。为保证结构在预应力施工结束之后，达到设计所需的预应力态，需对该结构进行三种张拉成形方法的对比分析，以找出最合理的施工方法。 图2 张拉结束后各环环索索力图（单位N） 图3 张拉结束后各环径向索索力图（单位N） 图4 张拉结束后各环撑杆轴力图（单位N） 2.2 张拉机具 根据理论计算结果，各张拉方法中不仅张拉的构件不同，而且张拉力、张拉点的位置、张拉机具类型及数量等都不同，见表1。 表1三种张拉方法张拉力及张拉机具表 张拉方法 环向索张拉 径向索张拉* 撑杆张拉 第一环 （最内环） 施工张拉力（kN） 77.66～118.98 46.01～63.62 27.52～27.63 张拉点（个） 4 8 8 每点张拉设备 2台100t千斤顶 2台20t千斤顶 1台20t千斤顶 第二环 施工张拉力（kN） 182.96～1225.55 34.09～62.59 18.06～22.09 张拉点（个） 4 16 16 每点张拉设备 1台100t千斤顶 2台20t千斤顶 1台20t千斤顶 第三环 施工张拉力（kN） 264.4～298.8 25.96～58.42 12.14～17.04 张拉点（个） 4 24 24 每点的张拉设备 2台100t千斤顶 2台20t千斤顶 1台20t千斤顶 第四环 施工张拉力（kN） 569.3～629.6 80.42～134.23 28.51～39.73 张拉点（个） 4 24 24 每点的张拉设备 2台100t千斤顶 2台20t千斤顶 1台20t千斤顶 第五环 施工张拉力（kN） 685.3～736.1 131.49～177.36 37.12～55.25 张拉点（个） 4 24 24 每点张拉设备 2台100t千斤顶 2台20t千斤顶 1台20t千斤顶 第六环 （最外环） 施工张拉力（kN） 1025.3～1137 304.72～331.83 69.5～97.68 张拉点（个） 4 24 24 每点的张拉设备 2台100t千斤顶 2台20t千斤顶 1台20t千斤顶 *注径向索张拉采用两根径向索同时张拉，如采用单根径向索张拉时张拉设备需翻倍。 从上表可见，在每环的同步张拉中环索张拉方法的张拉点数最少（4个），所需张拉千斤顶数量少，且千斤顶的张拉吨位要求也较易满足。而径向索和撑杆张拉方法的张拉点数较多（8～24个），所需张拉千斤顶数量多。 2.3 张拉力误差分析 根据力的平衡条件，各环的环向索、径向索和撑杆的内力成一定的比例关系，根据理论计算结果，表2列出了其比例关系。 表2 设计预应力状态下索力和撑杆内力表 构 件 环向索 径向索 撑杆 第一环 内 力（kN） 77.66～118.98 47.34～63.62 27.52～27.63 比 值 1 0.56 0.28 第二环 内 力（kN） 193.43～236.22 53.98～66.20 12.43～17.48 比 值 1 0.28 0.07 第三环 内 力（kN） 277.87～311.55 37.54～58.93 29.31～40.93 比 值 1 0.16 0.12 第四环 内 力（kN） 584.98～641.05 96.05～124.80 19.46～23.82 比 值 1 0.18 0.04 第五环 内 力（kN） 733.8～769.14 143.86～187.44 39.8～59.8 比 值 1 0.22 0.07 第六环 内 力（kN） 1068.9～1184.2 321.58～345.48 73.58～102.5 比 值 1 0.30 0.08 从表中可以看出撑杆内力最小，与环向索的索力比值也最小，例如，最外环（第六环）撑杆内力仅为环索索力的8％。而环向索、径向索和撑杆内力的误差比例是相同的，即若撑杆张拉时，撑杆张拉力误差10％，则在环索和径向索中也产生了10％的索力误差。 由于撑杆内力较小，张拉撑杆时较小的绝对误差，将在环向索、径向索中产生较大的绝对误差值，即撑杆张拉法导致环向索和径向索索力误差放大。同理，正好相反，环向索张拉方法将减小径向索和撑杆的内力误差。 由于千斤顶缸体和活塞之间存在摩擦，大型空间结构工程高空张拉油管较长，千斤顶和油泵之间落差较大，以及张拉节点的螺牙咬合等因素，引起张拉力误差。而且张拉力越小，误差比例越大，即张拉撑杆比张拉环向索引起的误差比例大。 一般小吨位千斤顶张拉力误差在500kg（5kN）左右。例如，当采用撑杆张拉法张拉第二环时，撑杆张拉力误差5kN，将导致环向索索力误差71.43kN，误差比例约为33％。 2.4 张拉工艺 采用环向索张拉时，考虑环向拉索安装的方便，椭圆形索承网壳同环索索段力的差异将每环环索分为四段进行张拉，在每个环索张拉点采用两台100T千斤顶进行同步张拉。采用环向索张拉方法，实现同一环内环向索同步张拉的目标比较容易，同时也便于环索的线形控制。 采用径向索张拉时，按照径向索张拉之后预应力态与设计预应力态相同，确定出在张拉过程每组径向索的调节量及张拉力。计算分析结果表明，每环内径向索的力大小不等，且同一点处两根径向索的索力也不等。同一环内径向索的数量多达48根，为保证椭圆形环索的形状，要控制48根径向索实现同步张拉，所需的张拉设备及张拉控制方法比较复杂，不便于结构的施工。 采用撑杆顶撑时，为保证径向索和环向索的索力，撑杆顶升量约21mm～844mm，特别是最外环（第六环）顶升量较大，导致撑杆稳定性降低，而且同环内的撑杆顶升量差别较大，易导致环向索不在一个水平高度上，影响环向索的线形型控制。此外，环向索为单索时，在要求撑杆下端能够实现顶升的条件下，不易实现径向索，环向索和撑杆三轴线汇交于一点。同时，要实现同环内撑杆的同步顶升，其所需的张拉设备也较多，操作难度较大。 3 结论 本文通过对常州体育馆钢屋盖椭圆形索承网壳张拉成型方法分析对比，得出该结构形式相对优化的张拉成形方法，其张拉对比分析结果见表3。 表3张拉方法对比表 张拉方法 环向索张拉 径向索张拉 撑杆张拉 千斤顶吨位 较 大 一 般 较 小 张拉点 较 少 较 多 较 多 施工方便程度 方 便 一 般 不方便 张拉误差控制 较 好 一 般 较 差 根据张拉过程分析，以及三种施工方法的对比分析，采用环向索张拉成形的施工方法能够比较准确地使该结构在张拉结束之后达到设计所需的预应力态。同时，采用环索张拉所需张拉设备少，能够较好地控制张拉成形后环索的线形。 本文所得出的结论是针对常州体育馆的椭圆形索承单层网壳这一特定的结构体系而言的。在对不同的大型索承网壳进行张拉成方法比选时，应根据其具体的结构形式、索系的疏密程度及索力的大小进行具体细致的对比分析，选择一种方便实施并能够使结构达到预期的预应力效果的张拉方法进行张拉。 参 考 文 献 [1] 崔晓强，郭彦林，叶可明，滑动环索连接节点在弦支穹顶结构中的应用，同济大学学报（自然科学版），2004；32（10）1300-1303 [2] 刘佳，张毅刚，李永梅，大跨度索承网壳结构分层张拉成形试验研究，工业建筑，2005；35（7） 86-89 [3] 张毅刚，薛素铎，杨庆山，范峰，大跨空间结构．北京机械工业出版社，2005
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