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土木工程視角下馬鞍形單層正交索網結構簡介及施工分析原理

日期:2020年08月03日 編輯:ad201107111759308692 作者:無憂論文網 點擊次數:595
論文價格:50元 論文編號:lw202007232252225848 論文字數:38824 所屬欄目:土木工程論文
論文地區:中國 論文語種:中文 論文用途:職稱論文 Thesis for Title

本文是一篇土木工程論文,本文對大跨度馬鞍形單層正交索網結構施工成形關鍵技術進行了詳細的研究,主要針對結構施工方案的選擇,施工全過程模擬分析,施工誤差控制技術以及監測技術等關鍵問題進行了分析。通過本文的研究,可以得出如下的結論。(1)對結構由零狀態到初始態轉變的過程進行施工仿真分析是非常必要的,本文介紹了國家速滑館屋面和幕墻索工程的結構特點和有限元仿真計算方法。采用有限元軟件 Midas/Gen,對建模方法、初始預應力施加等進行了詳細介紹,并提出了仿真計算的工作流程,為將來類似工程提供了依據。(2)本文比較了索網結構常用的三種的施工方法,通過分析滿堂腳手架法、高空溜索法、整體提升法的適用范圍和優缺點結合現場實際情況,確定了地面組裝索網,高空張拉的總體施工思路,此思路可以保證施工的效率。提出 4 種支座約束方案,計算了結構在 4 種支座約束情況下的受力狀態。通過對比分析,采用長軸支座約束 X 水平向,短軸支座約束 Y 水平向,所有支座均約束豎向的方案有利于施工過程的安全,還可以保證施工質量。對比分析了先提升承重索和先提升穩定索的方案,計算了兩種方案的提升力,通過計算分析出提升穩定索的方案提升力較大,需要的施工措施費較高,且變形不均勻,因此考慮提升承重索的方案。比較了三種張拉方案,分析了三種方案索力隨張拉過程的變化歷程,依據經濟性和高效性的原則,選擇整體同步張拉穩定索的張拉方案。


第 1 章  緒論


1.1  研究背景及意義

住建部于 2017 年印發了《建筑節能與綠色建筑發展“十三五”規劃》,目的是通過建設節能低碳、綠色生態、集約高效的建筑用能體系,來推動建筑領域供給側結構性改革。發展綠色高性能結構體系是其中一個重點研究方向。受拉桿件、受壓桿件、受彎桿件是組成承重結構的三類基本構件。其中拉桿的受力最為有利,由其組成的懸索結構材料利用率高、消耗小,是建筑結構領域中先進的結構體系。在大跨空間結構中應用懸索結構可以顯著降低用鋼量,可以達到綠色建筑的發展目標[1]。

懸索結構是一種古老的結構形式,在古代人們就開始嘗試將自由發揮材料強度的、合理的懸索結構應用在屋蓋結構上。最原始的懸索結構是使用藤蔓等制作的簡單的懸索橋,在亞洲、南美等植物茂盛的地區自古以來就有這種橋。在羅馬時代的圓形競技場,人們采用大規模的張拉索來操作開閉式遮蓬。第二次工業革命后,在全俄博覽會和芝加哥博覽會上都嘗試應用了懸索屋蓋結構,但是由于當時技術不足,難以解決風對懸索屋蓋結構的作用[2],懸索結構并沒有大規模的應用。第二次世界大戰后隨著經濟文化的發展,人們對于公共建筑需求逐漸增多,并隨著建筑技術和材料科學的發展,古老的懸索結構也煥發了新的活力。各種索結構例如:張弦梁、索穹頂、弦支穹頂、索網結構等在許多國內外的體育場館、干煤棚、機庫、航站樓等都得以應用。索結構屋蓋的主要結構形式如表 1-1 所示。

表 1-1   索結構屋蓋的主要結構形式

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1.2  索網結構概述

1.2.1  索網結構特點

單根的懸索是一種幾何可變結構,其平衡形式隨荷載分布方式而變,特別是當荷載作用方向與垂度方向相反時,懸索就失去了承載能力。因此,需要布置一些索系或結構來提高屋蓋結構的穩定性[3]。馬鞍形索網結構由兩組曲率相反的索形成,下凹的索為承重索,作用為承受屋面恒荷載和向下的活荷載;上凸的索為穩定索,作用為承受由風荷載產生的向上的吸力作用,兩組索相交處由索夾連接,索網兩端錨固在周邊剛性構件上。圖 1-2 給出了 4 中常見的馬鞍形索網結構形式。由于兩組索曲率相反,所以可以對其中一組或兩組索進行張拉來在索網中建立預應力。當施加足夠的預應力時,馬鞍形索網便會具有良好的穩定性和剛度,施加配重后,承重索和穩定索共同工作,保持張力。馬鞍形索網的邊緣構件多采用閉合的空間曲梁,索網的水平力在空間曲梁內自平衡,在兩組索的拉力作用下,空間曲梁為壓彎構件。由于索網水平力由空間曲梁承受,對下部支承結構和基礎的受力較為有利。

圖 1-2 馬鞍形正交索網結構形式

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第 2 章  馬鞍形單層正交索網結構簡介及施工分析原理


2.1  背景工程簡介

國家速滑館位于北京市朝陽區奧林匹克森林公園西側,國家網球中心鉆石球場南側,總建筑面積 9.7 萬平方米,2022 年北京冬奧會期間,國家速滑館將承擔速度滑冰項目的比賽和訓練。速滑館主體結構為現澆鋼筋混凝土結構,屋蓋為大跨度馬鞍形索網結構,結構跨度 124m×198m,支撐于外圍鋼結構環桁架上,并在環桁架外側設置幕墻拉索[49]。

鋼結構環桁架采用立體桁架的結構形式,網格間距 4m,桁架內弦桿最大規格為P1600×60mm,節點采用相貫焊接的形式連接。環桁架與型鋼混凝土柱之間采用成品球鉸支座連接。外圍幕墻支撐結構采用鋼拉索加豎向波浪形鋼龍骨,效果圖如圖 2-1 所示:

圖 2-1 國家速滑館效果圖

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2.2  結構施工過程仿真分析方法

一般結構中,位移與荷載的關系是線性的,可以忽略荷載對結構的影響,當荷載拆除后,結構將恢復初始狀態,建立平衡條件時不區分變形前和變形后的位形和物體的位置及形狀,這就屬于線性分析的問題。但索網結構屬于典型的非線性變形體系,張拉會引起結構剛度顯著變化,其位移與荷載呈非線性關系。引起索網結構非線性的原因主要有[51]:

(1)材料非線性

指材料的本構關系是非線性的。在彈塑性分析中,材料非線性是指材料具有非線性的應力—應變關系。加載歷史、環境溫度、加載的時間總量都會影響材料的應力—應變特性。

(2)幾何非線性

指材料應變與位移的關系是非線性的。由于荷載的變化導致結構的平衡位置發生改變。主要包括大位移小應變問題、大位移大應變問題。對于索網結構,在施工過程中結構的變形遠大于構件幾何尺寸,屬于大變形問題。

(3)狀態變化

指由于結構表現出與狀態相關的非線性變化。只能受拉的拉索可能是張緊的也可能是松弛的,這種由于狀態的改變導致系統剛度值的改變稱為狀態的變化,這種狀態的改變與荷載相關。

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第 3 章  馬鞍形單層正交索網結構施工方案比選研究 ........................... 19

3.1  施工方案選擇原則................................ 19

3.2  支座約束方案比選 ..................... 19

第 4 章  馬鞍形單層正交索網結構施工全過程仿真研究 ....................... 31

4.1  施工步驟劃分 ................................ 31

4.2  施工過程索網位形變化 ........................... 31

第 5 章  馬鞍形單層正交索網結構施工誤差分析研究 ........................... 46

5.1  索長誤差分析 ...................... 46

5.1.1  承重索索長誤差分析 .............................. 47

5.1.2  穩定索索長誤差分析 ............................... 47


第 5 章  馬鞍形單層正交索網結構施工誤差分析研究


5.1  索長誤差分析

目前預應力空間結構有兩種張拉方法[58],一種為“定長張拉法”,另一種為“定力張拉法”。定長張拉法是將拉索原長安裝錨固在外環剛性結構上;定力張拉法是制作帶有調節端頭可以調節長度的拉索,這種拉索安裝完成后可以調整拉索的調節端長度,使實際索力與設計索力一致。定長張拉的拉索稱為被動張拉索,定力張拉的拉索稱為主動張拉索。顯然如果采用定長張拉法,那么就需要忽略拉索的加工誤差、力學性能誤差、構件加工誤差等[59]。但是實際工程中,各類材料制作、加工、安裝等環節都會出現偏差,這種偏差是不可忽視的,即使材料加工和結構施工均滿足規范要求,但是由于結構特點、邊界條件等不同,通用規范不一定滿足實際工程的要求。因此僅采用定長張拉法是不夠的,必須要控制拉索的張拉力,采用定力張拉法。如果對所有拉索都采用定力張拉,那么結構將不會有預應力偏差。

本工程拉索數量眾多,如果均采用定力張拉法的話,會浪費大量的人力、財力、物力。因此本節希望通過計算分析,對一定數量的拉索采用定力張拉,另一部分采用定長安裝。一般來說,主動張拉的拉索越多,越容易控制結構預應力分布的偏差,但是張拉張拉相同數量主動索的情況下,選擇不同類型的主動索,對誤差控制的效果不同[60]。綜上所述,本節的主要內容是研究不同類型拉索偏差對結構的影響,制定一個符合以下兩個條件的張拉方案:(1)控制主動張拉索的數量以控制成本。(2)將結構預應力偏差控制在可以接受的水平。

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結論與展望


6.1 結論

本文對大跨度馬鞍形單層正交索網結構施工成形關鍵技術進行了詳細的研究,主要針對結構施工方案的選擇,施工全過程模擬分析,施工誤差控制技術以及監測技術等關鍵問題進行了分析。通過本文的研究,可以得出如下的結論。

(1)對結構由零狀態到初始態轉變的過程進行施工仿真分析是非常必要的,本文介紹了國家速滑館屋面和幕墻索工程的結構特點和有限元仿真計算方法。采用有限元軟件 Midas/Gen,對建模方法、初始預應力施加等進行了詳細介紹,并提出了仿真計算的工作流程,為將來類似工程提供了依據。

(2)本文比較了索網結構常用的三

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