弦支穹顶结构的施工全过程分析

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1、第七届全国现代结构工程学术研讨会弦支穹顶结构的施工全过程分析郑君华1，2罗尧治1周观根2f1浙江大学建工学院空『日]结构研究中心t浙江杭州310027；2浙江东南阿架集团有限公司·浙江杭州311209)摘要：弦支穹顶结构的施工分析是进行结构静动力性能计算的基础，是施工单位进行现场施工的依据。奉文利用改进逆迭代法和施工反分析法相结合的方法，对上部刚接的弦支穹顶结构的施工全过程进行了跟踪计算。算例分析表明，该方法能精确模拟弦支穹顶结构的施工过程，解决了弦支穹顶结构的施工计算问题，可对该类结构的实际工程施工起指导作用。关键词：弦支穹顶结构，施工反分析法．改进逆迭代沾一、引言单层网壳结构整体稳定性差，

2、而且对周边支座有很大的水平推力；索穹顶结构⋯为了保证结构上部脊索在工作状态下不产生松弛，必须对结构施加足够大的预张力从而对周边支座产生了很大的水平拉力。为了克服上述两种结构的不足，20世纪90年代日本政法大学教授MaInonIKawaguc曲i提出了弦支穹顶结构“J，这种结构由上部的单层球面网壳和去掉上层索的下部索穹项结构组合而成。弦支穹顶结构的优点是通过张拉下部的预应力索，使上部的单层网壳产生与使用荷载作用时相反的位移，从而抵消了部分外荷载的作用，改善了单层网壳结构的受力。同时，下部斜索对边界产生的拉力部分抵消了上部网壳对支座的雅力，可以减轻支座受力，简化边界支座做法。由于弦支穹项结构受力明

3、确，近年来它在我国工程应用中日益增多。目前关于弦支穹项结构的研究主要集中在静动力性能计算B目、参数分析‘”1、预应力分布确定及稳定性分析”1等方面。有关弦支穹顶施工成形分析的研究较少，文献【9】对弦支穹顶结构的形态进行了分析，给出了弦支穹顶结构放样态的求解方法：文献【10】提出了弦支穹顶结构施工反分析法，该方法从弦支穹顶结构设计理想成形状态出发，解决了上部单层网壳结构为铰接的弦支穹顶结构的施工计算问题。本文基于前人的研究成果，对上部单层网壳结构为刚接的弦支穹顶结构的施工全过程进行模拟跟踪。二、弦支穹顶结构施工计算弦支穹顶结构的施工涉及三个状态(图1．)：(1)放样态(预应力零状态)：无自重、无

4、预应力作用的放样状态：(2)预应力平衡态：自重、预应力作用下的自平衡状态；(3)荷载态：在预应力平衡态基础上，承受其它外荷载作用的状态。其中，放样态是工厂确定构件加工尺寸的依据。预应力平衡志工业建筑．2007增刊图1弦支穹顶结构的三个状态42l第七届争国现代结构工程学术研讨会弦支穹顶结构施工的主要过程即结构达到预应力甲衡态的过程。由于弦支穹项结构的施工一般分为以下几个阶段：(1)按照放样态确定的杆件长度安装上部单层网壳，并施加周边约束；(2)安装各圈撑杆并挂索}(3)张拉各圈索杆使其达到预应力平衡态；(4)安装外围构件及屋面。所以弦吏穹顶结构的施工需主要解决以下两个问题：(1)放样态的确定。放

5、样态是安装上部单层网壳的依据，是结构形状按设计要求完成的保证：(2)下部张拉索索力的确定。各圈索在张拉过程中，索力互相影响，张拉各圈索时会对已张拉安装好的其他圈索杆内力产生影响。确定各圈张拉索索力的大小有利于简化施工，提高施工质量。下面对这两个问题的解决方案进行详述。(一)放样态求解本文求解弦支穹顶结构放样态时运用Ansys软件，采用文献[9]中的改进逆迭代法，并考虑结构分块思想，对文献[9]的求解方法进行精简，以减少迭代次数。首先假设结构预应力平衡态的设计坐标为fx，y，z15，经过第K次迭代后，得到放样态坐标为{x，y，z)；，预应力平衡态坐标计算值为{x．y，z】：，位移为f唧，W，0z

6、}，。求解过程如下所示：(1)首先在结构的预应力平衡态位置建立结构模型；(2)约束索杆与单层网壳的共用节点，施加索杆部分预应力，求出约束点处反力(R，E，El；(3)将约束反力施加到单层网壳上求解网壳部分位移，得到放样态的初始坐标为(x，y，z)i；(4)将卜只，一E，一Cl施加到放样态的单层网壳上，此时各坐标点位移为{嘣，w，呢}。。计算{x，y，z}：={x，y，z}≯{删，uy，昵l。，并令△={x，y，z}5一㈨y，z咖(5)判断△是否满足精度要求。如满足，则{x，y，z)：为所求的放样态坐标；如不满足，则令{x，y，z)：“={x，l，，z}：+△，转第(4)步，继续置+1次迭代。’

7、上述求解结构放样态的过程由于引入结构分块思想，将下部索杆预应力的作用转化为节点力作用在上部单层网壳上，简化了下部索杆结构对上部单层网壳的作用方式，减少了放样态的求解迭代次数。如果在求解得到的放样态基础上．去除约束及约束反力，并日f入索杆预应力即可计算得到预应力平衡态。本文索杆预应力的引入同样采用文献[9】中的张力补偿法，不同的是本文对所有张拉索力同时引入且同时补偿。(二)索张拉力求解本文对结构索力