預(yù)應(yīng)力鋼柑網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)屋蓋的設(shè)計(jì)與施工

南京體院體育館平面呈橢圓形,長短軸尺寸為86m×62m,館內(nèi)大廳凈高15m,總建筑面積8780m2,屋面面積約4547m2(圖6-6-1)。屋蓋采用預(yù)應(yīng)力鋼析網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)體系,主桁架2/3外露屋面,體現(xiàn)了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)技術(shù)與建筑藝術(shù)有機(jī)結(jié)合的風(fēng)格。

第1章

屋蓋結(jié)構(gòu)體系選型

根據(jù)建筑環(huán)境特點(diǎn),為配合建筑造型的需要,經(jīng)多因素綜合分析比較,選用“桁-網(wǎng)架“組合結(jié)構(gòu)體系屋蓋方案,將屋蓋平面沿長軸方向用2榀桁架分成約三等分,并用寬6m,高6.6m,跨度64.68m的空間三角形鋼管桁架,鉸支于8根直徑1.4m的獨(dú)立鋼筋混凝土圓柱頂(圖6-6-2)。由于鉸支大跨桁架跨中桿件內(nèi)力較大,為改善桁架桿件受力分布不合理性和增強(qiáng)桁架剛度,結(jié)合建筑造型,在結(jié)構(gòu)方案上將桁架每端外伸6.5m,并在桁架兩端每角點(diǎn)各斜拉1道預(yù)應(yīng)力筋束,即桁架體外施加預(yù)應(yīng)力(圖6-6-3)。根據(jù)不同施工荷載階段分階段外張預(yù)應(yīng)力,以抵抗桁架各荷載狀態(tài)下產(chǎn)生的部分撓度,改善桁架受力性能,充分利用各桿件鋼管鋼材的強(qiáng)度。在桁架下弦節(jié)點(diǎn)之間和外圍柱頂間,擱置2.3m高正放四角錐平板片式網(wǎng)架,平板片式網(wǎng)架最大跨度24m。由于桁架的設(shè)置,大大減小了屋蓋網(wǎng)架的有效跨度,為大面積應(yīng)用螺栓球節(jié)點(diǎn)平板網(wǎng)架提供了方便。采用預(yù)應(yīng)力“桁-網(wǎng)架”組合結(jié)構(gòu)體系,在結(jié)構(gòu)上發(fā)揮了主次結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn);桁架2/3高度外露屋面,降低了建筑物高度,滿足了規(guī)劃要求,協(xié)調(diào)了建筑環(huán)境,并可減小建筑體積,節(jié)省能耗,為聲學(xué)處理帶來方便。

第2章

屋蓋體系構(gòu)造

預(yù)應(yīng)力“桁-網(wǎng)架”組合結(jié)構(gòu)屋蓋設(shè)計(jì),關(guān)鍵在預(yù)應(yīng)力空間三角形鋼管桁架;桁架的關(guān)鍵是體外預(yù)應(yīng)力能否在桁架各桿件中有效建立;而預(yù)應(yīng)力有效建立的關(guān)鍵又是桁架支座的性能。設(shè)計(jì)中指架支座采用雙面弧形壓力支座,其作法是在支座板和柱頂間設(shè)l塊上下均為弧形的鑄鋼塊,在鑄鋼塊兩側(cè),支座板與柱頂板上分別焊2塊梯形鋼板,用螺栓將三者連系在一起,這樣桁架支座節(jié)點(diǎn)即可繞螺栓沿鑄鋼塊上下弧面作一定的轉(zhuǎn)動和移動(圖6-6-4)。

桁架設(shè)計(jì)的另一關(guān)鍵是桁架的節(jié)點(diǎn),計(jì)算結(jié)果表明,桁架桿件最大拉力約2500kN,最大壓力約1600kN,最大管材截面為Ф450×25,按傳統(tǒng)空心球節(jié)點(diǎn)做法,空心球直徑達(dá)l.2m以上,而目前國內(nèi)空心球模具只能加工800mm球。另據(jù)統(tǒng)計(jì),節(jié)點(diǎn)所用鋼材一般占總耗鋼量的20%~35%。取消空心球節(jié)點(diǎn),采用鋼管直接焊接節(jié)點(diǎn),即相貫連接節(jié)點(diǎn),是本次桁架設(shè)計(jì)的一大突破。對于鋼管相貫節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)計(jì)算,現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ17一88)只有平面相貫節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度計(jì)算,對于空間節(jié)點(diǎn)尚無完備資料。進(jìn)行空間相貫節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn),無論在技術(shù)上、經(jīng)費(fèi)上、時間上都有一定難度。為保證桁架相貫節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)安全可靠,將空間受力分解為平面受力,參照平面相貫節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度計(jì)算,并適當(dāng)增加相貫節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的安全儲備,對受力較大的重要節(jié)點(diǎn)的主管采取了加強(qiáng)措施(圖6-6-5)。

原設(shè)計(jì)考慮將平板網(wǎng)架懸掛在桁架下弦,后從美國肯薩斯州體育館屋面倒塌事例中了解到拉力支座采用高強(qiáng)螺栓抗疲勞性能差,為此,本次設(shè)計(jì)將平板網(wǎng)架拉力支座改為壓力支座。由于網(wǎng)架一端擱置于桁架下弦節(jié)點(diǎn)上,另一端擱置在外圍鋼筋混凝土圓柱上,受荷后將架跨中各點(diǎn)撓度不一,平板網(wǎng)架必然產(chǎn)生次生內(nèi)力,使設(shè)計(jì)、計(jì)算分析復(fù)雜化,故采用平板片式網(wǎng)架,鉸支桁架下弦節(jié)點(diǎn)在圓柱上,解決了平板網(wǎng)架由于支座變位產(chǎn)生次生內(nèi)力的問題。為了使平板片式網(wǎng)架支座接近鉸接,網(wǎng)架支座采用板式橡膠支座。

體外預(yù)應(yīng)力筋采用無粘結(jié)Фj15鋼絞線,每束7根?？紤]到斜拉索在長期荷載作用下的松弛影響,斜拉索張拉控制應(yīng)力σcon=0.35,?ptk=550N/mm2;考慮到斜拉索的更換,桁架端部每角點(diǎn)斜拉索雙束設(shè)置。固定端采用QMl5P擠壓套,張拉端為QMl5-7群錨。保護(hù)套采用薄壁無縫鋼管,425普通硅酸鹽水泥摻U型膨脹劑灌漿。

第3章

屋蓋結(jié)構(gòu)計(jì)算

由于桁架按不同施工荷載分階段外張預(yù)應(yīng)力,故桁架荷載工況較多。為簡化分析,先求單位力作用下的桿件內(nèi)力,然后分階段組合,選擇最不利桿件內(nèi)力,配置鋼管截面。并分別作出端部加單位力的內(nèi)力圖和下弦節(jié)點(diǎn)加單位力的內(nèi)力圖。各種荷載工況下內(nèi)力組合見表6-6-1。

每種荷載工況下,桿件內(nèi)力Ni=P1N1i+P2N2i。

桁架2/3高度外露屋面,1/3高度在室內(nèi),由于室內(nèi)外溫差對大跨度桁架存在溫度應(yīng)力問題。為此對桁架鋼管采取保溫措施,上弦桿采用80mm厚聚氨酶材料保溫,下弦桿及腹桿采用50mm厚聚氨醋保溫。采用保溫措施后,考慮到室內(nèi)工作條件及室內(nèi)外溫度變化,桁架溫度應(yīng)力計(jì)算參數(shù)為:夏季最大溫差△t=10℃,冬季最大溫差△t

=20℃。經(jīng)計(jì)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

預(yù)應(yīng)力斜拉索施工

該工程每榀主桁架重88t,利用8根獨(dú)立的支承柱作為基點(diǎn),每根獨(dú)立柱內(nèi)埋4根角鋼組成勁性柱來頂升就位。

第1節(jié)

斜拉索安裝基礎(chǔ)外露部分

斜拉索安裝基礎(chǔ)外露部分斜拉索預(yù)應(yīng)力筋安裝前,必須把預(yù)應(yīng)力筋的保護(hù)套管固定在相應(yīng)的位置。在鋼管腳手上彈出相應(yīng)的位置線,然后把保護(hù)套管上端加焊于桁架下弦桿,其余部位和腳手架臨時固定(扣件、點(diǎn)焊、綁扎),保留下部一節(jié)大一號的套管約2.3m,向上套接。然后把預(yù)應(yīng)力筋放盤逐根用人力導(dǎo)入套管中由下向上穿筋,直至預(yù)應(yīng)力筋伸直為止,下部一節(jié)套管復(fù)位,上部安上錨具,穿筋即告結(jié)束。本工程采用的保護(hù)套管為Ф102、厚4.5mm的薄壁鋼管,下部一節(jié)套管為Ф114,厚4.5mm。

第2節(jié)

分階段張拉預(yù)應(yīng)力

該工程采用分次遞增地施加預(yù)應(yīng)力,以抵抗或平衡逐次施工階段的荷載撓度,預(yù)應(yīng)力分3次完成;第1次在主桁架安裝后,每道張拉值為400kN;第2次在網(wǎng)架和屋面板安裝后,每道張拉至760kN;第3次在馬道、吊頂、燈具、風(fēng)管等安裝后,每道張拉至1020kN。由于分次張拉間隔時間較長,除初次應(yīng)注意觀察預(yù)應(yīng)力筋有無松弛外,對外露預(yù)應(yīng)力筋的張拉工作長度和錨具應(yīng)作防銹蝕保護(hù)措施(加套管涂油脂等),以免由于銹蝕而影響下一次張拉與錨固。

每榀主桁架四角配套預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備同時同步張拉,先拉內(nèi)束,后拉外束,必要時進(jìn)行一次補(bǔ)張。

第3節(jié)

套管灌漿

最后一次張拉完成后由下而上灌漿,下設(shè)閥門,上設(shè)鐵盒保護(hù)套和泌水孔。壓力灌漿到位后關(guān)閉閥門,卸下灌漿機(jī)頭并在上部泌水孔不斷注漿直到無沉陷凝固為止,最后進(jìn)行鋼套管防銹處理。

第5章

結(jié)語

采用預(yù)應(yīng)力鋼“桁-網(wǎng)架”組合結(jié)構(gòu)屋蓋,在國內(nèi)尚屬首例,它將建筑藝術(shù)與結(jié)構(gòu)技術(shù)相結(jié)合,推動了我國大跨度結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展。

采用勁性柱頂升法施工工藝安裝桁架和螺栓球拼接片式網(wǎng)架,可方便施工,節(jié)省人力物力,且工藝簡單,工期短,質(zhì)量好。

桁架經(jīng)足尺載荷試驗(yàn)和夏季、冬季考驗(yàn),證明體外施加預(yù)應(yīng)力方法成功,相貫連接節(jié)點(diǎn)安全,桁架受力合理均勻,并節(jié)省了鋼材,達(dá)到預(yù)期效果。