索穹顶结构整体张拉成形模型试验研究.pdf

建筑结构学报Journal of Building Structures 第 33 卷 第 4 期 2012 年 4 月 Vol. 33No. 4Apr． 2012 003 文章编号 1000-6869 2012 04-0023-08 索穹顶结构整体张拉成形模型试验研究 葛家琪 1，徐瑞龙2，李国立2，王文胜3，周文胜4，尤德清2，张国军1，王泽强2 1． 中国航空规划建设发展有限公司，北京 100120; 2． 北京市建筑工程研究院有限责任公司，北京 100039; 3． 北京纽曼帝莱蒙膜建筑技术有限公司，北京 102601; 4． 浙江精工钢结构有限公司，浙江绍兴 312030 摘要 索穹顶结构既可以通过对所有拉索施加预应力完成对结构预应力的施加， 也可以通过对部分拉索施加预应力， 其他 拉索被动受力达到整个结构被赋予预应力， 根据索穹顶结构预应力施加的不同方法， 探讨索穹顶结构预应力成形过程。采 用不同的预应力施加方法对结构进行全过程仿真分析， 表明结构的最终内力和位形与预应力施加方法无关。结合内蒙古 伊旗全民健身体育中心索穹顶实际工程， 制作了 1∶ 4 的试验模型， 按照地面组装、 分步提升、 整体张拉的思路， 采用 ANSYS 数值模拟对成形过程进行了全过程仿真分析， 对索穹顶张拉成形方法进行验证。通过在模型试验过程中合理布置拉力传 感器对结构从拼装到成形的全过程进行内力跟踪监测， 监测结果与仿真分析结果吻合较好， 从试验模型的内力变化曲线可 找到内脊索开始受力即为结构由机构转变为结构的转折点。 关键词 索穹顶结构;张拉成形;模型试验 中图分类号 TU393. 3TU394. 03文献标志码 A Experimental study on ing process of cable dome structure GE Jiaqi1，XU Ruilong2，LI Guoli2，WANG Wensheng3，ZHOU Wensheng4，YOU Deqing2，ZHANG Guojun1，WANG Zeqiang2 1． China Aviation Planning and Construction Development Co．，Ltd，Beijing 100120，China; 2． Beijing Building Construction Research Institute，Co．，Ltd，Beijing 100039，China; 3． Beijing N ＆ L Fabric Technology Co．，Ltd，Beijing 102601，China; 4． Jinggong Steel Building Group，Shaoxing 312030，China AbstractThe cable dome can be tensioned by applying prestressing force on all or parts of cables，other nonprestressed cables are tensioned fassively in the same time． According to numerical calculating s of different prestressing the whole structure，it is confirmed that different loading procedures have nothing to do with final stress and displacement behavior． The 1∶ 4 structural model for roof structure of the National Fitness Centre in Ejin Horo Banner，Inner Mongolia was built through ground consolidating，upgrading step- by- step，synchronous tensioning ，and numerical calculating by ANSYS in order to verify the proposed ． By reasonably arranging force- sensors for monitoring，the whole inner force changing procedure of cables from assembling to ation．The experimental results were obtained and showed perfect match with calculated results． The change point from mechanism to structure can be found to be the point when the ridge cable started to be tensioned through the force curve of the model test． The key point of cables turning into dome is the starting of ridge cable forced to load prestress． Keywordscable dome;tensioning ing process;model test 基金项目 国家自然科学基金重点项目 51038006 ， 住房和城乡建设部开发项目 2009- K2- 4 ， 中国航空规划建设发展有限公司资助项目 技 10 研- 19 。 作者简介 葛家琪 1964 ， 男， 安徽合肥人， 研究员级高工。E- mail capdi. gssd vip. 163. com 收稿日期 2011 年 10 月 32 0引言 索穹顶是现代空间结构中科技含量较高的结构 形式之一， 但该新型空间结构体系在我国的应用很 少。目前我国在索穹顶结构体系的判定、 结构静动 力特性分析和模型试验研究等方面都做了许多工 作 ［1 ］， 但是对索穹顶施工成形技术的研究很少， 这实 际上是索穹顶在我国难以推广应用的关键原因。 索穹顶在预应力建立之前是一个机构， 随着对 索进行预应力张拉， 索穹顶逐渐被赋予刚度， 成为具 有刚度和承载能力的结构。索穹顶张拉成形过程主 要体现在以下三个方面 一是索杆的安装就位方法， 主要有整体一次成形方法和分步提升成形方法; 二 是预应力导入方式， 包括张拉预应力索选择、 预应力 张拉次序、 预应力张拉批次及相互影响; 三是预应力 张拉方法， 与索杆安装就位相对应， 包括整体一次成 形分步张拉法和分步提升成形整体张拉方法。 整体结构计算模型是以所有索、 杆的初始几何 形态坐标值为基准， 先将所有撑杆及拉索按原长且 无预应力状态一次整体成形， 同时通过施加初应变 或输入负温度方法， 张拉预应力索达到设定的预应 力值， 形成索穹顶结构。与整体结构计算模型对应 的预应力张拉成形施工方法就是整体成形分步张拉 方法。该施工方法需搭设满堂临时支撑， 将所有构 件以初始几何形态在高空连接就位， 杆及非预应力 张拉索以结构初始形态尺寸下料， 预应力张拉索则 以初始形态尺寸及设计预应力值为基准进行缩短下 料， 即预应力张拉索的下料长度比初始形态尺寸要 短， 该缩短值可以通过设计预应力值确定。利用工 装将预应力索与连接节点临时连接， 在安装张拉时 利用工装牵引逐步逐级张拉预应力索至节点后锁定 就位。预应力索达到设计预应力值的同时索穹顶结 构成形。 整体成形分步张拉的索穹顶施工成形方法， 与 设计计算成形原理一致， 预应力导入过程清晰。国 外大量索穹顶工程采用该方法施工 ［2 ］。但该方法需 搭设满堂施工临时支撑或者利用大型吊车， 预应力 索需在高空分批次安装张拉。该方法施工占地面积 大、 费时费工， 且带来很多高空作业安全隐患， 因此 需寻求更为简便安全的索穹顶张拉成形方法。 针对内蒙古伊旗全民健身体育中心直径 71. 2 m 的索穹顶工程， 制作了 1∶ 4 试验模型， 对索穹顶预应 力张拉成形方法进行研究。通过该项研究， 总结出 实际工程所采用的预应力张拉工艺， 探索该结构施 工中的要点和关键技术， 以便制定出合理有效的施 工方法， 达到指导实际施工的目的。 1模型试验研究方法与内容 1. 1分步提升整体张拉成形方法 索穹顶张拉成形与承载全过程仿真分析及设计 研究成果表明 ［3 ］ 对于索穹顶结构， 当索及撑杆等构 件的材料尺寸和结构几何形态确定后， 选择不同的 预应力索进行张拉均能达到预定的结构几何位形和 内力。施工张拉方式和张拉顺序对张拉成形后的结 构几何形态及其内力响应均没有影响。索穹顶结构 的上述力学特征为创新张拉成形方法明确了工作方 向。依据索穹顶结构几何力学特征并针对其构件纤 柔、 自重轻的特点， 提出了索穹顶分步提升整体张拉 的成形方法。与传统的整体成形分步张拉方法相 同， 预应力索的下料长度比初始形态尺寸要短， 不同 的是将所有索、 杆、 节点按投影平面位置在地面进行 组装， 预应力索与内部节点之间不再设牵引工装而 是直接连接。仅在外脊索和外斜索与边界节点之间 设牵引工装连接， 牵引工装的设置仅起提升作用。 选择预应力张拉索利用牵引工装及辅助设备将索穹 顶逐步提升， 张拉预应力索并最终将最外圈径向索 锁定就位。预应力索在分步提升就位过程中得到拉 伸， 达到设计预应力， 而不再需要对预应力索进行局 部张拉， 故将这种方法称为分步提升整体张拉预应 力成形方法。 1. 2模型结构张拉成形全过程仿真分析 针对整体成形分步张拉和分步提升整体张拉两 种索穹顶施工成形方法， 应用重启动法分别进行施 工全过程仿真分析。通过对比不同施工成形方法分 析确认在成形态下力学性能的一致性， 从理论分析 方面证明分步提升整体张拉方法的可行性、 正确性， 同时得到每一提升过程状态下拉索的内力及其他关 键技术参数理论计算值。 结构张拉成形的全过程仿真分析采用大型通用 有限元分析软件 ANSYS 进行， 计算模型的构件规格 和模型试验构件规格一致， 如表1 所示。索穹顶计算 模型边界条件为铰接， 拉索采用 LINK 10 单元， 拉索 的弹性模量根据材料的实际测试结果取值为 1. 6 105MPa， 线膨胀系数取值为 1. 2 10 －5， 撑杆采用 LINK 8 单元， 中心拉力环采用 BEAM 188 单元。 在进行模拟分析时， 结构预应力的施加通过对 索单元设置初始应变实现， 利用生死单元技术实现 部分构件从未受力到参与受力的过渡。构件的张拉 通过对拉索进行升温或者降温进行模拟， 温度值通 过拉索的张拉伸长值和弹性模量计算得到。 1. 3模型结构测试内容 模型试验采用了实际工程拟采用的分步提升整 42 体张拉的成形方法。在试验过程中， 量测不同预应 力张拉步骤的结构位形、 构件内力的发展历程， 量测 内容包括 脊索内力、 斜索内力、 环索内力、 撑杆内 力、 外环梁内力及撑杆上下端点位移及其他关键点 位移。在试验与数值模拟的基础上， 验证索穹顶预 应力张拉成形施工方法的可行性和正确性。 1. 4结构由机构转换为结构的演变历程 索穹顶在预应力建立之前是一个机构， 各构件 的内力由自重产生， 内力较小， 但是在机构转换为结 构以后， 随着对结构进行预应力张拉， 结构逐渐被赋 予刚度， 预应力的大小决定了结构的刚度大小。通 过结构成形全过程仿真分析曲线找出索穹顶由机构 转换为结构的转折点， 从模型试验的施工成形全过 程监测数据找出索穹顶由机构转换为结构的契合 点， 找出两者的关联， 从预应力度的角度给出索穹顶 从机构成为结构的转折点。 图 1试验模型 Fig． 1Experimental model a撑杆上节点 b撑杆下节点 c内拉力环 图 2节点构造 Fig． 2Joint component 2试验概况 2. 1试验模型的制作 制作 1∶ 4 的试验模型， 如图 1 所示， 节点构造如 图 2 所示。表 1 为模型试验构件规格列表， 表 2 为试 验模型与原结构内力比较。 2. 2试验测点布置 在整个试验过程中， 通过在部分拉索上布置拉 力传感器 图3a 进行索力监测， 在撑杆及外环梁上 表 1模型试验构件规格 Table 1Specification of experimental model 构件原型规格 原型面 积/mm2 缩尺理论 面积/mm2 模型 规格 模型面 积/mm2 相似比 内脊索3885353. 31285. 95 1∶ 9. 9 中脊索481 36185. 11285. 95 1∶ 15. 8 外脊索561 844115. 31285. 95 1∶ 21. 5 内斜索3260537. 8834. 20 1∶ 17. 7 中斜索3885353. 31059. 69 1∶ 14. 3 外斜索652 488155. 516152. 81 1∶ 16. 3 内环索3403 318207. 418192. 15 1∶ 17. 3 外环索3657 466466. 6224681. 38 1∶ 11. 0 内撑杆194 84 674292. 148 3 424. 00 1∶ 11. 0 中撑杆194 84 674292. 148 3 424. 00 1∶ 11. 0 外撑杆219 127 804487. 848 3 424. 00 1∶ 18. 4 表 2模型与原型内力比较 Table 2Comparison between model and prototype stresses 构件原型内力/kN模型内力/kN 内脊索345. 321. 6 中脊索495. 830. 5 外脊索775. 347. 8 内斜索155. 09. 1 中斜索278. 217. 2 外斜索660. 742. 2 内环索839. 051. 8 外环索1 990. 0128. 0 内撑杆－94. 7－5. 6 中撑杆－87. 7－5. 1 外撑杆－206. 1－13. 0 52 布置振弦应变计 图 3b 进行钢结构应变监测， 通过 全站仪进行关键节点位移监测， 测点加速度采用加 速度计量测， 具体测点布置如图 4 所示。 a拉力传感器 b振弦应变计 图 3内力及应变监测仪器 Fig． 3Monitoring instrumentation of force and strain a脊索及斜索索力测定 b环索索力测点 c撑杆应变测点 d外环梁应变测点 e加速度测点 f位移测点 图 4测点布置 Fig． 4Arrangement of sensors 2. 3试验模型的预应力张拉方法 本试验是针对内蒙古伊旗全民健身体育中心索 穹顶结构进行的模型试验， 因此对该试验模型的预 应力施加方法采用和原结构相同的预应力成形方 法， 即通过对外斜索进行张拉达到对整个结构施加 预应力的目的。结合结构的安装， 索穹顶试验模型 具体成形方法是 非预应力张拉索按照初始态长度 下料， 通过工装索牵引外脊索和外斜索整体逐步提 升安装， 张拉外斜索就位。 3模型结构张拉成形全过程仿真分析 3. 1整体成形分步张拉 通过对试验模型进行全过程仿真分析模拟结构 预应力的施加过程。通过两种预应力施加方式进行 分析， 研究不同的预应力施加方式对结构最终形态 的影响。这里重点分析了逐圈张拉 3 圈斜索和张拉 环索 内斜索的方法使结构成形， 各索张拉伸长值 如表 3 所示。两种张拉方式的张拉步骤如表 4 所示。 通过两种张拉方式得到结构全过程内力和位移响应 如图 5 所示。 表 3张拉方式及张拉伸长值 Table 3Tensioning position and elongation 张拉方式张拉伸长值/mm 逐圈张拉斜索292623 张拉环索和内斜索23120120 表 4张拉步骤及张拉分级 Table 4Steps of tensioning and grade of each step 逐圈张拉斜索的张拉分级张拉环索和内斜索的张拉分级 张拉步 外斜索 中斜索 内斜索 张拉步 外环索 内环索 内斜索 11 235235 3353533535 43535354353535 56535355653535 66565356656535 76565657656565 8100656581006565 910010065910010065 1010010010010100100100 从图 5 的结构内力响应可以看出， 不管采用哪 种预应力施加方法， 结构最终状态的内力是一致的， 即结构最终状态的预应力分布和张拉方式无关。 3. 2分步提升整体张拉 3. 2. 1张拉成形过程 1 内拉环放置于地面， 放置位置通过全站仪准 确定位， 保证拉力环中心与整体结构中心相重合。 2 除外斜索外， 将所有拉索调整到初始状态， 通过工装同步提升四周脊索， 根据提升高度逐次安装 中撑杆、 内环索、 内斜索及外撑杆、 外环索、 外斜索等。 3 利用工装索将外脊索安装至外环梁。 4 利用工装索将外斜索安装至外环梁。 5 通过张拉外斜索使结构成形。 62 a内脊索内力 b内斜索索力 c中脊索索力 d中斜索内力 e外脊索索力 f外斜索索力 g内环索索力 h外环索索力 图 5整体成形分步张拉成形过程结构内力响应 Fig． 5Internal force response of structure during tensioning 3. 2. 2分步提升整体张拉成形过程仿真分析 根据上文的分析， 在下料准确的前提下， 索穹顶 结构最终的成形态和张拉方式无关， 为了方便施工， 试验模拟在地面整体拼装， 采用分步提升整体张拉 的成形方法。在张拉阶段， 分 10 个张拉步将结构整 体张拉就位，20 个轴线的外斜索同步张拉。结构成 形过程中结构各位置拉索内力和撑杆上节点及内拉 力环上弦位移响应如图 6 所示; 结构成形过程中各 施工状态结构位形见图 7 所示， 图中数据分别为索 长和拉力环下端距地面的高度。 比较分步提升整体张拉和整体成形分步张拉的 的结构内力响应可见， 结构在成形以后的拉索内力 分布相同， 说明采用分步提升整体张拉的成形方法 可以使结构达到设计成形状态。 a脊索内力 b斜索内力 c环索内力 d结构位移 图 6分步提升整体张拉成形过程的索力和位移响应 Fig． 6Internal force and displacement response of whole structure during tensioning 72 a脊索连接完毕状态 借助工装索 b外撑杆离地状态 c外脊索就位状态图 d外斜索张拉剩余 40mm 就位状态 e结构成形状态 图 7张拉成形过程 Fig． 7ing process of tensioning 4模型结构试验结果 4. 1成形过程索力测试结果 实际安装过程中各阶段的模型形状如图 8 所 示。在试验模型中两个轴线的内脊索、 内斜索、 外脊 索、 外斜索以及内外环索布置了拉力传感器， 全过程 监测了安装过程中的索力， 监测结果列于表5 中。图 9 给出了结构成形过程中各拉索索力变化历程。 4. 2试验结果分析 从图9 和表5 中可以看出， 拉索索力在斜索张拉 剩余长度接近 25 mm 就位以前都较小， 索力主要由 结构自重产生; 斜索张拉剩余长度小于 25 mm 之后， 在张拉过程中索力急剧增大， 两个位置的拉索索力 变化趋势基本一致， 且与仿真分析结果吻合良好。 4. 3索穹顶由机构到结构的转变 从图 9 的索力变化可以清楚地看到结构预应力 a借助工装索连接脊索 b外环索离地 c外脊索就位 d外斜索就位 图 8各阶段模型结构的状态 Fig． 8Model states at different steps 的建立历程。 在外斜索张拉剩余长度25mm以前， 各位置拉索的内力都很小， 内脊索一直处于松弛状 态， 结构的预应力未建立， 内力由结构自重产生。在 外斜索张拉剩余长度为 25 mm 时内脊索开始受力， 然后随着外斜索的张拉， 各位置拉索的内力急剧增 大， 因此内脊索开始受力的状态可以作为索穹顶由 机构转变为结构的分界。从内脊索开始受力到外斜 索就位这个过程即为索穹顶结构预应力的建立 过程。 82 表 5模型结构成形过程中索力监测 Table 5Cable force monitoring during ing process of model 张拉步状态说明 索内力/kN 1WJ11WJ 外脊索 计算值 1WX11WX 外斜索 计算值 1WH11WH 外环索 计算值 1NH11NH 内环索 计算值 1地面组装完毕0. 20. 30. 00. 20. 00. 00. 80. 80. 03. 32. 30. 0 2外脊索剩余 60 cm0. 20. 33. 50. 20. 00. 00. 60. 80. 05. 84. 87. 3 3外脊索剩余 50 cm0. 20. 33. 80. 20. 00. 00. 60. 50. 06. 75. 77. 9 4外脊索剩余 40 cm0. 20. 33. 90. 20. 00. 00. 90. 70. 08. 47. 48. 3 5外脊索剩余 30 cm0. 20. 34. 30. 20. 00. 00. 90. 70. 09. 28. 29. 3 6外脊索剩余 20 cm0. 20. 34. 80. 20. 00. 01. 00. 70. 010. 19. 010. 7 7外脊索剩余 10 cm0. 20. 35. 20. 20. 00. 01. 00. 70. 011. 310. 311. 6 8外斜索剩余 45 cm3. 83. 82. 90. 1－0. 23. 06. 45. 57. 98. 06. 97. 0 9外斜索剩余 40 cm3. 73. 82. 90. 1－0. 23. 26. 95. 98. 87. 86. 86. 9 10外斜索剩余 35 cm3. 63. 62. 80. 1－0. 33. 57. 46. 49. 77. 76. 76. 8 11外斜索剩余 30 cm3. 63. 62. 80. 1－0. 33. 98. 37. 010. 87. 66. 66. 8 12外斜索剩余 25 cm3. 63. 62. 90. 1－0. 34. 38. 97. 612. 17. 66. 56. 8 13外斜索剩余 20 cm3. 53. 52. 90. 2－0. 34. 810. 18. 413. 67. 66. 57. 0 14外斜索剩余 15 cm3. 73. 63. 00. 1－0. 35. 410. 99. 316. 67. 76. 67. 3 15外斜索剩余 10 cm3. 83. 73. 20. 2－0. 26. 212. 710. 518. 37. 96. 87. 7 16外斜索剩余 45 mm6. 77. 83. 58. 58. 86. 620. 117. 019. 310. 79. 68. 4 17外斜索剩余 35 mm8. 812. 23. 710. 410. 47. 323. 619. 921. 712. 811. 78. 9 18外斜索剩余 25 mm14. 822. 49. 613. 514. 312. 136. 840. 436. 317. 716. 614. 9 19外斜索剩余 15 mm25. 633. 524. 917. 521. 122. 854. 159. 868. 226. 024. 929. 7 20外斜索就位46. 843. 747. 841. 042. 242. 2119. 5113. 9128. 047. 946. 751. 8 注 1WJ、 11WJ 为①轴和瑏瑡轴外脊索， 1WX、 11WX 为①轴和瑏瑡轴外斜索， 1WH、 11WH 为①轴和瑏瑡轴外环索， 1NH、 11NH 为①轴和瑏瑡轴内环 索; 蓝色区域表示在张拉斜索的过程中， 因为传感器在工装和耳板之间， 所以传感器读数未采集到真实数据。 a内脊索索力 b内斜索索力 c外脊索索力 d外斜索索力 e内环索索力 f外环索索力 图 9模型结构成形过程中拉索索力 Fig． 9Cable force in ing process of model structure 92 5结论 1 提出对索穹顶结构施加预应力的思路， 即通 过对部分预应力索施加预应力， 其他索被动受力达 到整个结构被赋予预应力。 2 根据不同的预应力施加方法对结构成形进 行全过程仿真分析， 得出结构的最终内力和位形与 预应力施加方法无关。 3 采用地面拼装、 分步提升、 整体张拉的施工 方法， 成形结构的内力和位移与模型试验结果仿真 分析结果吻合较好， 验证了索穹顶结构预应力的施 加和施工顺序无关的结论， 同时也说明该施工成形 方法适用于索穹顶结构。 4 在斜索张拉方案中， 索穹顶结构在外斜索接 近就位、 内脊索开始受力之前， 结构的内力主要由结 构自重产生， 从内脊索开始受力起， 随着外斜索的张 拉， 各拉索内力迅速增长， 该过程为结构刚度产生的 过程， 可以认为内脊索开始受力为索穹顶由机构转 变为结构的转折点。 参考文献 ［ 1］ 詹伟东， 董石麟． 索穹顶结构体系的研究进展［J］ ． 浙江大学学报 工学版， 2004， 38 10 61- 70． Zhan Weidong，Dong Shilin． Advances in cable domes［J］ ． Journal of Zhejiang UniversityEngineering Science， 2004， 38 10 61- 70． in Chinese ［ 2］ 董石麟， 罗尧治，赵阳， 等． 新型空间结构分析、 设计 与施工［M］ ． 北京 人民交通出版社，2006 626． DONG Shilin，LUO yaozhi，ZHAO Yang，et al． Analysis design and construction of new space structures ［ M］ ．BeijingChina Communication Press，2006 626． in Chinese ［ 3］ 葛家琪， 张爱林， 刘鑫刚，等． 索穹顶结构张拉找形 与承载全过程仿真分析［ J］ ． 建筑结构学报， 2012， 33 4 1- 11． GE Jiaqi，ZHANG Ailin，LIU Xingang， et al．Analysisoftension- findingandwhole loading process simulation of cable dome structure［ J］ ． Journal of Building Structures， 2012， 33 4 1- 11． in Chinese 建筑结构学报 征订启事 建筑结构学报 邮发代号 2- 190 是由中国科学技术协会主管， 中国建筑学会主办的学术性刊 物， 创刊于 1980 年， 自 1992 年起入选为中文核心期刊， 2007 年起被 Ei Compendex 收录， 期刊影响因 子连续多年在国内同类期刊中名列前茅。 建筑结构学报 旨在报道和交流建筑结构领域中代表我国学术水平的最新研究成果， 反映本学 科发展最新动态和趋势， 推动国内外的学术交流。主要刊登建筑结构、 抗震减振、 地基基础等学科的 基础理论研究、 应用研究和科学实验技术的学术论文、 研究报告及最新进展动态， 为我国建筑科学技 术研究的发展服务。 建筑结构学报 读者对象为相关专业的高等院校师生和科研、 设计、 施工单位的工程技术人员， 以及相关科技工作者。 建筑结构学报 现为月刊， 大 16 开本， 144 页， 每期定价 25 元， 全年共 300 元。欢迎您直接汇款 至 建筑结构学报 编辑部订阅本刊， 通过编辑部订阅全年杂志可享受九折优惠并免收邮寄费。 欢迎国内外读者订阅 地址 北京市三里河路 9 号住房和城乡建设部内 建筑结构学报 编辑部 邮编 100835 电话 010 58933734 E-mail ascjgxb126. com 网址 http / /jzjgxb. chinaasc. org 03