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预应力空间钢管桁架结构的设计与施工

作者：洪王东 周观根　何挺　俞水其    
时间：2010-08-13 19:29:19 [收藏]
【摘　要】 随着我国中国建筑金属结构信息网事业的蓬勃发展，越来越多新的空间结构体系在工程中得到应用。成都世纪城新国际会展中心采用了预应力空间钢管桁架结构，本文将对该结构体系的设计和施工进行阐述。
    关键词：
    一、工程概况
    成都世纪城新国际会展中心是国家西部大开发和四川省的重点工程，建成后已成为四川省乃至整个西部对外交流的桥梁、窗口和纽带。
    \
    会展中心由九个主展馆、八个连接体和正面一个环形大雨蓬（悬挑27m）组成半圆形辐射状的建筑群（见图2），主展馆每个单体平面呈腰鼓形，总建筑面积达13万平方米，从功能上看，每个展厅既可以单独使用又可以通过连接体一起使用，能满足各类规模的展览。
    \
    二、结构概况
    会展中心单个展厅由11榀空间倒三角形桁架组成，最小跨度57m，最大跨度90m，平均跨度70.83m，纵向列柱呈圆曲线形分布，柱网（7×15m＋2×22.5m）=150m。除两端山墙外的 9榀主桁架下弦管内施加大小不等的预应力（见表1）。
    表1　钢绞线规格及有效预应力值
    桁架名
    钢绞线规格
    钢绞线强度
    标准值
    有效
    预应力值
    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
     
     
     
     
    柱子采用钢管混凝土柱，钢管规格为Φ700×14，其中抗风柱规格为Φ650×10，混凝土标号为C40。由于采用钢管混凝土组合柱，提高了柱的抗侧刚度，使展馆的整体刚度也得到了提高。
    在纵向列柱顶部设置两道纵向联系桁架(图3)，既可提高结构侧向刚度，又可作为柱间支撑，同时又作为主桁架的支承桁架和悬挂大型推拉门及管道的承重结构。
    \
    主桁架之间设置纵横向支撑及纵向系杆，平面布置见图4。
    \
    屋面檩条采用格构式主、次檩形式（图5），分别由两根冷弯薄壁槽钢(主檩条[120X40X3，次檩条[100X40X3)和两根L30X3的角钢组合而成。
    \
    三、节点计算
    为确保结构的安全，对主要节点用ANSYS软件进行了分析计算。根据设计分析选取了主桁架下弦穿索节点、支座节点、上弦转折节点、连接体桁架和纵向桁架连接节点等进行分析计算。
    3.1 主桁架下弦穿索节点计算
    \
    3.2 支座节点计算
    \
    3.3 主桁架转折节点计算
    \
    3.4　连接体桁架和纵向桁架连接节点计算
    \
    \
    图9　连接体桁架和纵向桁架连接节点
    桁架加工流程见图10所示。
     
     
    通过计算分析，各个节点的应力分布跟理论分析吻合，节点构造满足受力需要。
    四、桁架加工

    首先用Xsteel或AUTOCAD软件建立三维线框模型，然后经过数据转换，用六轴数控相贯面切割机进行切割加工，钢管下料、剖口一次成形。

    \
    杆件弯曲是根据桁架弦杆的曲率进行钢管弯管，杆件在相贯面切割好后采用冷弯数控弯管机加工（图12）。加工时根据杆件半径及弯曲半径选用合适的胎模进行弯曲，弯曲时应考虑弹性变形，并根据经验数据适当加大弯曲曲率半径，必要时采用人工矫正。
    五、桁架的安装
    5.1 施工方案的选择
    展馆采用周边钢管混凝土柱加钢桁架屋盖组成的单层结构。屋盖由11榀长短不一的桁架组成，最长桁架约90米，最短桁架约57米，桁架支承柱顶标高为14m。桁架外形为倒三角梭形，单榀桁架最重约34吨，除两端山墙桁架外，其余9榀桁架均在下弦施加预应力。由于桁架长度较长（最长90米）、矢高较高（最高7米），桁架安装具有较大难度。在安装过程中如何确保桁架稳定以及变形的控制等都至关重要。同时，预应力的张拉与控制也是确保结构安全的重点。
    经过多方案比较，综合上述因素，桁架采用滑移胎架高空拼装法进行施工。
    5.2 滑移胎架精度控制
    保证滑移胎架的精度是保证拼装精度的关键，首先通过计算机放样得到的数据确定拼装胎架上桁架节点的位置，并用全站仪测量胎架各控制点的相对位置，确定无误后开始构件拼装。拼装杆件的长度、位置预先应考虑焊接收缩量。胎架设有调节装置，保证有一定的调节余量。
     
    \
    5.3 纵向桁架的安装
    纵向桁架采取分段吊装，桁架分段原则为每一柱距一段。先将分段桁架在拼装场地拼装好后，用平板车运至安装位置，采用汽车吊或履带吊直接吊装就位。纵向桁架的吊装紧随钢柱吊装同步进行。为保证桁架安装的精度，必须进行精确测量，以确保位置的准确。
    六、预应力拉索施工
    预应力拉索采用无粘结预应力钢绞线束，钢绞线规格为7φ5，抗拉强度为1860Mpa，外包PE薄膜；锚具采用低应力防松夹片锚。
    本工程的预应力张拉采用一次张拉局部调整进行张拉。
    预应力拉索的施工流程可大致分为:
    a. 钢绞线下料：长度L＝钢管内长度＋张拉端工作长度(每端800-900mm)。
    b. 牵引钢绞线安装：将一根钢绞线穿入下弦钢管，钢绞线通过专用牵引头与钢绞线束连接，利用先穿入的一根钢绞线作为牵引与导向，将整束的钢绞线穿过钢管。
    c. 穿索：利用卷扬机做动力牵引，预应力索从一端钢管口处穿入下弦钢管。索穿入后，安装两端的锚具。待预应力索张拉、封锚后，再进行脚手架的滑移。
    d. 索的张拉：张拉设备选用250吨及150吨千斤顶。实际张拉力大小要根据内力分析后确定，通过位移控制，实现恒载作用下零位移。预应力索的张拉程序为：0 → 0.3σcon(初读数) → 0.65σcon(中间读数) → 1.0σcon(最后读数)。
    e．锚固：索体两端采用防松夹片锚。防松夹片锚是由锚板、防松夹片、防止夹片回松的盖板及保护罩构成。具体构造见图14。
    \
    七、结束语
    预应力桁架结构是一种新颖的结构形式，具有较好的受力性能和较好的经济性。本工程在设计过程中对结构的主要节点进行了理论分析并充分考虑了构造要求。同时对桁架的施工方法特别是预应力的张拉进行了各种工况的验算，取得了较好的效果，为今后类似工程的应用提供了一些参考。
    参考文献
    [1] 钟善桐,预应力中国建筑金属结构信息网,哈尔滨工业大学出版社，1986。
    [2] 马克俭，郑涛，张华刚，预应力空间网格结构的研究与应用，《空间结构》编辑委员会，2002。
    [3] 周观根，俞水其等，张拉立体桁架结构施工新技术,第十届空间结构学术会议论文集，中国建材工业出版社，2000。
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