宜兴文化中心幕墙拉索张拉过程数值分析*
秦山虎’，陈涛’，顾祥林'，李立树”，丁明华”，王飞”（1.同济大学，上海200092；2.华东建黄设计研究院有限公司，上资200002；3.北京建工集团有限资任公司，北京100055）
[摘要】以宜兴文化中心大跨度星盖、饮接柱及箱形曲聚主体钢结构体系与预应力控索玻璃事境张控施工过程中的主次结构共同工作为背景，对复杂结构体系在预应力索张拉的全过程进行数值仿真分析.基于选取的张控原则，对预应力索采用3阶段，21子步，共63步的张拉方案；采用有限元软件ABAQUS对全程进行模拟：重点阐述了 关键部位的变形和应力水平.分析表明主体结构的最大Mistes应力在该方案下平稳增长，最终预应力拉素应力水平能够达到目标值.
[关键调]预应力；紫；饺接柱；有限元分析；张控
[中图分类号]TU767 [文献标识码]A
[文章编号]1002-8498（2013)21-0007-03
Numerical Analysis on Cables Tension of Glass Curtain Wall inYixing Cultural Center
Qin Shanhu' Chen Tao' Gu Xianglin’ Li Lishu” Ding Minghua” Wang Fei?2. East China Archiaectaral Design & Researeh Instiute Co. Lad. Shanghai 200002 China ; (1. Tongji Unisersity Shanghai 200092 Chins;3. Bejing Constrnetion Engineering Group Co. Lad. Bejing 100055 China)
Abstract; This paper investigated the interaction between primary strueture and secondary structureduring the tension process of curtain-wall cables. The primary structure consists of large span roef columns with hinged ends and curved beams with reetangular cross seetion based on the prototype ofYixing Culture Center. Three stages tensioning scheme was proposed and every stage prises 21 stepsbased on certain principle. Commercial software package ABAQUS with finite element method was employed to simulate the whole process of construetion. Thereafer deformation and stress level of keylocations were obtained. The numerical analysis indicates the maximum Mises-stress increased smoothlyafter this tension scheme. Finally the stress level of cables was achieved.
Key words:prestressing: cables; columns with hinged ends; finite element analysis; tension
用，是目前幕墙研究的重点.特别是预应力拉索与主体结构相连接，两者之间的协同工作问题研力拉索体系组成的玻璃幕墙；上端为箱形曲梁，下究还不够充分；拉索在张拉施工过程中与主体结构端与地面错固装置连接，为单向预应力柔性支撑； 的相互影响更需要关注*）.本文以江苏宜兴文化最高处约27m，长度达163m，宽激通透（见图1）.
以预应力拉索为支承结构的玻璃幕墙体系结提供科学依据.
构简洁、通透美观，在现代建筑工程中得到广泛应1结构体系
宜兴文化中心大剧院正立面为竖向单层预应中心大剧院主立面幕墙为例，采用有限元软件曲梁偏心连接在由21根最大直径为1.2m的钢管ABAQUS对张拉顺序进行全过程模拟；综合考虑预柱组成的主体结构上.两柱之间由四分格单向受应力拉索与结构主体之间的协同工作，分级张拉施力索组成，竖向采用直径为42mm的不锈钢拉索，用工过程中前后步骤的相互影响；最终为项目的实施以承受水平和竖向荷载.钢管柱两端采用铰接支 座方式分别与地面和钢屋架连接.
钢曲梁与钢管柱外切焊接连接（见图2），曲梁按截面大小分为L-A和L-B两类，钢管柱按直径不同分为Z-A和Z-B两类.
Fig.1Main facade of grand theater 图1宣兴文化中心大剧院主立面in Yixing Cultural Center
图2钢梁柱连接方式Fig.2 Connection of steel beams and columns
屋盖体系由纵横两向钢桁架以及钢梁组成，其中横向钢桁架GHJ-A连接于21根柱的顶端，纵向7福钢桁架大致均匀布置并与CHJ-A及GHJ-B相连接；钢屋盖体系边界部分刚接于混凝土框架主体结 构（见图3）.整个结构设计独特，受力状况复杂，特别是在施工过程中需要考虑预应力拉索在张拉过程中对整个结构的影响.
本文主要关注预应力索的施工过程，如果能够对每根索进行同步张拉，一次就能达到方案的预设应力水平，但这是不现实的：需要采用分批次的方
2结构模型建立及分析
1)建立有限元模型
2）协同工作机理
法进行张拉，这就涉及张拉顺序的选择；同时为维 持整体结构的平衡和避免局部构件或节点强度不足而破坏，应对预应力拉索进行分级张拉.
采用有限元软件ABAQUS对结构及张拉过程进行数值模拟，分析体系的力学性能.钢材主要为 Q345B，部分连接处桁架构件采用Q390GJZ，弹性模量为2.1×10MPa.预应力拉索的有效截面积为1041.94mm²，弹性模量为1.3×10MPa，线膨胀系数为1.8×10/C，极限拉力为1314.41kN，钢索设计预拉力为438kN，为极限拉力的33.32%.
根据具体尺寸分别对箱形曲梁、钢管柱、桁架、型钢梁及拉索建立模型（见图4），拉索定义为只能受拉、不能受压.根据图2所示梁柱连接方式，在建模时采用MPC-beam连接方式：柱顶和柱脚均为铰接；梁端与混凝土柱连接部分为刚接.
预应力索在张拉过程中使主体结构如曲梁产生变形，变形将使索中的应力减少；另一方面是多根预应力索在张拉过程中会互相影响：整个体系处于复杂的相互作用状态.在数值模拟过程中，采用缩的物理性质，对拉索采用降低温度的方法产生预 等效降温法对拉索施加预应力，即根据物体热账冷拉应力；该方法能够有效模拟分级张拉过程中的预应力变化情况.
为初步展示协同工作机理，对预应力拉索降低值/（材料膨胀系数×弹性模量），对应的应变为 温度180℃，计算公式为：降低温度=预应力设计420MPa，此处称为一次降湿法.降温后，提取实际的拉索应力值并与设计值进行比较，发现相对于设计值，实际预应力值存在不同程度降低（见图5）：原因是钢箱梁在预应力索作用下产生变形，致使拉索应力值减小.
Fig.3Part of the plan of steel roof 图3部分钢屋架平面示意
Fig. 4 Simulating model 图4仿真模型
图6每阶段子步示意Fig.6 Steps of every tension stage
图5一次降温后拉索实际应力Fig. 5 Actual cable stress after firstly cooling
面，两柱之间的4根拉索在张拉过程中相互影响较大.
3）张拉顺序
根据现有的设备及施工情况，拟对幕墙拉索采用分段张拉方案.依据的原则是先张拉箱形曲梁变形最大的区域，然后再张拉箱形曲梁变形较小的区域.为使整个结构在张拉过程中受力缓慢增长，对拉索分3级应力水平进行张拉，分别施加到预应 力目标水平的40%，70%，100%，对应的拉索应力分别为168，294，420MPa.为减少计算工作量，以两柱之间的4根拉索为基本张拉对象，每阶段需要建立21个张拉子步，张拉的顺序依据一次降湿法后的曲梁变形（见图6）：张拉共分3个阶段，预计63个 子步（不包括完成后的部分调整）.第1阶段张拉完成后，会出现部分索应力水平未达到设计值的情况，需要在第2阶段进行补足；3个阶段全部张拉完成后，对部分未达到目标值的拉索进行补充张拉.
Fig. 7 Change of cables stress 图7拉索应力变化示意
力水平进行获取，发现均处于较小值；主体结构（除 子步分析过程中对屋盖、柱及桁架的变形和应拉索外）最大Mises应力的变化情况如图8所示.
3数值分析结果
由图8可以看出，应力随着荷载步的增加逐步增长，未观察到突变：最大Mises应力位置随荷载步有所变化，但均位于梁柱节点处.
数值分析后能得出每根拉索随张拉子步的变化情况.图7为柱ZA11与ZA12之间4根索的应力随荷载步的变化情况，拉索的最终应力值均在目标值附近，同样的规律也出现在其他两柱之间.但对于ZB柱之间区域，位于两柱中间的拉索最终应因是连接ZB柱的曲梁L-B截面小于L-A曲梁截 力值与目标值有一定的误差，需要进行微调.其原
4结语
本文对玻璃幕墙拉索进行了张拉过程的数值模拟.分析表明，主体结构与预应力索在张拉阶段相互影响，必须考虑协同作用.采用三阶段、多步
（下转第12页）
（上接第9页）
参考文献：
万方数据
及进度，根据现场的吊装机械设备条件，采用300： 履带式起重机高空分块安装.
2）吊装分块划分根据现场施工条件及300t履带式起重机的性能参数，将整个网壳分成3块进行吊装，如图5所示.
图5吊装分块示意Fig.5 Lifting blocks
分块边缘悬挑杆件通过角钢进行临时加固以减少结构变形，从面可以提高高空对接精度，如图6所示.
图6对接处加固示意Fig.6Reinforcement of connection joints
分块2，最后安装分块3.网壳安装完成后，按焊接 3）网壳安装流程首先安装分块1，然后安装工艺要求和次序焊
Fig.8 The maximum Mises stress of main structure 图8主体结构最大Mises应力变化情况
骤的张拉方案，能够实现预定张拉的目标值，且能够为施工阶段的安全性提供科学依据. 够使主体结构的内力缓慢增长.数值仿真结果能
[ 1 ] Helbig T Gabler M Oppe M. Dubai inerational airportexpansin A self-adjusting prestree tensi d facade sytem
4结语
参考文献：
接.在安装、焊接过程中，对网壳的安装标高及挠 度进行跟踪测量.发现有较大偏差时，立即采取有效措施解决.
4）典型分块吊装仿真分析为保证分段在吊装过程中的应力、变形满足规范要求，对典型网壳析，计算时考虑吊装动力系数1.2，钢丝绳直径为 分块的吊装采用有限元软件Midas8.0进行计算分45mm.经计算，在吊装过程中，分块1整体变形为15mm，吊索变形为5mm，则分块1绝对变形为15mm，分块1杆件最大组合应力为61N/mm²<310N/mm².满足规范要求. 宜兴文化中心图书馆采光天窗为大跨度、空间双曲面单层网壳，节点形式为铸钢件，结构形式新颖复杂.对网壳结构形式进行分析，结合现场施工条件，采用”地面整体预拼装大型履带式起重机 分块安装”的施工技术，并在施工过程中使用有限元软件进行辅助模拟分析，安全、高效、精确地完成了整个施工过程，取得了良好的效果. [1]江苏沪宁钢机股份有限公司，宜兴市文化中心施工组织设计 [R].2012.[2]中国建筑科学研究院，JGJ7-2010空间网格结构技术规程[3]同济大学，清华大学，CECS235:2008铸钢节点应用技术规范 [S].北京：中国建筑工业出版社，2010.[S]北京：中国计划出版社 2008.[4]中国建筑股份有限公司.GB50755-2012钢结构工程施工规 范[S].北京：中国建筑工业出版社 2012.[5]冶金工业部建筑研究总院.GB50205-2001钢结构工程施工质量验收规范[S].北京：中国计划出版社，2001. 68-74. with parmetric desigs [ J]. Steel Constructin 2010 3 (2); [2]冯若强，武岳，沈世制，考虑玻璃参与工作的单层平面索网募墙结构静力性能研究[J].建筑结构学报，2005.26（4）： 99-106. [ 3 Wang Y Ws L Shi Y et al. FEM analysis and espermentalstudy on mnolayer cable net for glass facades; static perfoemance [J]. Advanes in Struetural Engineering 2007 10 ( 4):371-382. [4]唐峰，唐际字，符水辉，等，昆明新机场航站楼基于钢彩带 的拉索玻璃幕墙张拉施工[J].施工技术，2012 41（5）：11-14.
