索穹顶结构施工全过程分析_张建华.pdf

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1、第 30 卷 第 4 期2008 年 4 月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.30 No.4 Apr.2008索穹顶结构施工全过程分析张建华,张毅刚(北京工业大学建筑工程学院,北京 100022)摘 要:采用非线性时变有限元法,对索穹顶结构在各施工阶段的力学性状进行了全过程跟踪分析,得出施工过程杆件内力和节点位移的演变规律。计算结果表明,部分杆件在施工过程中的最大内力超出设计值的 47%,得出不考虑施工过程的时变效应对结构设计偏于不安全的结论,最后为索穹顶结构的设计和施工提出指导性的建议。关键词:索穹顶结构;

2、施工全过程分析;时变力学;非线性中图分类号:TU 393.5文献标识码:A文章编号:1671-4431(2008)04-0091-04Construction Process Analysis of Cable DomeZHANG Jian-hua,ZHANG Yi-gang(School of Architecture and Civil Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100022,China)Abstract:T he structural characteristics in every construction

3、 stage of cable dome were analyzed.Adopting the theory of non-linear time-varying mechanics,the variations of internal force and displacements were obtained.Numerical results indicated thatmaximum internalforce in construction process was greater 47%than that in designedstate,the paper reached a con

4、clusion thatit was not safe to design if the time varying effect was not considered in the construction process analysis.At last,advices on de-sign and construction of cable dome were made.Key words:cable dome;construction process analysis;time-varying mechanics;nonlinear收稿日期:2007-11-24.基金项目:国家自然科学基

5、金(50278004).作者简介:张建华(1980-),男,博士生.E-mail:zhangjh20002001 索穹顶结构的施工全过程分析是该体系的核心问题。施工全过程分析就是要确定各构件所施加预应力的大小及其施加顺序,分析施工过程中各构件的力学性状,确保施工过程安全顺利进行。索穹顶结构的施工成形过程分析不同于传统结构的施工分析,传统结构的施工分析主要是针对刚性结构,在每一个施工阶段,结构是几何不变的,具有稳定的形态,并具有一定的刚度和承载力,而柔性的索穹顶结构体系在最终成形和未刚化之前都具有机构的性质,但又不是单纯的机构,在整个成形过程中表现为存在一个刚体位移的大变形过程,并使得计算刚度出

6、现奇异,这些因素使得索穹顶结构施工过程分析较为困难。国外在这方面的研究甚少1-2,只有几篇文献对施工过程进行了报道,很少涉及到计算理论上的内容。国内研究者在假定索穹顶结构竖杆作刚体运动的基础上,采用反分析方法对索穹顶结构的成形过程进行了分析 3。文献 4 基于给定了所有非约束点初始位移来试图避免刚体运动,采用悬链线索单元对索穹顶结构的施工过程进行了模拟分析。文献 3 和文献 4 中的刚体位移运动假设和节点位移假定使得在计算方法上可以避免刚度矩阵的奇异,但都不是索穹顶结构成形过程的真实反映,还有待于进一步完善。针对上述的问题,作者在计算时在索中引入初始应变使其具有一定的刚度,有效地避免了计算刚度

7、的奇异,同时摒弃了竖杆刚体运动和节点位移的假设。同时将施工过程中的结构看作时变结构体系,建立了非线性时变有限元方程,考虑了前一施工阶段结构的变位、几何刚度等对后一施工阶段的影响,从而能真实地反映索穹顶结构的实际施工成形过程,为索穹顶结构的施工安全性评估和施工方案的制定提供依据。1 索穹顶结构施工过程时变有限元分析索穹顶结构施工过程复杂、情况多变,整个施工过程分阶段完成,结构的某些荷载如自重、施工荷载、预应力等是在施工过程中逐级施加的,每一施工阶段都可能伴随着结构自身体系转换、边界约束增减、预应力张拉等,不同施工阶段结构具有不同的几何形态和不同的受力状态,即在每个施工阶段结构的几何构型、边界条件

8、、荷载作用不同,这些要素随着施工过程在不断变化,使得结构效应在施工过程中具有时空的演变特征 5-8。施工过程的最终的受力状态不仅仅取决于施工过程,还要取决于分析对象几何、物理参数的时变过程,因此,索穹顶施工过程分析属于非线性时变力学范畴。考虑到几何关系非线性和几何形状、边界条件的时变效应,在第 i 施工阶段,采用 UL(Updated Lagrangian)方法建立时变有限元方程,即(Ki-1L(t)+Ki-1G(t)+Ki-1NL(t)Ui(t)=Fi(1)式中,Ki-1L、Ki-1G、Ki-1NL分别为在第 i-1 施工阶段结构的弹性刚度矩阵、几何刚度矩阵和初应变刚度矩阵;Ui、Fi分别为

9、第i 施工阶段的节点位移列阵和荷载列阵。非线性时变力学问题的数值计算可采用增量法,可以选每个施工阶段的每 1 个施工步为 1 个荷载步,在每个荷载增量改变时计算的运算矩阵同时计入结构几何和边界条件等参数变化。在第 i 施工阶段有 n 个施工步,该阶段的时变结构位移为 Ui=Eni=1Uin(2)最后,根据相应结构位移可以求出在第 i 施工阶段 n 施工步的内力。采用 UL 方法建立的时变有限元方程是基于前一施工阶段变形的基础上,即当前工况分析时考虑了已经完成的结构变形,后一工况的计算是在前一工况的计算结果基础上进行。这样充分考虑了施工过程中结构系统时变的特点,因而计算结果也能真实反应索穹顶施工

10、过程中结构的实际力学行为。2 施工全过程分析在 ANSYS中的实现施工全过程分析必须要考虑构件的安装顺序问题,安装过程中构件是分批参与工作的,模型中某些单元可能有时要增加或删除,这样的问题可以通过 ANSYS 软件中的/单元生死0技术来解决。所谓/单元生死0是在模型中加入或删除材料,使模型中相应的单元或/生0或/死0。单元的/死0,并不是将其从模型中删除,而是将该单元的刚度矩阵乘以一个很小的因子,死单元的载荷、质量等设为 0,这样消除了死单元对结构总刚度的贡献及自重对荷载的影响。单元的/生0也并不是将单元加到模型中去,而是在计算过程中将杀死的单元在适当的载荷步中重新激活,使单元的刚度、质量、载

11、荷等恢复其原来的数值。每激活一次单元,重新计算一次结构刚度,从而实现了对结构总刚度的修正。对应着/单元生死0的命令是 EALIVE 和 EKILL,前者使单元参加承载,后者将单元虚设,并不参与结构的承载。索穹顶结构的施工成形是分阶段逐步完成的,是一个动态的过程,利用 ANSYS/生0与/死0的处理功能和编制程序的功能,在程序中通过将不参与结构整体分析/死0单元逐次激活,就可以实现索穹顶结构动态施工过程的仿真模拟。具体做法是:在进行结构的整体建模分析时,应包括结构全部的节点和单元。将整个施工过程分为若干个阶段,进行第 N 个阶段分析时,将其后续阶段安装的单元指定为/死0单元,这些/死0单元不具有

12、刚度,在进行 N+1 阶段施工分析时,将该阶段安装的/死0单元激活。依次类推,直到激活所有的/死0单元,从而完成了施工全过程的模拟分析。根据以上的思路,在 ANSYS 平台开发了索穹顶结构施工过程时变分析程序 CAPCD(Construction Analysis Program of Cable Dome)9,该程序能够进行结构计算、施工过程分析。程序采用非线性时变有限元法,考虑了施工过程对其结构的影响。3 算 例3.1 计算模型及设计参数以脊索辐射分布直径为62 m 的索穹顶结构为例来进行施工全过程分析。索穹顶结构的平面图、剖面图92 武 汉 理 工 大 学 学 报 2008 年 4 月如

13、图 1、图 2 所示。结构初始预应力分布和杆件截面配置见表 1。索和杆的弹性模量分别为 1.8 105MPa和 2.1 105MPa,索和杆的容重均为 7.85 103kg/m3。表 1 索穹顶结构初始预应力分布及杆件截面配置杆件编号脊索 1脊索 2脊索 3斜索 1斜索 2斜索 3环索 1环索 2竖杆 1竖杆 2初始预应力/kN57.8697.45169.6238.3371.50111.09133.71199.25-18.28-41.24截面/mm22695007312692697317317311 3072 3093.2 计算结果分析考虑到实际施工条件,采用分组分批张拉斜索的施工方法。具体的

14、施工步骤如下:step1,在中心搭临时塔架固定内拉环,连接所有脊索、环索 2 以及竖杆 2 并张拉斜索 3;step2,安装环索 1 和轴线 1、3、5、7、9、11中竖杆 1 并对称张拉相应的斜索 2;step3,安装轴线 2、4、6、8、10、12 中竖杆 1 并对称张拉斜索 2;step4,张拉2、4、6、8、10、12 轴线中的斜索 1;step5,对称张拉其余的斜索 1。应用索穹顶结构施工过程时变分析程序 CAPCD,按照上述施工过程进行分析得到的索、竖杆的内力计算结果见图 3)图 11,图中的 JS1A、JS2A、JS3A、XS1A XS2A、XS3A、HS1A、HS2A、SG1A

15、、SG2A 分别表示轴线 1、3、5、7、9、11 中脊索 1、脊索 2、脊索 3、斜索 1、斜索 2、斜索 3、环索 1、环索 2、竖杆 1、竖杆 2,JS1B、JS2B、JS3B、XS1B XS2B、XS3B、HS1B、HS2B、SG1B、SG2B 分别表示轴线 2、4、6、8、10、12 中脊索 1、脊索 2、脊索 3、斜索 1、斜索 2、斜索3、环索 1、环索 2、竖杆1、竖杆 2。考虑到对称位置的节点位移在施工过程中演变规律相同,限于篇幅,只给出轴线 7 中的节点坐标变化图,见图 12。93第 30 卷 第 4 期 张建华,等:索穹顶结构施工全过程分析 图 3)图 12中列出了结构杆

16、件内力和节点随施工过程的演变规律,施工成形后结构内力和节点坐标均达到了设计状态,说明上述分析方法正确可行。从图 3)图11中可知,脊索 1、脊索 2、斜索 1、斜索 2、竖杆 1、竖杆 2和环索 1 内力的最大值出现在施工过程中,而非最终的设计状态,且最大的超过了设计值的 47%。很显然,如果采用传统的设计方法,不能考虑到施工过程的时变效应,计算结果会处于不安全状态,将会孕育安全隐患。从图12 中可以看出,在张拉过程中,节点经历了大变形过程,主要以竖向位移为主,随着施工过程的推进,节点坐标逐渐接近设计位置。4 结 语采用非线性时变有限元理论,应用有限元仿真软件及其二次开发,实现了索穹顶结构的施

17、工全过程分析。计算结果表明,部分构件内力在施工过程中出现最大值且超过了设计值,在设计和施工时要充分考虑到这些因素,在施工前要对这些构件的强度和稳定性加以复核。按照传统设计方法在使用阶段得到的结果可能导致部分构件在施工过程中处于不安全状态,应该采用时变理论考虑其施工过程的时变效应。因此,设计人员不仅仅要关心最终的设计状态,更要重视结构在施工过程中的力学行为,以确保结构在整个施工过程和工作状态的安全性。参考文献 1 Levy M P.The Georgia Dome and Beyond Achieving Lightweight-long Span StructureA.Proceedings

18、of IASS-ASCE Inter-national SymposiumC.New York:s.n.,1994:560-562.2 Geiger D H.The Design and Construction of Two Cable Domes for the Korean Olympics A.Proceedings of IASS-ASCE In-ternational Symposium on Shells,Membranes and Space FramesC.Osaka:s.n.,1986:265-272.3 袁行飞,董石麟.索穹顶结构施工控制反分析 J.建筑结构学报,2001

19、,22(2):74-78.4 沈祖炎,张立新.基于非线性有限元的索穹顶施工模拟分析 J.计算力学学报,2002(4):466-471.5 曹志远.土木工程分析的施工力学和时变力学基础J.土木过程学报,2001,34(3):41-46.6 李瑞礼,曹志远.高层建筑结构施工力学分析 J.计算力学学报,1996,16(2):157-161.7 崔晓强,郭彦林,叶可明.大跨度钢结构施工过程的结构分析方法研究 J.工程力学,2006,23(5):83-88.8 范志良.结构工程学科中若干计算结构力学问题的研究展望 J.力学进展,1994,24(3):391-398.9 张建华,张毅刚.ANSYS 二次开发技术在索穹顶结构计算程序中的应用 J.四川建筑科学研究,2007(3):21-24.94 武 汉 理 工 大 学 学 报 2008 年 4 月