预应力抗风支撑中垂直连杆张拉控制分析.docxVIP

预应力抗风支撑中垂直连杆张拉控制分析 一、 预应力钢棒的张拉 上海新国际博览会中心位于浦东龙阳路地铁站附近，有14个展厅。其一期工程包括4个展厅及入口大厅。每个展厅(图1)的平面尺寸为192m×72m,沿纵向的抗风支撑由预应力拉杆组成,拉杆为M76(以及2×M56)热处理预应力钢棒。预应力拉杆的张拉是整个展厅钢结构工程施工的重要分项,在国内也是首次施工,技术难度较大。本文结合这一任务,探讨如何确定张拉过程中各拉杆的张拉控制力,从而确保最终在张拉结束后,在拉杆中建立的实际预加力达到设计要求。 二、 抗风支撑张拉 上海新国际博览中心展厅钢屋盖由多个跨度为72m的纺锤形主桁架以及主桁架两端的挑檐组成。主桁架及挑檐两端搁置在支座为球铰的摇摆钢管柱上, 即屋盖的竖向荷载全部由分布在展厅纵边方向的摇摆钢柱来承担。横向水平荷载由设置在展厅两端山墙部位的柱间钢板剪刀撑(图2)承担。沿纵向设置预应力垂直拉杆支撑;预应力垂直拉杆和幕墙柱(H 450×190×9.4×14.6,用来安装幕墙的钢柱,位于摇摆柱内侧)同在一个平面内;再用预应力水平拉杆支撑将内侧垂直拉杆支撑、幕墙柱同外侧的摇摆柱以及整个屋盖紧密连接,即展厅的纵向抗侧刚度由预应力垂直拉杆和水平拉杆组成的抗风支撑提供(图3,4)。这样的抗风支撑每个纵边设置两个。预应力拉杆的力学性能类似于索,只能受拉不能受压,并且在受拉状态下,其刚度也不是固定不变的,而是随着拉力的减小而减小。为保证在水平外荷载作用下,抗风支撑能有效地提供抗侧刚度,设计人员 要求,在承受水平荷载之前,拉杆中必须建立一定的预加拉力。 至于如何得到最终的预加内力,则牵涉到具体的施工过程、施工工艺。根据我们的分析,并经与德国设计人员商讨,提出将张拉过程分批进行,理由如下: (1)以垂直拉杆为例,一根垂直拉杆实质上是由两根钢棒通过正反牙的调节套筒连接而成,然后两端销接在结构的相应位置上。张拉时,通过特制的千斤顶拉动两根钢棒作相向移动,同时用卡链式扳手拧动调节套筒使套筒同步跟进。待张拉至控制力后,拧紧套筒,锚固住钢棒,从而建立预加拉力。 上述施工过程较为复杂,需要千斤顶和卡链扳手的密切配合,很难做到采用多套设备对多根拉杆进行同步、对称张拉。 (2)若一次张拉到位,则在所有的抗风支撑单元均起作用的情况下,张拉一根垂直拉杆时,整体结构的最大顶点位移经计算为3.7mm,外侧摇摆圆柱的柱顶位移为2.4mm,说明张拉拉杆对整体结构的影响是相当大的。同时,如前所述,只有在所受拉力达到一定程度时,抗风支撑才能有效提供刚度,这就要求在张拉预应力时,设置附加支撑来提供抗侧刚度。附加支撑的约束的复杂性,以及拉杆类似于索的非线性性能都为施工过程的计算分析带来难题,并影响最终结果。 (3)由于工期的限制,结构安装必须与顶部膜结构、侧面幕墙结构交叉施工,没有单独的时间可供进行预应力张拉,同时张拉过程中引起的变形会对其它部分的施工造成不利影响。 (4)对类似结构的研究在理论上已经证明多次预应力是有效的。 考虑到上述原因,为减小张拉过程中引起的位移,保证整体结构的安装精度,我们将整个张拉过程分三阶段进行:第一阶段将所有拉杆张拉至1/3的预加内力,控制结构的初步稳定;第二阶段将所有拉杆张拉至2/3的预加内力,进一步增强结构的整体稳定,便于拆除附加水平支撑;第三阶段将所有杆件张拉至预加内力。 三、 拉拔张拉钢件的力学性能 根据设计要求,结构中的预应力杆件的预加内力指预应力张拉完成后、结构投入使用前,预应力杆件中实际建立的内力。实际上,在张拉过程中,杆件之间相互影响,各杆件的内力均处于不断变化之中。而在这一阶段中,我们能直接掌握的控制变量,是张拉特定杆件时,千斤顶油压表的读数,即张拉该杆件的控制力,相当于刚刚张拉完该杆件后,该杆件中实际建立的预加内力。 如前所述,拉杆的力学性能与索近似,可通过对拉杆物理刚度的修正来考虑拉杆自重引起的重力刚度的影响。修正后的拉杆切线刚度表达式为: ?k=EAL?Τ3Τ3+2η(1)k?=EAL?T3T3+2η(1) 式中η=EAp2L2/24,T为拉杆张力,p为作用在拉杆上的横向线荷载;E,A,L分别为拉杆的弹性模量、截面面积和弦向长度。从式(1)可看出,只要T足够大,满足T3?η,即可取 ?k=EA/L(2)k?=EA/L(2) 由式(2)可见,此时拉杆可当作弹性杆件处理,从而可简化分析。 结合上述考虑,按照分阶段张拉的思路,我们采用逆序法和叠加法来进行施工阶段的模拟计算,从而确定各阶段各杆件的张拉控制力。 1. 撑单元设计及施工方法 简便起见,本文以一个预应力抗风支撑单元为研究对象,在一定的施工顺序之下,探讨如何确定每根预应力杆件分别对应的张拉控制力,从而使张拉结束后,杆件中的预加内力达到设计值(900kN)的方法。 取预应力斜撑单元