预应力钢柑网组合结构屋盖设计与施工

预应力钢柑网组合结构屋盖的设计与施工 南京体院体育馆平面呈椭圆形,长短轴尺寸为86m×62m,馆内大厅净高15m,总建筑面积8780m2,屋面面积约4547m2(图6-6-1)。屋盖采用预应力钢析网组合结构体系,主桁架2/3外露屋面,体现了现代结构技术与建筑艺术有机结合的风格。

第1章 屋盖结构体系选型 根据建筑环境特点,为配合建筑造型的需要,经多因素综合分析比较,选用“桁-网架“组合结构体系屋盖方案,将屋盖平面沿长轴方向用2榀桁架分成约三等分,并用宽6m,高6.6m,跨度64.68m的空间三角形钢管桁架,铰支于8根直径1.4m的独立钢筋混凝土圆柱顶(图6-6-2)。由于铰支大跨桁架跨中杆件内力较大,为改善桁架杆件受力分布不合理性和增强桁架刚度,结合建筑造型,在结构方案上将桁架每端外伸6.5m,并在桁架两端每角点各斜拉1道预应力筋束,即桁架体外施加预应力(图6-6-3)。根据不同施工荷载阶段分阶段外张预应力,以抵抗桁架各荷载状态下产生的部分挠度,改善桁架受力性能,充分利用各杆件钢管钢材的强度。在桁架下弦节点之间和外围柱顶间,搁置2.3m高正放四角锥平板片式网架,平板片式网架最大跨度24m。由于桁架的设置,大大减小了屋盖网架的有效跨度,为大面积应用螺栓球节点平板网架提供了方便。采用预应力“桁-网架”组合结构体系,在结构上发挥了主次结构受力特点;桁架2/3高度外露屋面,降低了建筑物高度,满足了规划要求,协调了建筑环境,并可减小建筑体积,节省能耗,为声学处理带来方便。

第2章 屋盖体系构造 预应力“桁-网架”组合结构屋盖设计,关键在预应力空间三角形钢管桁架;桁架的关键是体外预应力能否在桁架各杆件中有效建立;而预应力有效建立的关键又是桁架支座的性能。设计中指架支座采用双面弧形压力支座,其作法是在支座板和柱顶间设l块上下均为弧形的铸钢块,在铸钢块两侧,支座板与柱顶板上分别焊2块梯形钢板,用螺栓将三者连系在一起,这样桁架支座节点即可绕螺栓沿铸钢块上下弧面作一定的转动和移动(图6-6-4)。

桁架设计的另一关键是桁架的节点,计算结果表明,桁架杆件最大拉力约2500kN,最大压力约1600kN,最大管材截面为Ф450×25,按传统空心球节点做法,空心球直径达l.2m以上,而目前国内空心球模具只能加工800mm球。另据统计,节点所用钢材一般占总耗钢量的20%~35%。取消空心球节点,采用钢管直接焊接节点,即相贯连接节点,是本次桁架设计的一大突破。对于钢管相贯节点的设计计算,现行《钢结构设计规范》(GBJ17一88)只有平面相贯节点的强度计算,对于空间节点尚无完备资料。进行空间相贯节点的试验,无论在技术上、经费上、时间上都有一定难度。为保证桁架相贯节点设计安全可靠,将空间受力分解为平面受力,参照平面相贯节点的强度计算,并适当增加相贯节点强度设计的安全储备,对受力较大的重要节点的主管采取了加强措施(图6-6-5)。

原设计考虑将平板网架悬挂在桁架下弦,后从美国肯萨斯州体育馆屋面倒塌事例中了解到拉力支座采用高强螺栓抗疲劳性能差,为此,本次设计将平板网架拉力支座改为压力支座。由于网架一端搁置于桁架下弦节点上,另一端搁置在外围钢筋混凝土圆柱上,受荷后将架跨中各点挠度不一,平板网架必然产生次生内力,使设计、计算分析复杂化,故采用平板片式网架,铰支桁架下弦节点在圆柱上,解决了平板网架由于支座变位产生次生内力的问题。为了使平板片式网架支座接近铰接,网架支座采用板式橡胶支座。

体外预应力筋采用无粘结Фj15钢绞线,每束7根。考虑到斜拉索在长期荷载作用下的松弛影响,斜拉索张拉控制应力σcon=0.35,ƒptk=550N/mm2;考虑到斜拉索的更换,桁架端部每角点斜拉索双束设置。固定端采用QMl5P挤压套,张拉端为QMl5-7群锚。保护套采用薄壁无缝钢管,425普通硅酸盐水泥掺U型膨胀剂灌浆。

第3章 屋盖结构计算 由于桁架按不同施工荷载分阶段外张预应力,故桁架荷载工况较多。为简化分析,先求单位力作用下的杆件内力,然后分阶段组合,选择最不利杆件内力,配置钢管截面。并分别作出端部加单位力的内力图和下弦节点加单位力的内力图。各种荷载工况下内力组合见表6-6-1。

每种荷载工况下,杆件内力Ni=P1N1i+P2N2i。

桁架2/3高度外露屋面,1/3高度在室内,由于室内外温差对大跨度桁架存在温度应力问题。为此对桁架钢管采取保温措施,上弦杆采用80mm厚聚氨酶材料保温,下弦杆及腹杆采用50mm厚聚氨醋保温。采用保温措施后,考虑到室内工作条件及室内外温度变化,桁架温度应力计算参数为:夏季最大温差△t=10℃,冬季最大温差△t =20℃。经计算分析,夏季σ上弦=－14N/mm2, σ下弦=8N/mm2,冬季σ上弦=28N/mm2, σ下弦 =－16N/mm2。

第4章 预应力斜拉索施工 该工程每榀主桁架重88t,利用8根独立的支承柱作为基点,每根独立柱内埋4根角钢组成劲性柱来顶升就位。

第1节 斜拉索安装基础外露部分 斜拉索安装基础外露部分斜拉索预应力筋安装前,必须把预应力筋的保护套管固定在相应的位置。在钢管脚手上弹出相应的位置线,然后把保护套管上端加焊于桁架下弦杆,其余部位和脚手架临时固定(扣件、点焊、绑扎),保留下部一节大一号的套管约2.3m,向上套接。然后把预应力筋放盘逐根用人力导入套管中由下向上穿筋,直至预应力筋伸直为止,下部一节套管复位,上部安上锚具,穿筋即告结束。本工程采用的保护套管为Ф102、厚4.5mm的薄壁钢管,下部一节套管为Ф114,厚4.5mm。

第2节 分阶段张拉预应力 该工程采用分次递增地施加预应力,以抵抗或平衡逐次施工阶段的荷载挠度,预应力分3次完成;第1次在主桁架安装后,每道张拉值为400kN;第2次在网架和屋面板安装后,每道张拉至760kN;第3次在马道、吊顶、灯具、风管等安装后,每道张拉至1020kN。由于分次张拉间隔时间较长,除初次应注意观察预应力筋有无松弛外,对外露预应力筋的张拉工作长度和锚具应作防锈蚀保护措施(加套管涂油脂等),以免由于锈蚀而影响下一次张拉与锚固。

每榀主桁架四角配套预应力张拉设备同时同步张拉,先拉内束,后拉外束,必要时进行一次补张。

第3节 套管灌浆 最后一次张拉完成后由下而上灌浆,下设阀门,上设铁盒保护套和泌水孔。压力灌浆到位后关闭阀门,卸下灌浆机头并在上部泌水孔不断注浆直到无沉陷凝固为止,最后进行钢套管防锈处理。

第5章 结语 采用预应力钢“桁-网架”组合结构屋盖,在国内尚属首例,它将建筑艺术与结构技术相结合,推动了我国大跨度结构体系的发展。

采用劲性柱顶升法施工工艺安装桁架和螺栓球拼接片式网架,可方便施工,节省人力物力,且工艺简单,工期短,质量好。

桁架经足尺载荷试验和夏季、冬季考验,证明体外施加预应力方法成功,相贯连接节点安全,桁架受力合理均匀,并节省了钢材,达到预期效果。