一种用于轮辐式屋盖结构的施工张拉控制方法 【技术领域】
本发明涉及轮辐式屋盖索系结构的一种施工张拉控制方法，属于施工技术领域。
背景技术
轮辐式屋盖结构是一种崭新的结构形式，其主要由支承柱、外压环、内环以及连接二者的径向索组成。外压环一般采用箱形截面、钢管桁架或混凝土结构制作；内环形式多样，主要分为柔性环与刚性环，视径向索的结构形式而定；径向索有单索、索桁架等各种形式。
与刚性结构的受力原理完全不同，轮辐式屋盖结构属于张拉结构，通过给径向索施加预应力才能形成结构的屋面刚度，在屋盖径向索张拉完成后达到初始预应力态。与刚性结构的施工完全不同，轮辐式屋盖结构的施工更为复杂，一般要对屋盖整体张拉完成。
针对刚性结构通常采用的施工方法有：胎架支承法，整体提升法，整体滑移法，折叠式整体提升法等；此类施工方法着重在于解决如何在施工过程中克服结构重力的问题；而由索组成的柔性屋盖结构，其施工安装的难点在于预应力的建立，关键在于索的张拉，针对刚性结构的一系列施工方法不再适用。
如今，对索实施张拉是预应力结构的普遍施工方法，张拉时一般需对结构索力实施单控或者对索力与几何位形实施双控；对于象张弦梁这类构造简单的单索张拉结构，张拉时对索力单控便能很容易满足结构设计要求。但是，对于由多索组成的轮辐式屋盖结构，由于整个屋盖由多索编织而成，索系之间相互作用较强，其中一根索力的调整都会影响到整个屋盖索力与几何位形的变化。因而，在张拉到位后，很难通过调整索力实现对轮辐式屋盖结构索力与几何位形的控制。
本发明针对轮辐式屋盖索系结构提出了一种定尺定长制作与整体张拉的施工控制方法。采用这种方法，通过计算机模拟获得各构件与拉索的精确下料尺寸并进行构件与拉索的加工，在加工过程中对拉索的长度误差进行一定的控制，再依据下料尺寸按照一定的程序在地面组装屋盖体系；在每一根径向索与外压环梁的目标连接位置处设置一个穿心式液压千斤顶，利用工装索穿过穿心式液压千斤顶并连接径向拉索索头，启动液压千斤顶并按照一定的顺序对工装索进行张拉，便能实现径向索索头朝环梁目标连接位置处的移动；待拉索索头达到设计位置后停止张拉，并将拉索索头固定在外压环梁预先设置的耳板上，此时拆除工装索，完成索系的张拉施工。按照这种方法张拉成型的屋盖结构，其索力与几何位形均能够精确满足结构的设计要求。
这种对轮辐式屋盖索系采用的定尺定长制作与整体张拉的施工控制方案，不仅可以提高工作效率，缩短工期，而且通过机电液一体化控制方法，实现对张拉过程的严格控制，且在张拉完成时，索力与屋盖几何位形均能够精确满足结构的设计要求。
【发明内容】
本发明提出一种适用于轮辐式单层索系屋盖结构的施工张拉控制方法，即定尺定长制作与整体张拉的施工张拉控制方法。所述轮辐式单层索系屋盖结构由径向拉索、内环构件、外压环梁、支承柱组成；外压环梁支承在支承柱上，而内环构件通过径向拉索与外压环梁相连；所述定尺定长制作与整体张拉的施工方法，其特征在于，是在一个由模拟分析模块、定尺定长制作模块、索长误差测定模块、拼装模块、张拉模块组成的施工控制系统中按照下述步骤实现的：
步骤1：组建施工控制系统，包含如下模块：
(1)模拟分析模块；(2)定尺定长制作模块；(3)索长误差测定模块；(4)拼装模块；(5)张拉模块；所述模拟分析模块包含内嵌有限元分析模块；
步骤2：进入所述模拟分析模块对所述轮辐式单层索系屋盖结构进行模拟分析，具体按下述步骤进行：
步骤2.1：向所述模拟分析模块中输入所述轮辐式单层索系屋盖结构的结构参数，包括：
(1)结构构件的类别与数目，包括：径向拉索a根，外压环梁b根，内环构件c根，支承柱d根；其中，内环构件为内环柔性拉索或内环刚性构件；其中，a≥1，b≥1，c≥1，d≥1；
(2)材料属性，包括：拉索的弹性模量Ec，刚性构件的钢材的弹性模量Es；若内环构件为内环刚性构件，所述拉索仅包括径向拉索，所述刚性构件包括支承柱、外压环梁与内环刚性构件；若内环构件为内环柔性拉索，所述拉索包括径向拉索与内环柔性拉索，所述刚性构件包括支承柱与外压环梁；
(3)各构件的截面属性，包括：外压环梁的截面形式与尺寸，支承柱的截面形式与尺寸，内环构件的截面形式与尺寸，拉索的截面面积{A}；
若内环构件为内环刚性构件，则，
{A}=A1A2···Aa;]]>
其中，Ai为第i根径向拉索的截面面积，1≤i≤a；
若内环构件为内环柔性拉索，则，
{A}=A1A2···Aa+c;]]>
其中，A1～Aa为径向拉索的截面面积，Aa+1～Aa+c为内环柔性拉索的截面面积；
(4)拉索的张拉目标长度{L}与拉索张拉目标内力{T}
若内环构件为内环刚性构件，则，
{L}=L1L2···La;]]>{T}=T1T2···Ta;]]>
其中Li为第i根径向拉索的张拉目标长度，Ti为第i根径向拉索的张拉目标内力，1≤i≤a；若内环构件为内环柔性拉索，则，
{L}=L1L2···La+c;]]>{T}=T1T2···Ta+c;]]>
其中L1～La为径向拉索的张拉目标长度，La+1～La+c为内环柔性拉索的张拉目标长度；T1～Ta为径向拉索的张拉目标内力，Ta+1～Ta+c为内环柔性拉索的张拉目标内力；
(5)刚性构件控制点的设计目标坐标，包括：所述刚性构件控制点的个数n，所述刚性构件控制点的设计坐标{U}；所述刚性构件控制点位于刚性构件与刚性构件的拼接处，及刚性构件与柔性构件的连接处；
{U}=U1U2···Un=x1y1z1x2y2z2···xnynzn;]]>
其中，xm，ym，zm分别为第m个控制点地设计目标坐标在三个方向的分量，1≤m≤n；
(6)拉索长度误差允许值{ε}：
若内环构件为内环刚性构件，则，
{ϵ}=ϵ1ϵ2···ϵa,]]>
其中，εi为第i根径向拉索的制作长度误差允许值，1≤i≤a；
若内环构件为内环柔性拉索，则，
{ϵ}=ϵ1ϵ2···ϵa+c,]]>
其中，ε1～εa为径向拉索的制作长度误差允许值，εa+1～εa+c为内环柔性拉索的制作长度误差允许值；
{ε}的各分量按照下述规则取值：若第i根拉索长度小于50m，εi取为15mm；若第i根拉索长度大于50m，小于100m，εi取为20mm；若第i根拉索长度大于100m，εi取为索长的1/5000；
步骤2.2：将上述数据输入到内嵌有限元分析模块中，在该模块中建立结构整体分析有限元模型，并计算出刚性构件处于目标位形{U}以及拉索处于目标内力{T}的状态；然后“杀死”所有的拉索单元，使所有的拉索单元均处于零应力状态，此时读取各控制点发生变形为{ΔU}；
{ΔU}=ΔU1ΔU2···ΔUn=Δx1Δy1Δz1Δx2Δy2Δz2···ΔxnΔynΔzn;]]>
步骤2.3：模拟分析模块将所有数据传递给定尺定长制作模块，包括所述结构参数与模拟分析中各控制点发生的变形{ΔU}；
步骤3：进入定尺定长制作模块，定尺定长制作模块接收模拟分析模块传递的数据，进行构件的下料加工，具体按下述步骤进行：
步骤3.1：以{L0}作为各拉索的下料长度进行拉索的加工：
若内环构件为内环刚性构件，则，
{L0}=L01L02···L0a=L1/(1+T1/EcA1)L2/(1+T2/EcA2)···La/(1+Ta/EcAa);]]>
其中L0i＝L0i/(1+Toi/EcA0i)为第i根径向拉索的下料长度，1≤i≤a；
若内环构件为内环柔性拉索，则，
{L0}=L01L02···L0,a+c=L1/(1+T1/EcA1)L2/(1+T2/EcA2)···La+c/(1+Ta+c/EcAa+c);]]>
其中，L01～L0a为径向拉索的下料长度；L0，a+1～L0，a+c为内环柔性拉索的下料长度；
步骤3.2：以{U0}作为刚性构件各控制点的下料放样坐标，进行刚性构件的加工；
{U0}={U}+{ΔU}=x1+Δx1y1+Δy1z1+Δz1x2+Δx2y2+Δy2z2+Δz2···xn+Δxnyn+Δynzn+Δzn;]]>
步骤4：进入索长误差测定模块，对拉索的制作误差进行测定，具体按照下述步骤进行：
步骤4.1：使用通用长度测量工具测量拉索的实际长度为{L1}，可得到拉索的制作误差为{ΔL}＝{L1}-{L0}，
若内环构件为内环刚性构件，则，
{L1}=L11L12···L1a;]]>{ΔL}={L1}-{L0}=L11-L01L12-L02···L1a-L0a;]]>
其中，L1i为第i根径向拉索的实际长度，ΔLi＝L1i-L0i为第i根径向拉索的制作误差，1≤i≤a；
若内环构件为内环柔性拉索，则，
{L1}=L11L12···L1,a+c;]]>{ΔL}={L1}-{L0}=L11-L01L12-L02···L1,a+c-L0,a+c;]]>
其中，L11～L1a为径向拉索的实际长度，L1a～L1，a+c内环柔性拉索的实际长度；ΔL1～ΔLa为径向拉索的制作误差，ΔLa～ΔLa+c为内环柔性拉索的制作误差；
步骤4.2：若{ΔL}中的所有分量均满足ΔLk≤εk，则退出索长制作误差测定模块，进入步骤5；若其中有ΔLs＞εs，则重新进入步骤3，即进入定尺定长制作模块中，调整第s根拉索尺寸，待其调整完毕后重复步骤4.1和4.2，直至所有的拉索误差均小于误差允许值，即{ΔL}中的所有分量均满足ΔLk≤ζk；
步骤5：进入拼装模块，具体按下述步骤进行：
步骤5.1：将在定尺定长制作模块中加工得到的支承柱、外压环梁、内环构件进行拼装：按照控制点的放样坐标{U0}拼装支承柱，再按照控制点的放样坐标{U0}在支承柱顶部拼装外压环梁，并在结构的平面中心位置的地面上拼装内环刚性构件或连接内环拉索；
步骤5.2：在外压环梁与径向拉索的目标连接位置处布置穿心式千斤顶；将径向拉索一端连接在内环刚性构件或内环拉索上，另一端连接在工装索上；工装索的一端与径向拉索相连，另一端穿过穿心式千斤顶；
步骤6：进入张拉模块，进行径向拉索的张拉，具体按照下述步骤进行：
步骤6.1：进行径向拉索的预张紧：控制各穿心式千斤顶，对各工装索进行张拉，使第i根径向拉索的内力达到Ti/100，1≤i≤a，，暂停张拉；
步骤6.2：在完成步骤6.1后，以各径向索与外压环梁的连接索头当前所在位置到连接索头的目标位置之间的距离{δ}作为控制变量；
{δ}=δ1δ2···δa;]]>
其中，δi为第i根径向拉索与外压环梁的连接索头的当前所在位置到其目标位置之间的距离，1≤i≤a；
向张拉模块输入分级张拉方案：
(1)整体张拉分j级完成，2≤j≤10；第1～(j-1)级张拉时对第i根工装索的张拉量为δi/j，即每一级张拉均使第i根工装索的长度缩短δi/j；第j级张拉时各工装索均张拉相应的张拉量以使各径向索与外压环梁的连接索头均达到其设计位置；
(2)每一级张拉中对各工装索的张拉方法为下列三种方法中的任意一种：同时张拉，顺序张拉或隔索张拉；所述同时张拉，为同时控制各工装索索端的穿心式千斤顶，进行张拉；所述顺序张拉，为自某一根工装索开始，绕屋盖环向依次启动各穿心式千斤顶进行张拉；所述隔索张拉，为自某一根工装索开始，绕屋盖环向跳过相邻的工装索，启动工装索端的穿心式千斤顶对相应位置的工装索进行张拉，所跳过的工装索待完成一圈隔索张拉后再进行张拉，直至所有的工装索均完成一级张拉；
步骤6.3：进行第1级张拉，按照所输入的施工方法对每一根工装索均张拉δi/j；
步骤6.4：进行第2～(j-1)级张拉，重复步骤6.3；
步骤6.5：进行第j级张拉，按照所输入的施工方法对每一根工装索实施张拉，使各径向拉索与外压环梁的连接索头达到其设计位置；停止张拉；
步骤6.6：将连接索头在其设计位置处固定在外压环梁上，拆除工装索，拆除张拉千斤顶；完成拉索的张拉。
至此，可准确满足结构设计对屋盖索力与几何位形的要求。
【附图说明】
图1为轮辐式单层索系屋盖结构示意图。
图2为处于张拉初始状态的轮辐式单层索系屋盖结构示意图。
图3为处于预张紧状态的轮辐式单层索系屋盖结构示意图。
图4为处于分级张拉完成状态的轮辐式单层索系屋盖结构示意图。
图5为处于张拉完成状态的轮辐式单层索系屋盖结构示意图。
图6为隔索张拉施工顺序示意，其中已经完成所有奇数编号的索的张拉。
图7为本发明实施流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图1～7，具体说明本发明的实施方式：
如图1所示，所述轮辐式单层索系屋盖结构由径向拉索1、内环构件2、外压环梁3、支承柱4组成；如图7，所述定尺定长制作与整体张拉的施工方法，其特征在于，是在一个由模拟分析模块、定尺定长制作模块、索长误差测定模块、拼装模块、张拉模块组成的施工控制系统中按照下述步骤实现的：
步骤1：组建施工控制系统，包含如下模块：
(1)模拟分析模块；(2)定尺定长制作模块；(3)索长误差测定模块；(4)拼装模块；(5)张拉模块；所述模拟分析模块包含内嵌有限元分析模块；
步骤2：进入所述模拟分析模块对所述轮辐式单层索系屋盖结构进行模拟分析，具体按下述步骤进行：
步骤2.1：向所述模拟分析模块中输入所述轮辐式单层索系屋盖结构的结构参数，包括：
(1)结构构件的类别与数目，包括：径向拉索a根，外压环梁b根，内环构件c根，支承柱d根；其中，内环构件为内环柔性拉索或内环刚性构件；其中，a≥1，b≥1，c≥1，d≥1；
(2)材料属性，包括：拉索的弹性模量Ec，刚性构件的钢材的弹性模量Es；若内环构件为内环刚性构件，所述拉索仅包括径向拉索，所述刚性构件包括支承柱、外压环梁与内环刚性构件；若内环构件为内环柔性拉索，所述拉索包括径向拉索与内环柔性拉索，所述刚性构件包括支承柱与外压环梁；
(3)各构件的截面属性，包括：外压环梁的截面形式与尺寸，支承柱的截面形式与尺寸，内环构件的截面形式与尺寸，拉索的截面面积{A}；
若内环构件为内环刚性构件，刚，
{A}=A1A2···Aa;]]>
其中，Ai为第i根径向拉索的截面面积，1≤i≤a；
若内环构件为内环柔性拉索，则，
{A}=A1A2···Aa+c;]]>
其中，A1～Aa为径向拉索的截面面积，Aa+1～Aa+c为内环柔性拉索的截面面积；
(4)拉索的张拉目标长度{L}与拉索张拉目标内力{T}
若内环构件为内环刚性构件，则，
{L}=L1L2···La;]]>{T}=T1T2···Ta;]]>
其中Li为第i根径向拉索的张拉目标长度，Ti为第i根径向拉索的张拉目标内力，1≤i≤a；若内环构件为内环柔性拉索，则，
{L}=L1L2···La+c;]]>{T}=T1T2···Ta+c;]]>
其中L1～La为径向拉索的张拉目标长度，La+1～La+c为内环柔性拉索的张拉目标长度；T1～Ta为径向拉索的张拉目标内力，Ta+1～Ta+c为内环柔性拉索的张拉目标内力；
(5)刚性构件控制点的设计目标坐标，包括：所述刚性构件控制点的个数n，所述刚性构件控制点的设计坐标{U}；所述刚性构件控制点位于刚性构件与刚性构件的拼接处，及刚性构件与柔性构件的连接处；
{U}=U1U2···Un=x1y1z1x2y2z2···xnynzn;]]>
其中，xm，ym，zm分别为第m个控制点的设计目标坐标在三个方向的分量，1≤m≤n；
(6)拉索长度误差允许值{ε}：
若内环构件为内环刚性构件，则，
{ϵ}=ϵ1ϵ2···ϵa,]]>
其中，εi为第i根径向拉索的制作长度误差允许值，1≤i≤a；
若内环构件为内环柔性拉索，则，
{ϵ}=ϵ1ϵ2···ϵa+c,]]>
其中，ε1～εa为径向拉索的制作长度误差允许值，εa+1～εa+c为内环柔性拉索的制作长度误差允许值；
{ε}的各分量按照下述规则取值：若第i根拉索长度小于50m，εi取为15mm；若第i根拉索长度大于50m，小于100m，εi取为20mm；若第i根拉索长度大于100m，εi取为索长的1/5000；
步骤2.2：将上述数据输入到内嵌有限元分析模块中，在该模块中建立结构整体分析有限元模型，并计算出刚性构件处于目标位形{U}以及拉索处于目标内力{T}的状态；然后“杀死”所有的拉索单元，使所有的拉索单元均处于零应力状态，此时读取各控制点发生变形为{ΔU}；
{ΔU}=ΔU1ΔU2···ΔUn=Δx1Δy1Δz1Δx2Δy2Δz2···ΔxnΔynΔzn;]]>
步骤2.3：模拟分析模块将所有数据传递给定尺定长制作模块，包括所述结构参数与模拟分析中各控制点发生的变形{ΔU}；
步骤3：进入定尺定长制作模块，定尺定长制作模块接收模拟分析模块传递的数据，进行构件的下料加工，具体按下述步骤进行：
步骤3.1：以{L0}作为各拉索的下料长度进行拉索的加工：
若内环构件为内环刚性构件，则，
{L0}=L01L02···L0a=L1/(1+T1/EcA1)L2/(1+T2/EcA2)···La/(1+Ta/EcAa);]]>
其中L0i＝L0i/(1+Toi/EcA0i)为第i根径向拉索的下料长度，1≤i≤a；
若内环构件为内环柔性拉索，则，
{L0}=L01L02···L0,a+c=L1/(1+T1/EcA1)L2/(1+T2/EcA2)···La+c/(1+Ta+c/EcAa+c);]]>
其中，L01～L0a为径向拉索的下料长度；L0，a+1～L0，a+c为内环柔性拉索的下料长度；
步骤3.2：以{U0}作为刚性构件各控制点的下料放样坐标，进行刚性构件的加工；
{U0}={U}+{ΔU}=x1+Δx1y1+Δy1z1+Δz1x2+Δx2y2+Δy2z2+Δz2···xn+Δxnyn+Δynzn+Δzn;]]>
步骤4：进入索长误差测定模块，对拉索的制作误差进行测定，具体按照下述步骤进行：
步骤4.1：使用通用长度测量工具测量拉索的实际长度为{L1}，可得到拉索的制作误差为{ΔL}＝{L1}-{L0}，若内环构件为内环刚性构件，则，
{L1}=L11L12···L1a;]]>{ΔL}={L1}-{L0}=L11-L01L12-L02···L1a-L0a;]]>
其中，L1i为第i根径向拉索的实际长度，ΔLi＝L1i-L0i为第i根径向拉索的制作误差，1≤i≤a；
若内环构件为内环柔性拉索，则，
{L1}=L11L12···L1,a+c;]]>{ΔL}={L1}-{L0}=L11-L01L12-L02···L1,a+c-L0,a+c;]]>
其中，L11～L1a为径向拉索的实际长度，L1a～L1，a+c内环柔性拉索的实际长度；ΔL1～ΔLa为径向拉索的制作误差，ΔLa～ΔLa+c为内环柔性拉索的制作误差；
步骤4.2：若{ΔL}中的所有分量均满足ΔLk≤εk，则退出索长制作误差测定模块，进入步骤5；若其中有ΔLs＞εs，则重新进入步骤3，即进入定尺定长制作模块中，调整第s根拉索尺寸，待其调整完毕后重复步骤4.1和4.2，直至所有的拉索误差均小于误差允许值，即{ΔL}中的所有分量均满足ΔLk≤εk；
步骤5：进入拼装模块，具体按下述步骤进行：
步骤5.1：将在定尺定长制作模块中加工得到的支承柱4、外压环梁3、内环构件2进行拼装：按照控制点的放样坐标{U0}拼装支承柱4，再按照控制点的放样坐标{U0}在支承柱顶部拼装外压环梁3，并在结构的平面中心位置的地面上拼装内环刚性构件或连接内环拉索2；
步骤5.2：在外压环梁3与径向拉索1的目标连接位置处布置穿心式千斤顶7；将径向拉索1一端连接在内环构件2上，另一端连接在工装索5上；工装索5的一端与径向拉索1相连，另一端穿过穿心式千斤顶7；
步骤6：进入张拉模块，进行径向拉索1的张拉，具体按照下述步骤进行：
步骤6.1：如图3所示，进行径向拉索1的预张紧：控制各穿心式千斤顶，对各工装索进行张拉，使第i根径向拉索的内力达到Ti/100，1≤i≤a，，暂停张拉；
步骤6.2：如图3所示，在完成步骤6.1后，以各径向索1与外压环梁3的连接索头6当前所在位置到连接索头6的目标位置之间的距离{δ}作为控制变量；
{δ}=δ1δ2···δa;]]>
其中，δi为第i根径向拉索1与外压环梁3的连接索头的当前所在位置到其目标位置之间的距离，1≤i≤a；
向张拉模块输入分级张拉方案：
(1)整体张拉分j级完成，2≤j≤10；第1～(j-1)级张拉时对第i根工装索的张拉量为δi/j，即每一级张拉均使第i根工装索的长度缩短δi/j；第j级张拉时各工装索均张拉相应的张拉量以使各径向索与外压环梁的连接索头均达到其设计位置；
(2)每一级张拉中对各工装索的张拉方法为下列三种方法中的任意一种：同时张拉，顺序张拉或隔索张拉；所述同时张拉，为控制各工装索端的穿心式千斤顶，同时进行张拉，即如图4所示，对所有的工装索c-1～c-a同时进行张拉；所述顺序张拉，为自某一根工装索开始，绕屋盖环向依次启动各穿心式千斤顶对所控制的工装索进行张拉，即如图4所示，首先张拉工装索c-1，然后再张拉工装索c-2，之后按照该顺序依次张拉各工装索，直至完成对工装索c-a的张拉；所述隔索张拉，为自某一根工装索开始，绕屋盖环向跳过相邻的工装索，启动相邻工装索另一侧的工装索所连的穿心式千斤顶对该工装索进行张拉，所跳过的工装索待完成一圈隔索张拉操作后再进行张拉，直至所有的工装索均完成一级张拉，即如图6所示，首先张拉工装索c-1，再张拉工装索c-3，再依次完成余下所有奇数编号的工装索的张拉，之后张拉工装索c-2，再依次张拉其余偶数编号的工装索，直至所有的工装索均完成一级张拉；
步骤6.3：进行第1级张拉，按照所输入的施工方法对每一根工装索均张拉δi/j；
步骤6.4：进行第2～(j-1)级张拉，重复步骤6.3；
步骤6.5：如图5所示，进行第j级张拉，按照所输入的施工方法对每一根工装索实施张拉，使各径向拉索与外压环梁的连接索头达到其设计位置；停止张拉；
步骤6.6：将连接索头在其设计位置处固定在外压环梁上，拆除工装索，拆除张拉千斤顶；完成拉索的张拉。