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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 周觀根　何挺　俞水其    
時間：2010-08-13 19:29:19 [收藏]
【摘　要】 隨著我國鋼結構事業的蓬勃發展，越來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行闡述。
    關鍵詞：
    一、工程概況
    成都世紀城新國際會展中心是國家西部大開發和四川省的重點工程，建成后已成為四川省乃至整個西部對外交流的橋梁、窗口和紐帶。
    \
    會展中心由九個主展館、八個連接體和正面一個環形大雨蓬（懸挑27m）組成半圓形輻射狀的建筑群（見圖2），主展館每個單體平面呈腰鼓形，總建筑面積達13萬平方米，從功能上看，每個展廳既可以單獨使用又可以通過連接體一起使用，能滿足各類規模的展覽。
    \
    二、結構概況
    會展中心單個展廳由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，縱向列柱呈圓曲線形分布，柱網（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（見表1）。
    表1　鋼絞線規格及有效預應力值
    桁架名
    鋼絞線規格
    鋼絞線強度
    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，同時又作為主桁架的支承桁架和懸掛大型推拉門及管道的承重結構。
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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。
    \
    三、節點計算
    為確保結構的安全，對主要節點用ANSYS軟件進行了分析計算。根據設計分析選取了主桁架下弦穿索節點、支座節點、上弦轉折節點、連接體桁架和縱向桁架連接節點等進行分析計算。
    3.1 主桁架下弦穿索節點計算
    \
    3.2 支座節點計算
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    3.3 主桁架轉折節點計算
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    3.4　連接體桁架和縱向桁架連接節點計算
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    圖9　連接體桁架和縱向桁架連接節點
    桁架加工流程見圖10所示。
     
     
    通過計算分析，各個節點的應力分布跟理論分析吻合，節點構造滿足受力需要。
    四、桁架加工

    首先用Xsteel或AUTOCAD軟件建立三維線框模型，然后經過數據轉換，用六軸數控相貫面切割機進行切割加工，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）。加工時根據桿件半徑及彎曲半徑選用合適的胎模進行彎曲，彎曲時應考慮彈性變形，并根據經驗數據適當加大彎曲曲率半徑，必要時采用人工矯正。
    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榀長短不一的桁架組成，最長桁架約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。由于桁架長度較長（最長90米）、矢高較高（最高7米），桁架安裝具有較大難度。在安裝過程中如何確保桁架穩定以及變形的控制等都至關重要。同時，預應力的張拉與控制也是確保結構安全的重點。
    經過多方案比較，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鍵，首先通過計算機放樣得到的數據確定拼裝胎架上桁架節點的位置，并用全站儀測量胎架各控制點的相對位置，確定無誤后開始構件拼裝。拼裝桿件的長度、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地拼裝好后，用平板車運至安裝位置，采用汽車吊或履帶吊直接吊裝就位。縱向桁架的吊裝緊隨鋼柱吊裝同步進行。為保證桁架安裝的精度，必須進行精確測量，以確保位置的準確。
    六、預應力拉索施工
    預應力拉索采用無粘結預應力鋼絞線束，鋼絞線規格為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行張拉。
    預應力拉索的施工流程可大致分為:
    a. 鋼絞線下料：長度L＝鋼管內長度＋張拉端工作長度(每端800-900mm)。
    b. 牽引鋼絞線安裝：將一根鋼絞線穿入下弦鋼管，鋼絞線通過專用牽引頭與鋼絞線束連接，利用先穿入的一根鋼絞線作為牽引與導向，將整束的鋼絞線穿過鋼管。
    c. 穿索：利用卷揚機做動力牽引，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。實際張拉力大小要根據內力分析后確定，通過位移控制，實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。具體構造見圖14。
    \
    七、結束語
    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濟性。本工程在設計過程中對結構的主要節點進行了理論分析并充分考慮了構造要求。同時對桁架的施工方法特別是預應力的張拉進行了各種工況的驗算，取得了較好的效果，為今后類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,哈爾濱工業大學出版社，1986。
    [2] 馬克儉，鄭濤，張華剛，預應力空間網格結構的研究與應用，《空間結構》編輯委員會，2002。
    [3] 周觀根，俞水其等，張拉立體桁架結構施工新技術,第十屆空間結構學術會議論文集，中國建材工業出版社，2000。
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