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預應力空間鋼管桁架結構的設計與施工

作者：洪王東 周觀(guān)根　何挺　俞水其    
時(shí)間：2010-08-13 19:29:19 [收藏]
【摘　要】 隨著(zhù)我國鋼結構事業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來(lái)越多新的空間結構體系在工程中得到應用。成都世紀城新國際會(huì )展中心采用了預應力空間鋼管桁架結構，本文將對該結構體系的設計和施工進(jìn)行闡述。
    關(guān)鍵詞：預應力 空間 鋼管 桁架
    一、工程概況
    成都世紀城新國際會(huì )展中心是國家西部大開(kāi)發(fā)和四川省的重點(diǎn)工程，建成后已成為四川省乃至整個(gè)西部對外交流的橋梁、窗口和紐帶。
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    會(huì )展中心由九個(gè)主展館、八個(gè)連接體和正面一個(gè)環(huán)形大雨蓬（懸挑27m）組成半圓形輻射狀的建筑群（見(jiàn)圖2），主展館每個(gè)單體平面呈腰鼓形，總建筑面積達13萬(wàn)平方米，從功能上看，每個(gè)展廳既可以單獨使用又可以通過(guò)連接體一起使用，能滿(mǎn)足各類(lèi)規模的展覽。
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    二、結構概況
    會(huì )展中心單個(gè)展廳由11榀空間倒三角形桁架組成，最小跨度57m，最大跨度90m，平均跨度70.83m，縱向列柱呈圓曲線(xiàn)形分布，柱網(wǎng)（7×15m＋2×22.5m）=150m。除兩端山墻外的 9榀主桁架下弦管內施加大小不等的預應力（見(jiàn)表1）。
    表1　鋼絞線(xiàn)規格及有效預應力值
    桁架名
    鋼絞線(xiàn)規格
    鋼絞線(xiàn)強度
    標準值
    有效
    預應力值
    ZHJ1
     
     
     
    ZHJ2
    4X7Φ5
    1860N\mm
    350kN
    ZHJ3
    5X7Φ5
    1860N\mm
    430kN
    ZHJ4
    5X7Φ5
    1860N\mm
    460kN
    ZHJ5
    5X7Φ5
    1860N\mm
    460kN
    ZHJ6
    5X7Φ5
    1860N\mm
    460kN
    ZHJ7
    6X7Φ5
    1860N\mm
    550kN
    ZHJ8
    6X7Φ5
    1860N\mm
    550kN
    ZHJ9
    7X7Φ5
    1860N\mm
    650kN
    ZHJ10
    7X7Φ5
    1860N\mm
    650kN
    ZHJ11
     
     
     
     
    柱子采用鋼管混凝土柱，鋼管規格為Φ700×14，其中抗風(fēng)柱規格為Φ650×10，混凝土標號為C40。由于采用鋼管混凝土組合柱，提高了柱的抗側剛度，使展館的整體剛度也得到了提高。
    在縱向列柱頂部設置兩道縱向聯(lián)系桁架(圖3)，既可提高結構側向剛度，又可作為柱間支撐，同時(shí)又作為主桁架的支承桁架和懸掛大型推拉門(mén)及管道的承重結構。
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    主桁架之間設置縱橫向支撐及縱向系桿，平面布置見(jiàn)圖4。
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    屋面檁條采用格構式主、次檁形式（圖5），分別由兩根冷彎薄壁槽鋼(主檁條[120X40X3，次檁條[100X40X3)和兩根L30X3的角鋼組合而成。
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    三、節點(diǎn)計算
    為確保結構的安全，對主要節點(diǎn)用ANSYS軟件進(jìn)行了分析計算。根據設計分析選取了主桁架下弦穿索節點(diǎn)、支座節點(diǎn)、上弦轉折節點(diǎn)、連接體桁架和縱向桁架連接節點(diǎn)等進(jìn)行分析計算。
    3.1 主桁架下弦穿索節點(diǎn)計算
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    3.2 支座節點(diǎn)計算
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    3.3 主桁架轉折節點(diǎn)計算
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    3.4　連接體桁架和縱向桁架連接節點(diǎn)計算
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    圖9　連接體桁架和縱向桁架連接節點(diǎn)
    桁架加工流程見(jiàn)圖10所示。
     
     
    通過(guò)計算分析，各個(gè)節點(diǎn)的應力分布跟理論分析吻合，節點(diǎn)構造滿(mǎn)足受力需要。
    四、桁架加工

    首先用Xsteel或AUTOCAD軟件建立三維線(xiàn)框模型，然后經(jīng)過(guò)數據轉換，用六軸數控相貫面切割機進(jìn)行切割加工，鋼管下料、剖口一次成形。

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    桿件彎曲是根據桁架弦桿的曲率進(jìn)行鋼管彎管，桿件在相貫面切割好后采用冷彎數控彎管機加工（圖12）。加工時(shí)根據桿件半徑及彎曲半徑選用合適的胎模進(jìn)行彎曲，彎曲時(shí)應考慮彈性變形，并根據經(jīng)驗數據適當加大彎曲曲率半徑，必要時(shí)采用人工矯正。
    五、桁架的安裝
    5.1 施工方案的選擇
    展館采用周邊鋼管混凝土柱加鋼桁架屋蓋組成的單層結構。屋蓋由11榀長(cháng)短不一的桁架組成，最長(cháng)桁架約90米，最短桁架約57米，桁架支承柱頂標高為14m。桁架外形為倒三角梭形，單榀桁架最重約34噸，除兩端山墻桁架外，其余9榀桁架均在下弦施加預應力。由于桁架長(cháng)度較長(cháng)（最長(cháng)90米）、矢高較高（最高7米），桁架安裝具有較大難度。在安裝過(guò)程中如何確保桁架穩定以及變形的控制等都至關(guān)重要。同時(shí)，預應力的張拉與控制也是確保結構安全的重點(diǎn)。
    經(jīng)過(guò)多方案比較，綜合上述因素，桁架采用滑移胎架高空拼裝法進(jìn)行施工。
    5.2 滑移胎架精度控制
    保證滑移胎架的精度是保證拼裝精度的關(guān)鍵，首先通過(guò)計算機放樣得到的數據確定拼裝胎架上桁架節點(diǎn)的位置，并用全站儀測量胎架各控制點(diǎn)的相對位置，確定無(wú)誤后開(kāi)始構件拼裝。拼裝桿件的長(cháng)度、位置預先應考慮焊接收縮量。胎架設有調節裝置，保證有一定的調節余量。
     
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    5.3 縱向桁架的安裝
    縱向桁架采取分段吊裝，桁架分段原則為每一柱距一段。先將分段桁架在拼裝場(chǎng)地拼裝好后，用平板車(chē)運至安裝位置，采用汽車(chē)吊或履帶吊直接吊裝就位?？v向桁架的吊裝緊隨鋼柱吊裝同步進(jìn)行。為保證桁架安裝的精度，必須進(jìn)行精確測量，以確保位置的準確。
    六、預應力拉索施工
    預應力拉索采用無(wú)粘結預應力鋼絞線(xiàn)束，鋼絞線(xiàn)規格為7φ5，抗拉強度為1860Mpa，外包PE薄膜；錨具采用低應力防松夾片錨。
    本工程的預應力張拉采用一次張拉局部調整進(jìn)行張拉。
    預應力拉索的施工流程可大致分為:
    a. 鋼絞線(xiàn)下料：長(cháng)度L＝鋼管內長(cháng)度＋張拉端工作長(cháng)度(每端800-900mm)。
    b. 牽引鋼絞線(xiàn)安裝：將一根鋼絞線(xiàn)穿入下弦鋼管，鋼絞線(xiàn)通過(guò)專(zhuān)用牽引頭與鋼絞線(xiàn)束連接，利用先穿入的一根鋼絞線(xiàn)作為牽引與導向，將整束的鋼絞線(xiàn)穿過(guò)鋼管。
    c. 穿索：利用卷?yè)P機做動(dòng)力牽引，預應力索從一端鋼管口處穿入下弦鋼管。索穿入后，安裝兩端的錨具。待預應力索張拉、封錨后，再進(jìn)行腳手架的滑移。
    d. 索的張拉：張拉設備選用250噸及150噸千斤頂。實(shí)際張拉力大小要根據內力分析后確定，通過(guò)位移控制，實(shí)現恒載作用下零位移。預應力索的張拉程序為：0 → 0.3σcon(初讀數) → 0.65σcon(中間讀數) → 1.0σcon(最后讀數)。
    e．錨固：索體兩端采用防松夾片錨。防松夾片錨是由錨板、防松夾片、防止夾片回松的蓋板及保護罩構成。具體構造見(jiàn)圖14。
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    七、結束語(yǔ)
    預應力桁架結構是一種新穎的結構形式，具有較好的受力性能和較好的經(jīng)濟性。本工程在設計過(guò)程中對結構的主要節點(diǎn)進(jìn)行了理論分析并充分考慮了構造要求。同時(shí)對桁架的施工方法特別是預應力的張拉進(jìn)行了各種工況的驗算，取得了較好的效果，為今后類(lèi)似工程的應用提供了一些參考。
    參考文獻
    [1] 鐘善桐,預應力鋼結構,哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1986。
    [2] 馬克儉，鄭濤，張華剛，預應力空間網(wǎng)格結構的研究與應用，《空間結構》編輯委員會(huì )，2002。
    [3] 周觀(guān)根，俞水其等，張拉立體桁架結構施工新技術(shù),第十屆空間結構學(xué)術(shù)會(huì )議論文集，中國建材工業(yè)出版社，2000。
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