所屬欄目:建筑設(shè)計(jì)論文 發(fā)布日期:2011-04-14 16:30 熱度:
摘要:隨著經(jīng)濟(jì)、科技的快速發(fā)展,國(guó)內(nèi)外建造了很多大型的建筑結(jié)構(gòu)。由于自身的優(yōu)點(diǎn),張弦梁結(jié)構(gòu)作為一種張拉大跨度空間結(jié)構(gòu)被用于越來(lái)越多的大型建筑。本文結(jié)合張弦梁結(jié)構(gòu)自身的一些特點(diǎn)和對(duì)其它大跨度空間結(jié)構(gòu)施工技術(shù),對(duì)預(yù)應(yīng)力張弦梁結(jié)構(gòu)在施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞:張弦梁,施工技術(shù),支撐
由日本教授M.Saitoh于80年代提出的張弦梁結(jié)構(gòu)是一種新型雜交屋蓋結(jié)構(gòu)形式,是通過(guò)撐桿將拱(梁)和索雜交而成。它充分發(fā)揮了拱型結(jié)構(gòu)的受力優(yōu)勢(shì)同時(shí)充分利用索材的高抗拉強(qiáng)度,使結(jié)構(gòu)集受力合理、施工快捷、形式簡(jiǎn)潔、造型新穎等眾多優(yōu)點(diǎn)于一身。由于自身的優(yōu)點(diǎn),張弦梁結(jié)構(gòu)作為一種張拉大跨度空間結(jié)構(gòu)被用于越來(lái)越多的大型建筑。顧名思義,這種結(jié)構(gòu)最初是由“將弦進(jìn)行張拉,與梁組合”這一基本形式而得名,隨著對(duì)這種結(jié)構(gòu)體系的深入研究和理解,又出現(xiàn)了一些其他形式,但各種形式的張弦結(jié)構(gòu)在組成上具有共同特點(diǎn)那就是均通過(guò)撐桿連接抗彎構(gòu)件(如梁,拱)和抗拉構(gòu)件(如索),通過(guò)在抗拉構(gòu)件上施加預(yù)應(yīng)力,減輕壓彎構(gòu)件負(fù)擔(dān)的自平衡體系。
一、引言
較大跨度的預(yù)應(yīng)力張弦梁結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中表現(xiàn)出諸多技術(shù)和力學(xué)問(wèn)題,主要包括:
1.索端節(jié)點(diǎn)部位厚板與鑄鋼件的焊接;
2.張弦梁在吊裝及吊裝過(guò)程中結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的穩(wěn)定性計(jì)算;
3.設(shè)置臨時(shí)支撐的最佳布置及對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響;
4.拆撐過(guò)程中的安全問(wèn)題及計(jì)算;
5.結(jié)構(gòu)的成型問(wèn)題及計(jì)算;
6.結(jié)構(gòu)的整體提升方法及設(shè)計(jì)計(jì)算;
7.對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。
二、平面張弦梁制作工程中的索端節(jié)點(diǎn)部位厚板與鑄鋼件的焊接
對(duì)焊縫進(jìn)行分類,重點(diǎn)攻克鑄鋼件與80鋼板坡口節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及焊接工藝要求,焊接材料選擇,采用CO2半自動(dòng)氣體保護(hù)焊的方法,編制合理的焊接程序,控制焊接變形和消除焊接應(yīng)力,成功的解決了鑄鋼件與80厚鋼板焊接的難題;并且在不采用“伽馬源”檢測(cè)的情況下,采用超聲波和X光拍片分層的探傷工藝,對(duì)出廠焊縫進(jìn)行了100%無(wú)損檢測(cè),保證了焊接質(zhì)量。
三、結(jié)構(gòu)構(gòu)件吊裝過(guò)程分析
3.1吊點(diǎn)的選擇及原則
在決定張弦梁結(jié)構(gòu)的吊裝方案時(shí),吊點(diǎn)的選擇和吊點(diǎn)的分布是首先要考慮的問(wèn)題。例如一平直的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu),要將其吊裝到設(shè)計(jì)標(biāo)高與兩柱頭連接,其吊點(diǎn)的選擇和吊點(diǎn)的分布要保證起吊后的梁在自重作用下兩端的軸向相對(duì)變形等于或接近零,這樣吊裝到設(shè)計(jì)位置的梁就能準(zhǔn)確的就位,不會(huì)超長(zhǎng)也不會(huì)縮短。依據(jù)這個(gè)原則,吊點(diǎn)的選擇要滿足下面兩條:
1.吊件兩端的軸向相對(duì)變形等于或接近零
2.吊件的變形和彎矩分布比較均勻,且數(shù)值最小
這樣可以最大限度的保證吊裝過(guò)程的安全進(jìn)行。如果吊件的截面沿軸向是變化的或結(jié)構(gòu)自重分布不均勻,則吊點(diǎn)的選擇按上述原則通過(guò)有限元結(jié)構(gòu)分析軟件計(jì)算確定。一般情況下,吊繩與吊件軸線之間有一定的夾角(通常在45~60),吊繩水平分力會(huì)對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生軸向壓力,計(jì)算時(shí)要考慮到它們的影響。
3.2平面外的屈曲分析
在制定吊裝方案時(shí),確定吊點(diǎn)及其分布,對(duì)于張弦梁結(jié)構(gòu)僅憑經(jīng)驗(yàn)是不夠的,必須通過(guò)必要的分析和計(jì)算才能確定。最重要的是在起吊過(guò)程中,結(jié)構(gòu)在保證平面內(nèi)穩(wěn)定條件下,不發(fā)生平面外失穩(wěn)。平面內(nèi)穩(wěn)定主要是驗(yàn)算上弦構(gòu)件的局部失穩(wěn)或強(qiáng)度破壞。平面外失穩(wěn)是一個(gè)整體失穩(wěn)破壞,與吊點(diǎn)的多少和分布有密切關(guān)系。吊點(diǎn)愈多,愈不會(huì)發(fā)生平面外失穩(wěn)。當(dāng)張弦梁結(jié)構(gòu)的上弦為桁架結(jié)構(gòu)時(shí),平面外整體穩(wěn)定計(jì)算是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題,可把桁架模擬成實(shí)腹式構(gòu)件進(jìn)行簡(jiǎn)化分析,也可應(yīng)用ANSYS有限元軟件計(jì)算其平面外特征值,來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)平面外的穩(wěn)定性能。
四、臨時(shí)支撐和永久支撐的相互作用
4.1拆撐過(guò)程的關(guān)鍵問(wèn)題
大多數(shù)結(jié)構(gòu)都存在結(jié)構(gòu)安裝完畢后,臨時(shí)支撐拆除的問(wèn)題,簡(jiǎn)單的稱為拆撐過(guò)程。對(duì)拆撐過(guò)程而言,有三大組成要素:永久結(jié)構(gòu)、臨時(shí)結(jié)構(gòu)和千斤頂。相對(duì)于安裝過(guò)程而言,永久結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成一個(gè)整體,剛度較大,同時(shí)相對(duì)于使用期荷載而言,結(jié)構(gòu)在拆撐過(guò)程中的安全儲(chǔ)備較大,但是由于拆撐造成的內(nèi)力重分配會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的局部受力產(chǎn)生較大的影響,因此永久結(jié)構(gòu)在拆撐過(guò)程中的分析也是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。
對(duì)臨時(shí)結(jié)構(gòu)而言,同樣存在和永久結(jié)構(gòu)面臨的拆撐過(guò)程中內(nèi)力重分配對(duì)結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件產(chǎn)生的影響較大的問(wèn)題。拆撐的方案也直接影響臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。同時(shí)支撐的剛度會(huì)對(duì)拆撐過(guò)程中永久結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。因此對(duì)這些問(wèn)題都必須給予很高的重視。
拆撐過(guò)程通常也是千斤頂卸載的過(guò)程。當(dāng)千斤頂布置較多時(shí),卸載只能分批進(jìn)行。這樣先行卸載的千斤頂荷載會(huì)轉(zhuǎn)移到其它千斤頂上,從而對(duì)后卸載的千斤頂?shù)陌踩苑治鼍惋@得非常重要。因此拆撐過(guò)程中,永久結(jié)構(gòu)的安全性分析、臨時(shí)結(jié)構(gòu)的安全性分析、臨時(shí)結(jié)構(gòu)和永久結(jié)構(gòu)的相互作用分析及千斤頂?shù)陌踩苑治鼍蜆?gòu)成了拆撐過(guò)程的關(guān)鍵性問(wèn)題。
4.2臨時(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)永久結(jié)構(gòu)作用的安全性分析
設(shè)置臨時(shí)支撐幾乎是所有大跨度鋼結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程中必然要遇到的問(wèn)題,但臨時(shí)支撐柱的存在,從結(jié)構(gòu)的整體講是改善了其受力性能,但也改變了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)受力狀態(tài),可能造成臨時(shí)支撐點(diǎn)處及附近區(qū)域的內(nèi)力加大,引起安裝過(guò)程中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。
在有臨時(shí)支撐的情況下,拱腳的水平推力和豎向反力將大大的降低。但在臨時(shí)支撐柱頂附近的桁架構(gòu)件,其內(nèi)力分布與設(shè)計(jì)狀態(tài)則完全不同,必須進(jìn)行驗(yàn)算以確保結(jié)構(gòu)在增加臨時(shí)支撐后的安全。如果拿掉臨時(shí)支撐,拱腳的水平推力和豎向反力將大大的加大。
4.3拆撐過(guò)程中永久結(jié)構(gòu)和臨時(shí)結(jié)構(gòu)的相互作用分析
在結(jié)構(gòu)成型過(guò)程中,必然要設(shè)置一些臨時(shí)支撐。待全部構(gòu)件安裝就位后,就得拆掉所有的臨時(shí)支撐。拆除臨時(shí)支撐的過(guò)程,是結(jié)構(gòu)受力逐漸轉(zhuǎn)移和重分布的過(guò)程。拿掉最后一根臨時(shí)支撐后,即結(jié)構(gòu)完全進(jìn)入設(shè)計(jì)狀態(tài)。
五、平面張弦梁(柔性)結(jié)構(gòu)的成形問(wèn)題
預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)大跨度和超大跨度結(jié)構(gòu)的最好形式之一。通過(guò)給結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力,可以調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力幅值并改善結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布,進(jìn)而達(dá)到提高結(jié)構(gòu)剛度的目的。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的施工聯(lián)系十分的緊密。
預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)可分為兩種形式:一是完全由預(yù)應(yīng)力提供結(jié)構(gòu)剛度的結(jié)構(gòu)形式,如索穹頂、索網(wǎng)結(jié)構(gòu)等;另一種是預(yù)應(yīng)力增加結(jié)構(gòu)剛度的形式,如張弦梁結(jié)構(gòu)、弦支穹頂結(jié)構(gòu)等。前一種的施工過(guò)程是由機(jī)構(gòu)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)的過(guò)程,由于結(jié)構(gòu)剛度柔性,必須考慮幾何非線性的影響。第二種形式屬于混合結(jié)構(gòu)形式,可以參照常州體育館的分析方法。
對(duì)于索穹頂結(jié)構(gòu)和張拉整體結(jié)構(gòu)及膜結(jié)構(gòu)等典型的空間張拉結(jié)構(gòu)體系,其成型方法及計(jì)算是這些結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的主要問(wèn)題。這些結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力在施工過(guò)程中存在很大的相關(guān)性,因此使施工預(yù)應(yīng)力和設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力完全符合存在很大的難度。因此合理的預(yù)應(yīng)力施加順序和結(jié)構(gòu)成形順序?qū)O大的改進(jìn)這些結(jié)構(gòu)的施工效果。
六、結(jié)構(gòu)整體提升設(shè)計(jì)及計(jì)算
近年來(lái),大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工整體提升項(xiàng)目愈來(lái)愈多,如北京西客站巨型桁架、北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)四機(jī)位庫(kù)、上海大劇院、深圳市民中心、廣州新白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)10號(hào)機(jī)庫(kù)、澳門多功能體育館主桁架等。在提升過(guò)程中,應(yīng)重點(diǎn)解決兩個(gè)問(wèn)題,一是被提升的結(jié)構(gòu)和提升柱不應(yīng)該遭受損傷和破壞,二是提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算。一般情況下,結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)對(duì)提升系統(tǒng)提出要求,并驗(yàn)算結(jié)構(gòu)及提升柱的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。
整體提升過(guò)程可分為三個(gè)階段,第一階段是結(jié)構(gòu)脫離胎架,第二階段是結(jié)構(gòu)勻速提升,第三階段是結(jié)構(gòu)落位。很顯然,首末兩個(gè)階段比較重要,它直接涉及到提升力的大小變化對(duì)提升柱與結(jié)構(gòu)安全的影響,因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)脫離胎架和落位的過(guò)程中,提升點(diǎn)離開(kāi)胎架和結(jié)構(gòu)落到設(shè)計(jì)標(biāo)高的先后順序會(huì)引起提升力的較大變化,可以形象把這兩個(gè)階段比喻為飛機(jī)的起飛和降落,而第二階段可比喻為飛機(jī)的平穩(wěn)飛行。
在脫離胎架階段.為了安全起見(jiàn)可以選擇逐步小行程循環(huán)提升的原則,可以選擇提升力小的點(diǎn)優(yōu)先提升,最后再提升提升力大的點(diǎn)。不過(guò),在落位階段,先落提升力大的點(diǎn),再落提升力小的點(diǎn),落位與提升過(guò)程正好相反。
為了防止在提升過(guò)程中由于提升點(diǎn)不同步對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的影響,需進(jìn)行不同步驗(yàn)算。各提升點(diǎn)位移差的出現(xiàn)會(huì)使結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)發(fā)生改變,因此需要計(jì)算在可能出現(xiàn)的位移差的情況下的結(jié)構(gòu)的受力情況,以確保提升過(guò)程中結(jié)構(gòu)安全可靠。
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文章標(biāo)題:平面張弦梁結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究
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