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1、預應力鋼柑網組合結構屋蓋的設計與施工南京體院體育館平面呈橢圓形,長短軸尺寸為86m62m,館內大廳凈高15m,總建筑面積8780m2,屋面面積約4547m2(圖6-6-1)。屋蓋采用預應力鋼析網組合結構體系,主桁架2/3外露屋面,體現了現代結構技術與建筑藝術有機結合的風格。第1章 屋蓋結構體系選型根據建筑環境特點,為配合建筑造型的需要,經多因素綜合分析比較,選用“桁-網架組合結構體系屋蓋方案,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力較大,為2、改善桁架桿件受力分布不合理性和增強桁架剛度,結合建筑造型,在結構方案上將桁架每端外伸6.5m,并在桁架兩端每角點各斜拉1道預應力筋束,即桁架體外施加預應力(圖6-6-3)。根據不同施工荷載階段分階段外張預應力,以抵抗桁架各荷載狀態下產生的部分撓度,改善桁架受力性能,充分利用各桿件鋼管鋼材的強度。在桁架下弦節點之間和外圍柱頂間,擱置2.3m高正放四角錐平板片式網架,平板片式網架最大跨度24m。由于桁架的設置,大大減小了屋蓋網架的有效跨度,為大面積應用螺栓球節點平板網架提供了方便。采用預應力“桁-網架”組合結構體系,在結構上發揮了主次結構受力特點;桁架2/3高度外露屋面,降低了建筑物高度,滿足了規3、劃要求,協調了建筑環境,并可減小建筑體積,節省能耗,為聲學處理帶來方便。第2章 屋蓋體系構造預應力“桁-網架”組合結構屋蓋設計,關鍵在預應力空間三角形鋼管桁架;桁架的關鍵是體外預應力能否在桁架各桿件中有效建立;而預應力有效建立的關鍵又是桁架支座的性能。設計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l塊上下均為弧形的鑄鋼塊,在鑄鋼塊兩側,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,這樣桁架支座節點即可繞螺栓沿鑄鋼塊上下弧面作一定的轉動和移動(圖6-6-4)。桁架設計的另一關鍵是桁架的節點,計算結果表明,桁架桿件最大拉力約2500kN,最大壓力約1600kN,最大管4、材截面為45025,按傳統空心球節點做法,空心球直徑達l.2m以上,而目前國內空心球模具只能加工800mm球。另據統計,節點所用鋼材一般占總耗鋼量的20%35%。取消空心球節點,采用鋼管直接焊接節點,即相貫連接節點,是本次桁架設計的一大突破。對于鋼管相貫節點的設計計算,現行鋼結構設計規范(GBJ17一88)只有平面相貫節點的強度計算,對于空間節點尚無完備資料。進行空間相貫節點的試驗,無論在技術上、經費上、時間上都有一定難度。為保證桁架相貫節點設計安全可靠,將空間受力分解為平面受力,參照平面相貫節點的強度計算,并適當增加相貫節點強度設計的安全儲備,對受力較大的重要節點的主管采取了加強措施(圖6-5、6-5)。原設計考慮將平板網架懸掛在桁架下弦,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螺栓抗疲勞性能差,為此,本次設計將平板網架拉力支座改為壓力支座。由于網架一端擱置于桁架下弦節點上,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撓度不一,平板網架必然產生次生內力,使設計、計算分析復雜化,故采用平板片式網架,鉸支桁架下弦節點在圓柱上,解決了平板網架由于支座變位產生次生內力的問題。為了使平板片式網架支座接近鉸接,網架支座采用板式橡膠支座。體外預應力筋采用無粘結j15鋼絞線,每束7根。考慮到斜拉索在長期荷載作用下的松弛影響,斜拉索張拉控制應力con=0.35,ptk=5506、N/mm2;考慮到斜拉索的更換,桁架端部每角點斜拉索雙束設置。固定端采用QMl5P擠壓套,張拉端為QMl5-7群錨。保護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 屋蓋結構計算由于桁架按不同施工荷載分階段外張預應力,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力,然后分階段組合,選擇最不利桿件內力,配置鋼管截面。并分別作出端部加單位力的內力圖和下弦節點加單位力的內力圖。各種荷載工況下內力組合見表6-6-1。每種荷載工況下,桿件內力Ni=P1N1i+P2N2i。桁架2/3高度外露屋面,1/3高度在室內,由于室內外溫差對大跨度桁架存在溫度應力問題。為此對桁架鋼管采7、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,考慮到室內工作條件及室內外溫度變化,桁架溫度應力計算參數為:夏季最大溫差t=10,冬季最大溫差t =20。經計算分析,夏季上弦=14N/mm2, 下弦=8N/mm2,冬季上弦=28N/mm2, 下弦 =16N/mm2。第4章 預應力斜拉索施工該工程每榀主桁架重88t,利用8根獨立的支承柱作為基點,每根獨立柱內埋4根角鋼組成勁性柱來頂升就位。第1節 斜拉索安裝基礎外露部分斜拉索安裝基礎外露部分斜拉索預應力筋安裝前,必須把預應力筋的保護套管固定在相應的位置。在鋼管腳手上彈出相應的位置線,然后把保護8、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、點焊、綁扎),保留下部一節大一號的套管約2.3m,向上套接。然后把預應力筋放盤逐根用人力導入套管中由下向上穿筋,直至預應力筋伸直為止,下部一節套管復位,上部安上錨具,穿筋即告結束。本工程采用的保護套管為102、厚4.5mm的薄壁鋼管,下部一節套管為114,厚4.5mm。第2節 分階段張拉預應力該工程采用分次遞增地施加預應力,以抵抗或平衡逐次施工階段的荷載撓度,預應力分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、風管等安裝后,每道張拉至1020kN。由9、于分次張拉間隔時間較長,除初次應注意觀察預應力筋有無松弛外,對外露預應力筋的張拉工作長度和錨具應作防銹蝕保護措施(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應力張拉設備同時同步張拉,先拉內束,后拉外束,必要時進行一次補張。第3節 套管灌漿最后一次張拉完成后由下而上灌漿,下設閥門,上設鐵盒保護套和泌水孔。壓力灌漿到位后關閉閥門,卸下灌漿機頭并在上部泌水孔不斷注漿直到無沉陷凝固為止,最后進行鋼套管防銹處理。第5章 結語采用預應力鋼“桁-網架”組合結構屋蓋,在國內尚屬首例,它將建筑藝術與結構技術相結合,推動了我國大跨度結構體系的發展。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架,可方便施工,節省人力物力,且工藝簡單,工期短,質量好。桁架經足尺載荷試驗和夏季、冬季考驗,證明體外施加預應力方法成功,相貫連接節點安全,桁架受力合理均勻,并節省了鋼材,達到預期效果。