55忻鼎康-上海光源工程环形主体结构预应力施工过程计算及抗裂分析.doc

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 上海光源工程环形主体结构 预应力施工过程计算及抗裂分析 忻鼎康 张燕平女 曲宏 上海市建筑科学研究院，上海200032 上海市建筑设计研究院，上海200041 提 要 光源工程主体结构是一个超长环形空间结构，正确的预应力计算分析是结构抗温度裂缝的关键。作者使用韩国程序Midas，结合施工方案，给出了设置后浇、分段分层预应力张拉施工和钢屋盖升温结构力效应的过程模拟计算分析。 关键字 预应力，施工过程计算，混凝土，温度应力。 1概述 上海光源工程是我国在建于上海浦东张江高科技园的第三代同步辐射光源装置，其能量在目前世界已建及拟建同类装置中居第四位，是众多前沿学科领域进行基础研究和应用研究的一种最先进又不可替代的综合性实验平台。 主体建筑为占地约3万平方米，建筑面积约3.7万平方米，直径200米的环形建筑。主体建筑的造形由八组螺旋的起拱钢屋壳共同组成，在打破屋顶、立面分界线的的同时更突出整体形态的流畅见图1。由于该项目工艺要求比较特殊，使得其对土建设计和施工也提出了很高的技术要求，其中一项要求是直径200米的钢筋混凝土环形结构不设缝，大大超越了现有建筑设计规范设缝距离的规定。 图1 忻鼎康，男，1948.1出生，工学硕士，教授级高级工程师 超长钢筋混凝土环形结构设置后浇带，释放砼收缩应力，是避免砼出现早期收缩裂缝的有效措施。但是，设置后浇带并不能消除整体结构在环境温度作用下的温度应力，无法避免温度应力下砼裂缝出现。 对结构施加预应力，在结构中储存一定的预压应力，用以抵消结构在使用环境下温度拉应力。预应力技术是消除和抑制温度裂缝产生的有效措施。在应用此项技术时，要清楚整体结构在使用环境下温度应力的分布及大小，然后结合施工总体方案，制订预应力实施计划、计算预应力作用效果，再修正和优化预应力实施计划，最终达到预应力抗温度裂缝的目标。 光源工程主体结构是一个环形空间结构，螺旋起拱钢屋壳支承在环形框架的柱上，二者相互制约影响，结构力效应复杂；结构施工，环向分段、竖向分层，最后才成形结构整体。因此，光源工程主体结构预应力抗温度缝裂分析不仅是一个复杂空间结构计算，而且还是施工全过程计算。作者使用韩国程序Midas完成了光源工程主体结构预应力计算分析工作。 2施工总体方案 总体方案计划把整个施工过程分为四个阶段。第一阶段结束时的结构如图2示，后浇带把内环和外环框架都分割成八段仅为计算分析，实际划分会有不同，张拉梁板的环向预应力筋。第二阶段，安装钢屋盖见图3。第三阶段，浇筑后浇带及补张后浇带预应力见图4。第四阶段，安装后浇带上的钢屋盖见图1。 图2 图3 图4 3第一阶段预应力计算分析 本工程应用预应力主要目的是建立环梁的预压力，所以在作力学计算分析时预应力钢束合力是被安置在构件截面形心。拟采用高强度低松弛1860Mpa的J15.2无粘结钢绞线，张拉控制应力取σCON0.7σPTK1300Mpa。环梁每一弧段二端张拉，局部偏差对摩擦的影响系数κ0.004，摩擦系数μ0.09。使用韩国软件Midas能进行所需的空间预应力曲梁和施工过程计算。 环形框架除分弧段施工外，每一弧段还是分层浇筑砼施工。过程计算到内环平台标高6.25米和外环平台标高4.25米时，施加第一批预应力，预应力筋沿环向布置在梁板内见图5。过程计算到内环平台标高8.45米和外环吊车梁、屋顶折梁标高11.7～12.3米时，施加第二批预应力见图6，预应力筋沿环向布置在内环平台梁板和外环吊车梁、直线折梁内。过程计算到内环顶梁标高14.75米时，施加第三批预应力，预应力筋布置在顶环梁内。 图5 图6 图7 在建筑设计里，通常计算对象是整体结构，而不是施工过程中预应力施加时巳构筑成的部分结构。严格说，这样的设计计算脱离结构形成过程、是不真实的。如图5所示，施加第一批预应力时，上面的梁柱板还没有构筑，因此第一批预应力仅作用在下面巳建结构上，而不是作用在上下整体结构上；施加第二批预应力的情况也类似。 本工程预应力计算需关注二个结果预压应力的大小及分布是否合乎需要；预应力作用下柱顶的水平位移，能否满足钢屋盖安装的工程误差要求。混凝土结构施工里，前巳构筑结构的偏差和位移由预应力作用产生的，在后续结构建造放线时得到纠正，偏差和位移不会累积。过程计算的原理是符合混凝土结构施工真实过程的，而以往整体结构计算得出的位移并不符合真实施工过程。 第一批预应力布筋和板的预压应力节段示意见图8，板的预压应力最大为2.8Mpa，最小为1.7Mpa，近张拉端大，中间段小。二端水平位移最大为3mm。 图8 第二批预应力布筋和预压应力节段示意见图9注梁4板8指梁4J15.2板8J15.2，板的预压应力最大为2.7Mpa，最小为2.6Mpa，近张拉端大，中间段小。外环梁行车环梁的预压应力张拉端最大为3.6Mpa，中间段最小为3.0Mpa。外环折梁的张拉端最大为6.0Mpa，中间段最小为4.0Mpa，节点在水平面内最大位移小于4mm。 第三批预应力布筋仅有内环顶梁6UJ15.2，同第二批正下面内环梁。梁的压应力近张拉端大2.7Mpa，中间段小为2.4Mpa。节点在水平面内最大位移为2mm。 图9 按照预应力理论对于静定结构，如果预应力作用线在梁形心轴线上，那么梁的内压力线也在梁形心轴线上，如果预应力值不变，那么内压力值也不变，梁只有均匀的轴向变形，梁的形状不变；对于超静定结构，既使预应力作用线在梁形心轴线上，由于次内力的作用，梁的内压力线一般不在梁形心轴线上，内压力值也有变化，梁有弯曲变形。从上面三批预应力计算结果看，节段的压应力二端大中间段小，框架的水平形状发生变化，这都是超静定结构柱约束二次内力的结果。但是，从压应力减少不多、水平位移不大耒看，柱约束产生的二次应力不是很大，后浇带划分环形结构少至八段是可行的。 4 使用荷载工况验算 图10 下面的计算都是基于施工第四阶段安装后浇带上的钢屋盖后。使用工况荷载包括先前施工阶段的预应力、结构自重和恒载。使用工况下框架梁柱轴应力验算见图10，一般的环梁都有一定的压应力储存，而外环折梁存储的压应力最大，有5.0Mpa左右。使用工况下节点水平位移验算见图11，最大位移8.7mm，主要是由于施工第二阶段起拱钢屋壳的拱效应引起的径向位移内环节点指向圆心、外环节点背离圆心。 图11 5钢屋盖升温30度 图12 在主楼正式启用后，内环框架和外环框架处于室内空调恒温状态，而罩盖在框架外的钢屋盖受外部环境温度影响最大，设计给定了钢屋盖相对升降温30度的二种温度工况条件。相对升温30度，钢屋盖热膨胀，是外环顶折梁和内环顶梁抗裂验算不利荷载工况，需作验算。在前使用工况荷载计算步后，作钢屋盖升温30度的计算，内环和外环框架的轴应力分布见图12。外环顶折梁的压应力由原使用工况荷载下压应力5.0Mpa左右减少到在0.2和1.0Mpa之间，抵消温度应力达4.0Mpa以上；内环顶梁压应力3.0Mpa左右，由于升温引起的压应力减小很少。外环柱顶节点的最大水平位移为12.5mm，主要是钢屋盖拱效应和升温热膨胀共同作用引起的径向位移。 6整环张拉预应力的比较 在浇筑后浇带后，主楼成了完整的中心对称环形结构；整环施加的预应力是中心对称作用力。中心对称结构在中心对称作用力下产生的位移是中心对称位移，外环柱顶点只有径向位移、没有环向位移。根据几何相似原理，很容易从环梁轴向应变导出柱顶径向位移。 现假定，在预应力作用下最外折梁的轴压应力为4.0Mpa，混凝土弹性模量取3.0E4Mpa，则梁轴向应变ε4.0/3.0E40.00013。最外折梁的半径为R94000mm，则柱顶的径向位移⊿UR*ε12.2mm。对于工程结构耒说，12.2mm是一个不小的柱顶位移量，混凝土柱要承受很大的弯矩。为迫使柱顶产生此位移值，需要施加很大的预应力。此外，柱顶12.2mm的位移量，还会影响到后续施工钢屋盖安装。 在前面所讲的环形弧段预应力张拉里，折梁达到稍大于4.0Mpa的轴压应力时，柱顶仅有不超过4mm的水平位移。弧段施加预应力方法，无论从所需施加预应力大小、还是从柱顶位移大小比较，都明显优于整环施加预应力方法。 7结语 1 对于分段分层施工的超长预应力结构，应使用功能较强的有限元软件，结合施工方案进行施工过程和荷载过程模拟计算。 2 超长预应力结构，应结合后浇带设置分段施加预应力，然后补后浇带预应力张拉。如果，主体工程环形框架整体结构施加预应力，为在梁内存储同样的轴压应力，需增大环梁预应力，柱顶会有较大的水平位移，柱子将承受很大的二次弯矩。 3 计算表明，外环折梁配置的预应力筋数量是合适的，内环顶梁的预应力筋数量可适当减少。 4 本次计算未考虑混凝土徐变收缩效应。如考虑到混凝土徐变收缩在超长结构内产生拉应力，在一般环向梁板内建立2.0Mpa的预压应力是需要的。 参考文献 [1] 赵国藩，李树瑶，钢筋混凝土结构的裂缝控制，海洋出版社，1991。 [2] 北京迈达斯技术有限公司，MIDAS GEN Structural Engineering System.