施工误差对弦支穹顶结构性能的影响分析
邱先伟;唐寅
(重庆交通大学;土木建筑学院;重庆400074)
摘要:基于概率统计理论,采用蒙特卡洛法,开展了弦支穹顶结构性能对施工中上部节点安装误差和下部环索预应力损失敏感性分析。对于上部网壳节点定位偏差,弦支穹顶整体结构对上部结构节点定位偏差最敏感位置为第一圈节点Z向定位,结构极限承载力最大下降率为36.67%。对环索预应力偏差在5%范围内、10%范围内及15%范围内的敏感性分析,研究表明弦支穹顶整体结构受力性能对最外圈环索预应力损失最敏感,构极限承载力最大下降率为6.6%。
关键词:弦支穹顶;初始缺陷;节点误差;预应力损失;
Analysis of Influence of Construction Errors on Structural Performance of Suspen-dome
QIU Xianwei;Tang Ying
(School of Civil Engineering & Architecture,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)
Based on the probability and statistics theory, Monte Carlo method was used to analyze the sensitivity of the string-supported dome structure to the installation error of the upper node and the loss of the lower cable prestress. For the positioning deviation of the upper reticulated node, the most sensitive position of the overall structure of the chord-support dome is the Z-direction of the first-circle node, and the maximum reduction rate of the ultimate bearing capacity is 36.67%. For the sensitivity analysis of the cable prestress deviation in the range of 5%, 10% and 15%, the study shows that the overall structural stress performance of the string-supported dome is most sensitive to the prestress loss of the outermost ring cable. The maximum reduction rate of bearing capacity is 6.6%.Based on the probability and statistics theory, Monte Carlo method was used to analyze the sensitivity of the string-supported dome structure to the installation error of the upper node and the loss of the lower cable prestress. For the positioning deviation of the upper reticulated node, the most sensitive position of the overall structure of the chord-support dome is the Z-direction of the first-circle node, and the maximum reduction rate of the ultimate bearing capacity is 36.67%. For the sensitivity analysis of the cable prestress deviation in the range of 5%, 10% and 15%, the study shows that the overall structural stress performance of the string-supported dome is most sensitive to the prestress loss of the outermost ring cable. The maximum reduction rate of bearing capacity is 6.6%.窗体底端
Abstarct:Based on the probability and statistics theory, Monte Carlo method was used to analyze the sensitivity of the suspen-dome structure to the installation error of the upper node and the loss of the lower cable prestress. For the positioning deviation of the upper reticulated node, the most sensitive position of the overall structure of the suspen-dome is the Z-direction of the first-circle node, and the maximum reduction rate of the ultimate bearing capacity is 36.67%. For the sensitivity analysis of the cable prestress deviation in the range of 5%, 10% and 15%, the study shows that the overall structural stress performance of the uspen-dome dome is most sensitive to the prestress loss of the outermost ring cable. The maximum reduction rate of bearing capacity is 6.6%.
Keywords: suspen-dome; initial defect; node installation error;prestress loss
0引言
基于张拉整体思想提出的弦支穹顶结构由上部单层网壳和下部索撑体系两部分子结构组合而成(如下图 1)。在安装过程中可能出现的安装误差包括节点位置定位偏差、杆件初弯曲和初偏心、杆件尺寸及截面尺寸偏差、杆件安装初始应力等[1]。下部索撑体系由于预应力张力施工工程中张拉设备和索力测量系统的局限性,预应力实际值与预应力设计值存在不可避免的误差[2]。单层网壳结构对初始缺陷甚为敏感,索撑体系需施加合理预应力后方能发挥结构优势。因此,施工过程中的各种误差引起的网壳初始缺陷和索撑体系的预应力偏差,必将对结构造成不容忽视的影响。
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目前,研究此类结构的方法有两类方法:一、一致缺陷模态法[3];主要方法是通过 ANSYS 软件线性屈曲求解,得到缺陷分布模式,再通过施加比例因子控制缺陷大小,最后,通过非线性分析求解。二、随机缺陷模态法[3];此方法亦基于 ANSYS 软件,通过 PDS 模块对缺陷进行随机分布,通过大量数据循环模拟符合施工中的随机缺陷分布状况。对上部网壳施工中的缺陷进行特征值屈曲分析,并没有将上部网壳结构细分出每一种缺陷,然后研究对整体稳定性的影响,进而去指导施工中进行上部网壳结构安装应重视的缺陷以及各种缺陷所对应的敏感位置。本文将采用随机缺陷方法研究弦支穹顶上部网壳结构安装节点误差和下部索撑体系预应力损失对整体性能影响。
1工程背景
本文以某弦支穹顶屋盖实例为背景,其立面图如图 2所示,由上部单层网壳(图3)和下部索撑体系(图4)组成。体育馆上部结构采用单层网壳结构,网格使用凯威特网格划分,一共设置 8 圈,杆件之间的连接采用铸钢球节点连接,其杆件布置
如图表 2.1 所示,荷载如表 2.2 所示。下部索撑体系共设置三圈环索、撑杆和径向拉索,其中撑杆高度:第一圈3.9m,第二圈 4.2m,第三圈 4.5m。屋盖下部结构设置 24 根混凝土柱,整个弦支穹顶(图5)屋盖支撑于混凝土柱上。具体杆件布置见表1,具体荷载见表2。
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图 2 立面图 |
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图3上部单层网壳 |
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图4下部索撑体系 |
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图5整体模型 |
表1弦支穹顶结构杆件布置 |
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杆件位置 |
杆件规格 |
杆件位置 |
杆件规格 |
单层网壳环向杆第一圈 |
F 325*8 |
单层网壳径向杆第一圈 |
F 325*8 |
单层网壳环向杆第二圈 |
F 325*8 |
单层网壳径向杆第二圈 |
F 325*8 |
单层网壳环向杆第三圈 |
F 325*8 |
单层网壳径向杆第三圈 |
F 325*8 |
单层网壳环向杆第四圈 |
F 325*10 |
单层网壳径向杆第四圈 |
F 325*8 |
单层网壳环向杆第五圈 |
F 325*10 |
单层网壳径向杆第五圈 |
F 325*8 |
单层网壳环向杆第六圈 |
F 325*12 |
单层网壳径向杆第六圈 |
F 325*8 |
单层网壳环向杆第七圈 |
F 325*10 |
单层网壳径向杆第七圈 |
F 325*8 |
单层网壳环向杆第八圈 |
F 325*12 |
单层网壳径向杆第八圈 |
F 325*8 |
索撑体系第一圈撑杆 |
F 194*5 |
索撑体系第二圈撑杆 |
F 219*7 |
索撑体系第三圈撑杆 |
F 219*7 |
第一圈环索 |
53 F 7 |
第二圈环索 |
73 F 7 |
第三圈环索 |
110 F 7 |
第一圈径向拉杆 |
F 40 |
第二圈径向拉杆 |
F 60 |
第三圈径向拉杆 |
F 80 |
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表2荷载作用 |
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屋面恒载 |
屋面活载 |
0.85kN/㎡ |
0.5kN/㎡ |
弦支穹顶上部单层网壳结构有环向杆和径向杆,网格划分采用凯威特型,杆件交错形成节点数多且受力复杂,杆件与杆件之间采用铸钢节点连接;下部索撑结构体系中撑杆与上部网壳结构的连接通过销相连,环向索通过索-杆铸钢节点与撑杆相连,支座采用焊接球节点。通过 ANSYS 软件对结构进行建模时,上部网壳结构杆件均采用梁单元 BEAM188 模拟,下部索撑体系中撑杆和径向拉杆则采用 LINK8 单元模拟,环向索施加预应力且具有只拉不压的特点则采用 LINK10 杆单元模拟环向索。弦支穹顶结构有限元模型的约束采用径向释放的双铰支座来模拟结构的边界条件。
通过实际工程的测量以及大量数据表明,节点定位偏差在概率统计的角度可以将其看成服从正态分布[4],根据《空间网壳规范》规定允许节点误差不能超过,其中l为弦支穹顶跨度。通过计算出弦支穹顶结构各节点的理论坐标值,在各节点理论坐标值后加一变量DWPC_X1,DWPC_Y1及DWPC_Z1,其相应的表达方式可以表示为:(X1+
DWPC_X1(Y1+DWPC_Y1)以及(Z1+DWPC_Z1)。假定节点安装误差最大值为R(),那么相应变量的均值为0,对于方差,选用“
”法则,误差绝对值大于
的概率仅为0.3%,可近似认为
,即
。
定义上部结构杆件连接节点理论坐标为随机变量值,节点定位偏差服从高斯分布,循环模拟次数为1000次。首先根据结果响应检验模拟循环次数是否足够,若随机变量的均值与方差呈现逐渐收敛则循环次数足够,在通过1000次模拟得到随机变量历史抽样曲线图,根据图图6a~c表示随机变量节点定位偏差(DWPC_X1、DWPC_Y1和DWPC_Z1)标准差样本曲线图,图中均值与方差呈现逐渐收敛的趋势,表明抽样次数足够。图7表示随机变量定位坐标1000次随机抽样过程中的值且服从正态分布,根据正态分布图所知每一次随机变量值均控制在内,表明建模各项数据均正确。
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图6(a)DWPC_X1标准差曲线图 |
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图6(b)DWPC_Y1标准差曲线图 |
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图7 (a)DWPC_X1分布值 |
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图6(b)DWPC_Y1标准差曲线图 |
以极限承载力为目标,图8记录下1000次节点定位随机抽样过程中弦支穹顶结构极限承载力直方图。通过图8知在1000次抽样过程中随机缺陷分布模式下最小的承载力为11.524kN/㎡,理想状态弦支穹顶结构的最大承载能力为18.224kN/㎡,由此可知抽样中最不利的节点定位偏差分布模式下,相较与理想状态的弦支穹顶结构极限承载力下降率为36.76%。且只要发生节点定位偏差,便会对弦支穹顶结构极限承载力产生影响,直方图中显示最大的承载力16.08kN/㎡,下降率为:11.76%,通过对结构响应进行分析,可知弦支穹顶上部网壳结构节点定位偏差对整体结构极限承载力有较大影响,节点定位偏差对弦支穹顶结构极限承载力影响大致范围为11.76%~36.76%,因此施工中应对节点定位进行精确的测量。
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图8极限承载力直方图 |
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图9节点定位偏差对Load的敏感趋势图 |
针对弦支穹顶结构性能对节点定位偏差敏感趋势图分析。图9表示弦支穹顶结构极限承载能力对上部网壳节点定位偏差敏感性,结合ANSYS模型可知DWPC_Z1、DWPC_Z2、DWPC_Z3、DWPC_Z4、DWPC_Z5、DWPC_Z6、DWPC_Z7属于最内圈Z向节点坐标,表明弦支穹顶结构性能对网壳第一圈节点Z向定位偏差敏感性显著;DWPC_Z8、DWPC_Z10、DWPC_Z12、DWPC_Z16属于第二圈Z向节点坐标,弦支穹顶结构性能对网壳第二圈节点Z向定位亦表现出较大的敏感性;弦支穹顶结构性能对网壳其他圈节点表现出的敏感程度远远低于第一圈和第二圈节点Z向定位,因此可以忽略。根据敏感趋势图:弦支穹顶结构性能对第一圈和第二圈节点Z向坐标偏差敏感,施工中应对第一圈和第二圈节点进行精确定位。
3施工中弦支穹顶预应力损失敏感性分析
3.1施工中弦支穹顶下部索撑结构体系预应力误差产生和分布
弦支穹顶结构比单层网壳结构更具有优越的受力性能,关键在于弦支穹顶下部结构索撑体系中引入预应力,使结构形成刚柔结合的高性能钢结构,而预应力的损失无疑是世界各国都面临的一个难题。施工中造成弦支穹顶结构索撑体系中环索预应力损失的因素很多,影响预应力损失因素最大的是节点处摩擦损失以及张拉顺序。对于张拉顺序,施工过程中预应力施加有张拉环索、张拉径向杆及撑杆顶升,由于张拉环索效率比其他两种方法更高,故大多工程采用张拉环索。以本文模型为例:
依次张拉:各圈环索预应力的施加分三次张拉。张拉工序:张拉前准备→张拉最外圈环索第一次→张拉最外圈环索第二次→张拉最外圈环索第三次→张拉中间圈环索第一次→张拉中间圈环索第二次→张拉中间圈环索第三次→张拉最里圈环索第一次→张拉最里圈环索第二次→张拉最里圈环索第三次,按照此张拉工序进行时,当最外圈环索第三次张拉达到最外圈设计预应力值,接着张拉中间圈,张拉中间圈环索时,由于中间圈环索张拉会通过撑杆对上部结构造成进一步顶升,相应会造成最外圈拉索松弛即预应力值减小,同理,张拉最里圈环索时会进一步增加最外圈环索预应力的损失同时会造成中间圈环索预应力的损失。依次张拉工序所造成的预应力损失程度排序为:最外圈、中间圈、最里圈。
循环张拉:各圈环索预应力的施加分三次张拉。张拉工序:张拉前准备→张拉最外圈环索第一次→张拉中间圈环索第一次→张拉最里圈环索第一次→张拉最外圈环索第二次→张拉中间圈环索第二次→张拉最里圈环索第二次→张拉最外圈环索第三次→张拉中间圈环索第三次→张拉最里圈环索第三次,依据此工序,每循环一次张拉都能弥补上一次张拉所造成预应力的损失,而最后一次循环张拉同样会对最外圈及中间圈环索内力造成损失。对于循环张拉工序所造成的预应力损失程度排序为:最外圈、中间圈、最里圈,但循环张拉所造成的预应力损失是小于依次张拉。
以某圈环索张拉为例如图10 所示,此圈环索张拉设置两处张拉点并且同时同步进行张拉,当拉力通过12 号节点时,由于节点与拉索之间存在滑动摩擦力会削弱拉力,进而传递到12 号节点与1 号节点之间的拉力受到滑动摩擦的影响下使拉力减小,造成12 号节点与1 号节点之间索段内力小于张拉处索段内力,同理,1 号节点与2 号节点之间索段通过1 号节点处滑移摩擦损失,1 号节点与2 号节点之间索段内力会进一步减小。索力通过节点越多,所造成的预应力损失越大,即离张拉点越远的索段,其内力越小,滑移摩擦造成的这种预应力呈现不均匀分布。
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图10环索张拉示意图 |
3.2弦支穹顶下部结构预应力损失数学模型及方法
弦支穹顶索撑体系中环索的索力与设计值之间不可避免地产生偏差,产生的偏差从概率统计理论的角度来看可以近似服从正态分布。实例采用张拉环索施加预应力。由于循环张拉摩擦损失会形成同圈分段索的内力不同,根据此因素在节点处设置滚动减少摩擦损失,因此可以看做同一圈环索中每段内力近似相等,环索材料采用为钢丝绳,环索从里向外预应力设计值为488kN、816kN 及1520kN。根据王树(2007)等在对该羽毛球馆索撑节点进行预应力摩擦损失理论分析时,将分析结果与施工监测值进行比较时也指出依据实测环索张拉伸长值计算出的预应力损失值显示各索撑节点预应力损失差异较大,最大损失高达21%,根据此结论将模拟研究弦支穹顶结构性能对预应力偏差在5%范围内、10%范围内及15%范围内敏感性,预应力设计值、预应力损失标准值和方差值详见表3。
表3预应力设计值、预应力损失标准值和方差 |
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预应力设计值 |
第一圈(P1) |
第二圈(P2) |
第三圈(P3) |
预应力设计值(kN) |
488 |
816 |
1520 |
5%范围内方差/(kN) |
8.13 |
13.6 |
25.3 |
10%范围内方差/(kN) |
16.27 |
27.2 |
50.67 |
15%范围内方差/(kN) |
24.4 |
40.8 |
76 |
3.3结构承载能力对环索预应力损失敏感性分析
3.3.1环索偏差 5%范围内敏感性分析
依据蒙特卡罗法结合张力补偿法和稳定理论分析将预应力各圈环索定义为随机变量(P1、P2、P3)引入进弦支穹顶有限元模型中,通过多次抽样模拟得到随机变量的样本数据,观察随机变量与响应之间映射出的数据是否满足概率统计,若满足则表示所设定抽样次数足够,能模拟出实际工程误差情况。待 ANSYS 软件分析完成后,可查找随机变量响应数据的均值与标准差历史曲线图,均值与标准差呈现逐渐收敛趋势说明此次分析成功。由于预应力损失值服从正态分布,因此设定其设计值为标准值(P1、P2、P3),其方差则为 0.05*P1/3、0.05*P2/3 以及0.05*P3/3,列出环索预应力值偏差 5%范围内随机抽样过程中进行找力分析所寻找的初应变值,其值随着环索预应力值的变化经过找力分析寻找出的初应变值。从中可以看出预应力值一经改变,所对应的初应变值经过找力分析亦会发生变化,故此说明对弦支穹顶结构进行分析时找力分析是个必要的过程;图 11 表示 200 次随机抽样过程中随机变量历史响应曲线图,从图中可以看出 P1、P2、 P3 的均值与标准差曲线走势呈现逐渐收敛趋势,标志着所设定 200 次随机抽样次数足够,建立的有限元模型以及各方面数据都正确。
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(a)P1标准差历史曲线图 |
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(b)P2标准差历史曲线图 |
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(c)P3标准差历史曲线图 |
图11 随机抽样模拟过程结构响应的方差历史曲线图
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