屋盖结构设计（共8篇）
屋盖结构设计 篇1
开合屋盖结构的出现与人类体育事业的发展密切相关, 随着物质文化生活水平提高, 市民对体育运动和娱乐活动参与意识的提高, 人们要求体育场馆功能日益完美, 人们既希望能在大自然的美好怀抱中观看或参与各种体育、娱乐活动, 也希望当遇到恶劣的自然环境时能在封闭的场馆中如期举行预期的各项活动。而与常规体育场馆相比, 开合式屋盖结构能满足人们这两种美好愿望, 因此建造带有开合屋盖的大型体育建筑越来越成为一个重要发展趋势。我国著名建筑大师马国馨院士更把开合屋盖建筑称之为“第三代体育建筑”。
(一) 开合屋盖结构的发展历程
很早以前人们就开始使用了开合结构。如人们使用的帐篷、雨伞、可敞蓬的汽车, 以及天文观测中使用的可开合屋盖观测站等。尽管它们尺寸小并且大部分由人工开启, 但它们是开合屋盖结构的最好实例。
1954年, 在德国由Frei Otto领导的一个工作小组, 开创性地研究和开发了开合膜结构, 在20世纪50年代至80年代大多采用膜折叠型式开合屋盖结构。1976年把这种技术应用在加拿大蒙特利尔奥林匹克运动场中, 它是屋面采用柔性膜材料以折皱方式开合的规模最大的建筑。这种以膜材料褶皱形式开合的屋盖存在内在缺陷, 在使用中常受风雨等的影响使开合运行出现故障或膜材料被撕裂。如蒙特利尔奥运会体育馆在每年仅有的几次开合中还经常伴随着故障发生。所以其进一步的发展受到了制约。
1961年在美国建成了用现代牵引技术驱动的刚性开合结构的匹兹堡市民体育场 (图1) , 跨度为127m, 至今仍具有开拓意义。20世纪80年代以后的大部分开合屋盖结构的开合思想来源于此。之后, 世界上建造了上百个带有刚性可动单元的开合屋盖建筑, 都属于现代开合屋盖结构。现代开合屋盖结构的特点是, 均采用了拱架、拱形网壳、部分球壳或平板网架等刚性钢结构作为移动屋盖单元的受力结构, 其屋面材料为膜材料、金属板及其它轻质材料。屋盖系统分成若干个单元片, 通过单元片的移动、转动, 使之各片之间的相互刚体运动来实现屋盖的开合。如1989年加拿大多伦多建成了直径208m的天空穹顶, 1993年5月建成了跨度110m的海洋穹顶 (图2) 等。
(二) 现代开合屋盖结构设计特点
1. 现代开合屋盖结构的设计流程与传统形式屋盖的设计流程不同。
传统的屋盖结构设计时, 首先确定建筑方案, 由此布置设备, 最终根据建筑方案和设备的布置来确定结构形式, 各工种设计是串行式的。由于开合屋盖结构的机械系统、运行控制系统较为复杂, 机械设计、结构布置和建筑设计相互影响制约, 导致各工种设计必须紧密配合, 一并进行, 因而开合屋盖结构比传统屋盖结构的设计要复杂得多, 基本设计流程见图3。
2. 开合屋盖的设计依据缺乏
虽然开合屋盖结构已经建成了两百多座, 但总的说来开合屋盖结构还是处在起步阶段, 目前还没有任何关于这种结构的国家或地方的设计规范。现在开合屋盖设计的依据, 结构方面主要是各国的建筑结构规范和日本等国的一些设计建议;机械设计方面国外主要参考各自的起重机标准, 我国主要参考《起重机设计规范》 (GB 3811—83) ;此外还可参照已建工程。
3. 开合屋盖设计的前提——开合条件的确定
所谓开合屋盖结构的开合条件, 是指确定在什么条件下才可以进行开合移动 (如风荷载限值、雪荷载限值等) 、开合运行的具体条件 (如启动、运行速度和刹车的加速度、开闭运行时间等) 、正常条件下屋盖的停靠位置, 特殊条件下屋盖的停靠位置等。屋盖的开合条件直接影响整个结构的工作状态以及相应工作状态下荷载的取值。因此, 在设计阶段的前期必须首先确定屋盖的开合条件, 然后再对开启条件下各种可能的工作状态下的荷载情况作出正确的评定, 进而, 对屋盖结构进行内力分析、荷载工况组合、结构构件设计。屋盖的开合条件必须明确写进可动屋面使用操作手册, 并严格按照操作手册进行管理。
4. 开合屋盖设计中运行机械系统的设计
根据开合机理对屋盖体系的开合方式进行分类, 开合方式可分为水平移动方式、水平旋转方式、空间移动方式、绕枢轴转动方式、折叠方式、组合方式。任何开合方式的实现都需要采用一定机械运行系统, 机械系统设计是常规结构设计中没有的, 所以机械系统设计对于结构工程师来说是陌生的;而机械系统与建筑结合之后, 对于机械工程师而言也是陌生的。因此机械系统设计是开合屋盖结构设计中的重点和难点。在进行设计时结构工程师与机械工程师必须相互沟通, 以避免设计矛盾的发生。
5. 工作状态与荷载的取值
常规屋盖只有一种工作状态, 而开合屋盖结构一般有三种工作状态:完全闭合锁定状态、完全打开锁定状态、运动状态。一些大型的开合屋盖结构还有第四种工作状态:半打开的锁定状态。开合屋盖结构不光要承受常规屋盖结构要承受的各种常规作用:如恒荷载、风荷载、雪荷载、使用荷载、地震作用、温度作用等, 还要承受自己特殊的荷载:如启动和刹车的惯性力和制动力、因轨道接头或轨道不平产生的力、因轮轨间距离偏差及开合角度不准确产生的轨道侧向力等。在不同的工作状态下使用情况各不相同, 荷载工况也不相同, 甚至常规荷载的取值也不一样, 因而开合屋盖结构荷载取值的最大特点就是:工作状态与荷载取值相对应。下面简单介绍几种常规作用如风荷载、雪荷载、活荷载、地震作用的取值特点。
一般开合屋盖的在使用条件里都规定:在天气晴好的时候开启, 在恶劣天气下闭合, 可动屋盖移动的时候风速不能太大。屋面的开合应该在风速探测仪的监测下进行, 探测到的风速值作为自动化控制的输入条件, 来控制屋盖开启或关闭。国外已建工程的基本风压的取值一般是:闭合状态取荷载规范规定的建筑场地的基本风压;开启状态对应的设计风速则根据设计者制定的可动屋面使用操手册确定 (一般小于建筑场地的最大风压基本值) 。由风洞试验结果可知:在不同的状态下, 结构的体形系数、风振系数都不相同, 因而一般开合屋盖结构都因根据风洞试验来确定各自的体形系数。
开合屋盖结构的操作手册中应确定各个状态对应的雪荷载条件。由于在积雪情况下移动可动屋盖是比较危险的, 所以一般设计时只需要考虑开启和闭合状态下雪荷载。闭合状态下屋面的雪荷载按荷载取值, 开启状态可以不考虑活动屋盖上的雪荷载。当然也应制定合理的方案, 以便在突降大雪或屋面有部分积雪时能够顺利开合可动屋盖。
同样, 屋面在移动过程中屋面活荷载是不需要考虑。闭合状态下屋面活荷载按荷载规范取值。
开合屋盖结构在开启和闭合状态必须考虑地震作用, 抗震设计方法与普通空间结构一样。而可动屋盖在开合过程中遭遇地震作用则是特殊的抗震问题。由于可动屋盖开合次数一般较少, 20min以内即可完成开合过程, 所以在移动过程中遭遇发生概率很小的地震作用的可能性则更小。因此对于小型开合屋盖结构, 可以不考虑移动中遭遇地震作用。但是对于大型开合屋盖结构应采取一定措施来避免移动过程中可能产生的破坏 (或减少破坏) , 一般移动状态的地震作用可以根据开动屋面的型式作相应折减 (相对于闭合状态下的地震作用) , 折减值可以根据设计者的经验判断而定, 没有充分的相关数据时, 地震荷载折减50%是比较安全的。
6. 静力分析方法
可动屋盖和下部结构是两个相对独立的部分, 是通过锁定点耦合联系在一起的。对整个结构在受载阶段的分析存在如何考虑两者相互耦合的问题。通常有整体分析法和单独分析法两种。整体分析法是指在锁定位置通过锁定点耦合活动屋盖与下部结构的三个线位移进行协同受力变形分析。这种方法从整体上看更合理, 结果也可以接受。但此种分析方法相对复杂, 并且当锁定点较弱时得出的结果是偏不安全的, 而且对于锁定点局部分析时, 由于该方法忽略了机械结构的相对变形, 计算所得的节点约束力偏大。单独分析法则是先把可动屋盖在锁定点处固定进行受力分析, 得到的支座反力以集中荷载的形式施加到下部结构上进行进一步的受力分析。该分析方法概念明确, 分析简单, 而且, 在下部结构刚度较大时, 采用该方法是偏于安全的。在设计时, 可同时采用这两种方法进行比较分析, 以保证结构设计的安全可靠。
7. 开合屋盖结构的整体性较差
由于完整屋盖被人为划分为几个不同的结构单元, 各个单元间互为独立, 多数情况下, 可动屋盖传力将以单向传力代替空间传力, 并且可动单元通过机械锁定装置与下部结构联系, 机械结构也存在一定相对变形, 因而开合屋盖结构的整体性相对较差, 而且在不同工作状态下结构的整体性也是不同的。
(三) 结论
世界各国已建成的大规模开合结构产生了良好的社会经济效果, 建造大型现代开合屋盖结构的前景将越来越好。目前我国已建成几座简单的、较小跨度的开合屋盖建筑运行良好, 大型复杂开合屋盖结构的建设也有突破性进展, 如2006年3月竣工的江苏南通体育场拥有巨型开闭顶, 活动屋盖投影长度201.92m。现代开合屋盖结构在我国的需求增长很快, 有很多地区有建造大型开合屋盖结构的想法和需求。而我国在开合屋盖结构的研究和应用方面还远落后于发达国家, 刚刚开始起步, 因而研究人员和工程师们都应加强对开合屋盖结构的理论和试验研究, 以推动大跨度现代开合屋盖结构在我国的应用。
摘要：现代开合屋盖结构具有很多自身特有的工作特性, 因而与传统屋盖结构设计有很大的不同, 文章简要的阐述现代开合屋盖结构设计特点。
关键词：开合屋盖,结构,设计,特点
参考文献
[1]刘锡良.大跨度开合空间结构[J].钢结构, 1998 (4) .
[2]关富玲, 等.开合屋盖结构设计简介[J].建筑结构学报, 2005 (8) .
麦迪逊城的两个屋盖 篇2
威斯康辛州地势平坦，大片的庄稼农田是该州主要风景。郁郁葱葱的绿地上，间或露出的屋顶示意了城镇的聚集地。麦迪逊城中心区不过4平方公里（北京市二环路内区域约68平方公里）。
在城内最高处，州政府的议会大厦主体建筑跃然而立，这座高达284英尺（约90米）的白色穹顶是小城中最醒目的地标。1917年建筑师在这块土地上设计一座十字形的建筑以容纳州议会、州法院和州行政机关。十字交汇之处，托起了一个巨型穹顶。显然，这个设计手法沿袭了华盛顿国会山的穹顶形制。
美国许多州府议会大厦大都采用了同样的版本。这一样式可以追溯到罗马的万神庙（Pantheon）。古罗马人是泛神论的信奉者，他们建造了一个巨大的神庙，供奉诸神。神庙的顶盖是一个半球形的拱顶。球面的顶部预留了一个圆形天窗，使阳光可以倾泻到室内，普照在诸神身上；上苍借此赋予诸神以智慧和光明，使他们施恩于众生百姓。
美国人将古罗马创造的形式直接套用，在华盛顿的国会山上也加上了一个球顶。国会由代表各地民意的议员组成，是美国最高的立法机构。议员们的工作就是聚集在同一个屋顶之下，寻求多个地域民众利益之间的平衡，谋划国家整体的发展目标，分配社会资源，监督政府的行政职能。著名的国会议员哈弥尔顿（Hamilton）认为，“国会的使命就是捍卫自由，是民主制度的核心。”
然而，今天的华盛顿常常被冗长繁琐的官僚机构设规所淹没，成为多种政治势力的角逐场，这种民众与其代表“原生态式”的依存关系，已然不易发现。然而在麦迪逊城，其脉络关系仍然清晰可见。这种联系的一个具体呈现就是每周举行的农夫大集。
除去12月的一个周末，全年其他53个周六，无论刮风下雨，周边的农民都要在小城里举办他们的农牧产品大集。小城并没有特设的集市交易区域。周六，州政府的绿地和周边的街道全部为农民开放。城里的城管、警务、市政清洁均为乡下人服务。农民们开着自家的卡车，架起货摊儿，支起帐篷来展示他们的劳动成果。一顶顶大帐成了农民们交流、儿童们嬉戏的场所，种牛、种马和其他良种交易的大厅。农贸大帐与咫尺之外的议会大厦的屋顶遥相呼应，相得益彰。
农夫们通过这种形式为小城的市民提供了绿色新鲜的农副产品。更重要的是，他们采用“农村包围城市”的方式，使那些在白色大理石华盖之下的议员代表们明明白白地看到：一顶顶临时的、白色的帐篷为宏伟壮观的议会穹顶打下了坚实基础，让他们清清楚楚地记住手中权力的来源。用我们的话讲就是：载舟之水，“衣养万物而不为言，可名于小；万物归焉而不为主，可名为大”。
乌石化文体中心屋盖结构设计 篇3
随着科技与经济的发展, 人们对结构有了越来越高的要求, 结构的规模越来越大, 形式也越来越复杂。大跨度空间结构是一类结构受力合理、刚度大、重量轻、杆件单一、制作安装方便的空间结构体系, 它具有良好受力性能、形体优美, 具有大空间的跨越能力, 其良好的经济性、安全性和实用性, 使其成为我国发展最快的结构形式之一, 近年来在大跨度、大柱网的公共建筑中得到了广泛应用。
1 工程概况
乌石化文体中心位于乌鲁木齐市米东区乌石化生活区, 是乌石化公司职工、家属及周边群众锻炼身体, 组织文体活动的主要场所, 长为86m, 宽为68m, 建筑檐口高度23.3m, 总建筑面积8690m2。建设规模2800座, 乌石化文体中心分三层, 首层为羽毛球厅、乒乓球厅;二层为多功能厅、健身厅、瑜伽馆;三层为篮球场和排球场。建成后已成为一座集比赛、训练、集会、演出等功能于一体的设施先进的综合性体育场馆, 效果图见图1。
2 屋盖结构布置及特点
乌石化文体中心主体结构形式为钢筋混凝土框架结构, 屋盖为钢网架结构, 网架东西跨度50m, 南北跨度60m。网架支承在22根截面分别为1.3m×0.8m、1.2m×1.2m的钢筋混凝土柱上, 网架为正放四角锥钢网架, 网架矢高3.3m, 连接形式为螺栓球连接, 支座外挑4m, 钢网架与混凝土柱依靠弹性支座连接, 钢网架网格为边长3m的正方形, 所有杆件均为Q235-B钢材。网架平面、正立面布置图如图2、图3所示。
3 屋盖结构荷载与作用
3.1 设计使用年限与安全等级
按照设计任务书要求和相关设计规范, 结构耐久性设计年限为50年, 设计基准期为50年, 下部混凝土框架结构的安全等级为二级, 结构重要性系数为1.0, 屋盖钢结构的安全等级提高取为一级, 结构重要性系数取为1.1。
3.2 恒荷载与活荷载
屋盖恒荷载和活荷载标准值如表1所示。作为乌石化广大职工家属健身及中油系统篮球比赛之用, 要达到CBA比赛标准要求, 工艺要求较高, 活动扩声和照明设备、LED大屏、马道等局部吊挂荷载较大, 对于网架结构, 网架杆件以承担轴向力为主, 外部设备仅能吊挂于网架螺栓球节点上, 此荷载取值时应充分考虑各项因素, 确保其正确性和合理性。
3.3 地震作用
抗震设防烈度为8度, 设计基本地震加速度值为0.2g, 设计地震分组为第二组。建筑抗震设防类别为丙类, 设计基准期为50年。场地土类别为Ⅱ类, 场地特征周期为0.35s, 建筑结构的阻尼比为0.05。
3.4 风荷载
结合相关规范标准, 本工程取50年一遇的基本风压0.6k N/m2, 地面粗糙度类别为B类。
4 屋盖结构设计
屋盖采用正放四角锥钢网架, 采用下弦多点支承, 支座均设在钢筋混凝土框架柱上。屋盖网架内力分析采用浙江大学MSTCAD程序进行计算, 并采用橡胶支座以部分释放网架水平推力及温度作用影响。计算网架水平震动作用时仍依照8度设防烈度, 不需考虑其他因素。
分析屋盖网架结构时, 为了避免诸多客观因素的干扰, 也为了减少分析工作量, 应采用橡胶支座, 通过计算和分析橡胶垫的变形, 获取橡胶垫本身的水平刚度和竖向刚度 (Kx=Ky=5.23k N/mm) , 然后以此为依据分析网架支座的结构。分析结果显示支座最大水平力为90k N, 但若假设橡胶垫不具变形能力的话, 支座的最大水平力就会增大, 变成175k N, 而过大的水平力会严重影响网架的下部结构。而采用橡胶垫后, 由于最大水平力会大大减少, 上述问题会迎刃而解。关于橡胶垫的设计具体要求如下:厚度100mm, 平面尺寸600mm×600mm, 内夹薄钢板, 橡胶层总厚度为70mm。在试验过程中由于在橡胶垫的作用下支座的最大位移仅为30.7mm, 因此通过采用橡胶垫, 在地震作用下, 也会有效减少地震反应, 减小其对下部结构的不利影响。
5 高精度预埋件及叠层橡胶隔震垫的应用
由于屋盖网架施工复杂, 周遭影响因素众多, 施工难度很大, 此时若采取传统的方法进行施工, 难以满足施工需求, 应依据施工具体情况, 选用科学合理的施工方法, 即将锚板与锚筋分离施工, 先预埋锚筋, 再钻孔焊接锚板, 最后注浆的施工方法。首先在柱内预埋已经焊接成骨架的锚筋, 等结构混凝土完成施工准备工作后, 依据锚筋实际位置将锚板钻孔塞焊固定, 同时保证锚板的各项参数符合相关要求, 如此可有效保证预埋精度。锚板固定后, 采用高强无收缩灌浆料进行注浆。该种注浆料呈自流态, 1天的强度即可达到50MPa, 并具有微膨胀性, 从而保障了锚板与混凝土的紧密结合。尤其是对于大型预埋件来说, 该方法具有广泛的应用空间。
6 采用大跨度钢网架结构及叠层橡胶隔震垫技术的效果
实践证明, 文体中心屋盖采用大跨度钢网架结构及叠层橡胶隔震垫技术后, 大大节约了建筑的单位面积用钢量, 节省了建筑投资。
文体中心屋盖采用双层正放四角锥钢网架, 网架矢高3.3m, 结构杆件采用的最大无缝圆管直径194mm (t=5mm) , 该屋盖结构设计的理论用钢量约为53.3kg/m2, 比传统结构形式用钢量大幅下降。
文体中心屋盖结构的静内力及变形受到很多因素的影响, 跨中沿y方向的杆件受力对整体网架具有直接的作用, 其中下弦杆件及腹杆主要受拉力的作用影响, 上弦杆件主要受压力的作用影响, 因此可知, 不同支座约束条件下杆件内力是不同的, 具体如表2。
分析表2可知, 在与固定约束相比, 在弹性约束情况下网架的变形更大, 因此不仅增加了杆件的轴力, 也加大了拉力的增幅。然而与设计值相比, 还存在较大差距, 其原因是跨中节点z向及y向位移增幅较大, 导致杆件变形增大, 所以拉力增大。采用这种技术, 减小地震作用对下部结构产生的不利影响。
7 结束语
通过乌石化文体中心工程的屋盖结构设计, 可得到如下几点结论: (1) 大跨度的体育建筑屋盖采用钢网架结构具有受力合理, 造型优美, 结构轻盈, 空间体积利用率高等优点。 (2) 后装锚板的施工方法能够保证大型预埋件的预埋精度, 同时又保证了柱头混凝土的浇筑质量。 (3) 对大跨度网架结构来说, 采用橡胶支座是一个明智的选择, 因为橡胶支座的变形能力可有效释放支座的水平推力, 还能够大大减少温度作用, 同时还可以利用橡胶垫的变形减小网架本身的地震反应, 如此有利于下部结构的设计。但需要注意的是由于橡胶支座在整个施工中的作用举足轻重, 必须保证其质量符合相关标准和规范要求, 不仅要进行产品性能试验, 还要进行现场抽样检测。
参考文献
[1]JGJ7-2010, 空间网格结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社, 2010.
[2]吴兵, 孟美莉, 傅学怡, 等.2011年第26届世界大学生运动会篮球馆结构设计[J].建筑结构, 2009.
浅谈张弦梁屋盖结构设计与施工 篇4
张弦梁结构是用撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件, 并通过在抗拉构件上施加预拉力以减轻压弯构件负担而形成的自平衡体系。一般由拱梁 (抗弯受压) 、弦 (抗拉) 以及撑杆组合而成, 属于组合张拉结构。它充分发挥了钢索抗拉强度高和拱形结构抗压性能好的特点。
近年来, 轻质屋面覆盖材料大量推广, 加上我国的钢产量迅猛增加, 国内张弦梁应用也逐渐发展起来。例如上海浦东国际机场航站楼大跨度张弦梁结构 (最大跨度82.6 m) 的建成, 填补了国内的空白。此后, 陆续设计施工完成的较大跨度张弦梁结构有广州国际会议展览中心屋盖 (最大跨度126.6 m) 、哈尔滨国际会展体育中心屋盖 (最大跨度128 m) 等。
张弦梁的结构形式分为张拉直梁、张拉拱、张拉人字型拱三种, 其中张拉拱的形式用得最多。上弦拱梁根据刚度需要可以用实腹组合截面或三角立体桁架, 后者刚度更大, 在大跨度结构中也更常用。对于张弦梁结构的屋面体系, 当采用轻型屋面而结构气动外形不利时, 结构的抗风设计是整个结构设计的关键, 必须考虑有效的抗风设计措施。张弦梁结构体系中, 预拉力大小对整个结构的工作性态和用钢量都有至关重要的影响, 过大和过小都不利于结构受力, 工程技术人员结合具体工程, 探讨了不同预拉力值对结构受力性能的影响, 并尝试提出了如何确立合理预拉力值的方法。对于张弦梁结构的设计, 一般认为张弦梁结构体系几何非线性表现不明显, 撑杆的失稳临界荷载远大于正常荷载, 因此在正常使用荷载下能够保持稳定, 不需要另加侧向约束。通常, 拱梁弯矩较小, 以轴力为主, 剪力很小, 不起控制作用, 拱梁承载力的控制截面在靠近支座处。
张弦梁是一种半柔性结构, 下弦拉索张拉成型后, 其结构体系才能形成。张弦梁结构体系的张拉施工工艺是保证其工作性态的必要条件, 因此, 对其张拉吊装施工工艺要求较高。张弦梁的施工控制方法有两种:
(1) 控制索张力:要求有专业仪器, 往往需要多次的反复张拉。
(2) 控制索原长:建立在理论假设的基础之上, 与实际工程有一定的差别。
张弦梁的施工张拉方式按空间位置分为:
(1) 原位张拉:施工方便, 但所需场地较大, 施工效率低。
(2) 胎架张拉:所需场地小, 施工快捷, 但胎架柱顶钢支座设计复杂, 且难以准确计入摩擦力的影响。
(3) 吊起张拉:施工效率高, 无须设计胎架柱顶钢支座, 消除了摩擦力的影响, 张拉值更准确, 但需要附加设备参与施工, 较难测量挠度与控制索力。
2 某游泳池屋盖张弦梁结构的分析
2.1 设计背景
该泳池置于酒店裙房顶层, 裙房多层, 主楼高层, 为框架剪力墙结构。本次设计是将原有的露天游泳池改建成有采光屋顶的室内游泳池。结构设计采用张弦梁体系作为屋面主体结构, 其上覆盖玻璃。新建张弦梁支承于裙房顶, 在裙房柱顶布置一道刚性较大的环梁, 作为各榀张弦梁的支承结构。考虑张弦梁的侧向稳定以及玻璃划格大小, 在每两榀张弦梁之间设置五道刚性支撑。并在刚性支撑之间设置两道索桁架, 索桁架跨中设一个接驳爪, 形成点支式玻璃幕墙1.5 m×1.5 m的玻璃分隔。
2.2 计算模型及分析
2.2.1 计算模型
根据张弦梁的特点, 采用混合有限元进行几何非线性分析, 将拱梁离散为元, 撑杆采用杆元模拟。撑杆与拱梁之间弦梁与支座处圈梁之间连接采用一端铰支动的连接方式, 次梁与张弦梁上弦拱梁之接, 为其提供侧向支撑, 保证张弦梁稳定。
2.2.2 拉索预拉力分析
最佳预拉力的确定在满足结构整体刚度和几何位形的前提下还要考虑其使用过程中的性能, 尽量减少刚性构件在使用荷载作用下的应力和结构的变形。在设计中, 将张弦梁索预拉力依据其在结构中的不同作用, 分为以下几部分:
T1=To+Ta=Te+Tp+Ta
其中:T1-张弦梁工作状态下的张力;Te-由结构自重产生的拉力;Tp-结构性能控制指标引进的拉力;Ta-外荷载产生的附加拉力;To-结构成型时索的初始预拉力。设计时, 首先需确定一个大致的索预拉力值, 在这个预拉力值的基础上, 根据实际工程起控制作用的主要工况, 通过非线性分析进行调整, 以得出最终的索预拉力值。在预拉力的组成中, Te和Ta比较容易确定, 关键是Tp, 需要考虑控制结构变形需加的预拉力。当风吸力大于自重时, 为保证拉索不至失效所需附加的预拉力, 在下一步非线性分析时再加以调整。在 (1.2恒+1.4活) 作用下, 可通过计算得出结构变形值, 然后根据规范容许变形值可得所需的反向变形值, 计算出使结构反向变形达到这些值所需的预拉力值, 即为工况①下的Tp。具体步骤如下:
(1) 在索的初始预拉力为0的条件下, 计算出1.2恒载下的Te
(2) 在索的初始预拉力为0的条件下, 计算出1.4活载下的Ta
(3) 在索的初始预拉力为0的条件下, 计算出工况①下结构变形U1, 然后根据U1可初步校核上弦拱梁刚度是否合理, 并作适当调整。
(4) 根据规范要求, 计算出容许变形限值[U];设U1与[U]的差值为%U, %U=U1-[U], 则-%U即为所需的结构反向变形值, 用以确定Tp
(5) 试算出结构仅在拉索受张力情况下, 发生反向变形值-%U时索的张力, 即为工况①下的Tp;由此可得出大致的索预拉力Z
2.2.3 结构抗风设计
对于张弦梁结构体系, 多用轻型屋面, 当风吸力大于屋盖自重的时候, 会引起屋架下弦拉索张力消失而退出工作, 导致结构整体失效, 所以必须考虑抗风设计, 常用措施有三种:
(1) 加大屋面自重, 如采用自重较大的屋面材料或张弦梁上弦杆内配重。
(2) 采用拉结措施, 减小风吸力下反向变形。
(3) 加大索力, 保证在风荷载工况下拉索始终张拉。
表1列出变形最大的一榀张弦梁在工况① (1.2恒+1.4活) 、工况② (1.0恒+1.4活) 时的各项响应指标, 该榀张弦梁的索预拉力为60kN。
本工程屋面材料已定, 上弦杆配重也不便于施工, 而采用拉结措施对建筑效果及使用功能影响较大, 所以只能采用第三种方法, 但需要适当加大上弦杆截面的刚度。因为加大预拉力后, 如上弦杆刚度不足, 在风吸力作用下, 反拱变形过大, 会引起更大的拉索张力卸载, 导致加大预拉力达不到应有效果。
2.2.4 节点设计
张弦梁一端采用滑动支座 (图1) 确保拉索参与整体工作, 索内力与上弦拱梁内应力共同作用, 构成一个自平衡的结构体系。因此, 为保证分析模型与工程实际相一致, 滑动支座的设计在整个张弦梁的设计中显得尤为重要。
滑动支座的设计主要包括以下两点:支座节点的构造以及允许的最大位移量。本工程采取了最简单易行的开长圆孔方法来保证支座沿张弦梁轴线方向可移动。依据结构在最不利荷载作用下的最大支座位移 (包括温度影响) , 支座钢板上开70 mm长圆孔即能保证张弦梁滑动端自由变形, 并要求施工完成后, 滑动销位于长圆孔的中央。
设计要求张弦梁撑杆在张弦梁平面内可适当转动, 并且索由撑杆底部通过。浦东国际机场张弦梁屋盖设计中, 撑杆与索的连接处采用了球形节点。由于本工程跨度相对较小, 撑杆截面也不大, 自身钢管壁较薄, 采用同样的球形节点显然不合适。因此, 设计了一个更为小巧适用的钢构件, 如图2所示。满足计算模型假定的要求, 并保证了传力的可靠性。
撑杆与上弦拱梁连接处, 为保证其在张弦梁平面内可转动, 设计了一个栓接节点, 如图3所示。考虑到撑杆传给上弦拱梁下翼缘中间的集中力较大, 因此在下翼缘外侧设置加劲钢板, 将撑杆轴力分散传给拱梁腹板。既保证了拱梁下翼缘局部受力, 又避免了在箱型拱梁内部焊接加劲肋, 施工方便快捷。
2.3 施工过程分析
本工程张弦梁位于酒店裙房楼顶, 具备工作面, 故施工时选择了最简便易行的原位张拉法。考虑外索预拉力并不很大, 用控制索原长的方法进行张拉。为了方便施工, 本工程采用了一种独特的张拉控制手段——只在钢架成型时控制索拉力。设计时通过对模型的详细计算分析, 将施工过程中其他阶段的索拉力控制在允许范围之内。施工中, 在张弦梁上弦拱梁安装就位后, 进行索张拉;张拉完毕后, 观测拱梁各控制点的标高, 以及张弦梁一侧滑动支座处的支座位移, 进行微调;当各项控制指标达到设计要求后, 即认为索的工作预拉力已达到设计要求。然后从跨中向两边对称进行屋顶玻璃面板的安装。采用这样的施工方法, 只在最初阶段需要控制索拉力, 张拉一次完成, 简化了施工操作, 缩短了施工周期。但也有一些局限性, 由于仅在钢结构自重下进行张拉, 张拉时会造成结构较大的反拱, 这就需要张弦梁的上弦拱梁具有足够的刚度, 并且不适用于跨度较大的张弦梁。但这种施工方法在本工程的成功应用, 证明其对中小跨度的张弦梁有一定的适用性, 可加快施工进度。
3 设计体会和总结
(1) 张弦梁上弦拱梁的截面选取:上弦拱梁在恒载和活载工况下, 弯矩比较小, 以轴力为主, 弯矩最大值出现在支座附近截面, 因此, 设计中最不利截面应选取在支座附近。
(2) 本工程上弦拱梁截面由风荷载控制, 为保证拉索在风荷载工况下不出现松弛, 必须加大拉索预拉力。要以风荷载工况来合理选择拱梁截面。
(3) 在风荷载和屋面结构自重相差不多时, 可通过调整拱梁刚度和拉索预拉力来保证张弦梁工作性态。单纯的调整拱梁刚度和拉索预拉力的效果会不理想, 也不经济, 这时可考虑在上弦拱梁跨中配重。
屋盖结构设计 篇5
本工程钢结构屋盖提升选用计算机控制液压同步整体提升技术, 它采用柔性钢绞线承重、提升油缸集群、计算机控制、液压同步提升新原理, 可以全自动完成同步升降、实现力和位移控制、操作闭锁、过程显示和故障报警等多种功能, 结合现代化施工工艺, 将成千上万吨的构件在地面拼装后, 整体提升到预定位置安装就位, 实现大吨位、大跨度、大面积的超大型构件超高空整体同步提升。
1工程概况
机库总建筑面积7030m2, 其中维修机库6400m2, 大厅跨度为92.4m, 进深为66.5m, 屋盖网架采用二层斜放四角锥网架, 下弦支撑, 最大安装标高为+26.175m, 平面尺寸66.5m×92.4m, 网格尺寸5.4m×5m, 网架厚4m-6.3m, 网架下弦高20m, 机库大门处屋盖采用三层网架, 总高度8.0m-10.3m, 网架下弦标高16.3m, 网架节点为焊接空心球节点, 支座节点采用平板支座。 提升重量约580吨。 参见图1-图2。
2 重点施工工艺
本工程整体提升施工拟采用二次拼装、二次提升的施工工艺。 第一次拼装标高19.5m以上部分网架, 该部分网架拼装完成后进行第一次提升, 利用液压同步提升系统将已拼装完成的单元整体提升4.5m, 暂停提升, 进行标高15.4-19.5m网架拼装, 二次拼装完成后, 利用液压同步提升系统将整个屋面钢结构整体提升至设计标高。
2.1 整体提升点平面布置
2.1.1 提升点选择原则
为保证提升过程中的结构安全, 提升点的选择应充分考虑到被提升结构的受力体系特点, 以不改变结构受力体系为原则, 在提升过程中结构的应力比及变形均控制在合理范围内。 机库提升共布置13 个提升点, 其中D13 为组合塔架提升, 其余提升支架设置在混凝土柱顶。 参见图3。
2.1.2 整体提升吊点反力标准值。 见表1。
2.2 网架提升分析计算
2.2.1 网架第一次提升有限元分析
采用空间有限元程序对被提升结构进行整体建模分析, 网架提升过程中, 提升吊点相对于网架支座受力状况出现一定变化, 根据计算, 对受力变化较大杆件进行替换, 管径加大, 以满足提升要求。 应力比分布结果如图4。
提升时, 图中超标杆件的最大应力比为2.18, 需要对杆件进行代换, 代换可按照应力比的比例进行代换。 如图5。
结构跨中的最大竖向变形为130mm, 吊点之间的最大跨度约为90000mm, 变形为跨度的, 小于的跨中变形限值, 符合《 钢结构工程施工质量验收规范》GB50205 规范要求。
2.2.2 网架第二次 ( 整体) 提升有限元分析
采用空间有限元程序对被提升结构进行整体建模分析, 应力比分布结果如图6。
提升时, 图中超标杆件的最大应力比为2.82, 需要对杆件进行代换, 代换可按照应力比的比例进行代换。 如下图7。
结构跨中的最大竖向变形为100mm, 吊点之间的最大跨度约为90000mm, 变形为跨度的, 小于的跨中变形限值, 符合《 钢结构工程施工质量验收规范》GB50205 规范要求。
2.3 提升不同步验算
在提升过程中, 提升成套设备的设有不同步响应系统, 允许提升施工存在设定幅度的不同步, 一旦不同步超越设定幅度, 提升设备即自动启动响应系统以确保提升施工的安全。钢结构提升全过程由计算机同步控制系统实时监测, 使提升器的不同步提升力控制在20%以内, 同时控制不同步提升位移在50mm以内 ( 以提升力控制为主) 。 模拟中, 首先加载不同步支座节点位移50mm, 通过判定不同步提升力是否超过同步提升力的1.2 倍, 若超过则由力控制, 反之则由位移控制。 杆件应力比验算时荷载组合:1.4 自重荷载+1.0 不同步荷载。
本计算采用MIDAS/Gen V821 有限元程序仿真分析。提升共有12 个提升点, 由结构对称性, 依次选取左侧6 个吊点分6 种工况进行不同步验算 ( 本文中选择最不利工况进行分析, 如图8、图9 所示。
从以上分析可以看出, 吊点在不同步荷载 ( 位移控制) 作用下, 大部分吊点的反力均发生变化, 但变化幅度均很小。应力比也仅仅不同步下吊点附近的杆件应力比稍有改变, 应力比均小于1, 在可控制范围内, 结构整体的应力比变化情况不大。
3 结束语
大型屋面网架若采用分件高空散装, 不但高空组装、焊接工作量大、现场机械设备很难满足吊装要求, 而且所需高空组拼胎架难以搭设, 存在很大的安全、质量风险。施工的难度大, 不利于钢结构现场安装的安全。 将结构在安装位置的正下方地面上拼装成整体后, 利用“ 超大型构件液压同步提升技术”将其整体提升到位, 将大大降低安装施工难度, 于质量、安全、工期和施工成本控制等均有利。
参考文献
[1]王涛, 张宇鹏, 廖维张.某机库钢结构网架屋盖整体施工方案设计[J].建筑技术开发, 2013 (03) .
[2]郭彦林, 王永海, 刘学斌.首都国际机场A380机库屋盖整体提升一体化建模分析[J].2007 (05) .
[3]GB 50017-2003, 钢结构设计规范[S].中华人民共和国建设部, 2003.
[4]GB50018-2002, 冷弯薄壁型钢结构技术规范[S].中华人民共和国建设部, 2002.
[5]DG/TJ08-2056-2009, 重型结构 (设备) 整体提升技术规程[S].同济大学, 2009.
屋盖结构设计 篇6
自从压型钢板于上世纪80年代引进我国以来, 轻钢屋盖在我国的应用越来越广泛, 特别是《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的编制和颁布实施, 更进一步促进了轻钢屋盖的广泛应用。近年来, 一些业主出于防腐抗火或其它方面的考虑, 提出采用混凝土柱上轻钢屋盖单层房屋结构的设计要求, 而且有越来越多的趋势。
工程上的这类结构主要有两大类:一是混凝土柱上采用钢两铰直线拱的排架结构, 称之为混合排架结构, 对于单跨结构而言, 其受力特点较之采用梯形钢屋架的普通排架结构, 主要区别在于在竖向荷载作用下钢两铰直线拱在混凝土柱顶产生推力, 使柱顶产生侧移, 此时混合排架结构属于跨变结构, 此外当屋面坡度小于1/12时, 拱的作用极小, 几乎接近于平面折梁的工作, 设计中必须充分考虑;另一类是混凝土柱上采用钢斜梁的门式刚架结构, 其与全钢门式刚架结构 (斜梁和柱都采用钢构件) 在受力方面基本相同, 当为单跨时都属于跨变结构, 但钢斜梁端部刚接于混凝土柱顶, 如何保证其连接刚度, 是设计中必须认真考虑的关键技术。此外, 由于钢屋盖与混凝土结构设置温度缝的要求不同, 前者温度缝的间距可以远大于后者, 因此在设计中如何协调这一矛盾也是必须解决的关键问题。
对于上述结构类型目前还没有相应的国家标准来规范其设计和施工, 市场上能见到的技术手册似亦偏简单, 不足于据之完成设计和施工工作[1], 因此福建省建设厅组织编制《钢-混凝土混合刚 (排) 架单层房屋结构技术规程》DBJ13-106-2008[2] (下称省规程) , 我们在实际工作中也经常遇到这类工程, 本文根据我们做过的工程, 参照文[1]、[2]及国家现行相关标准, 对这两类工程的混合刚 (排) 架结构设计作一简要介绍, 希望能得到同行专家的指点。
2 有关设计中的几个问题讨论
2.1 采用混合排架或混合刚架时的支撑布置
为保证房屋纵向的结构整体刚度, 纵向可采用混凝土框架, 但混凝土结构伸缩缝间距不宜大于55m, 而对于轻钢屋盖伸缩缝间距可达220m (《钢结构设计规范》GB 50017) , 这是一对矛盾。对于纵向长度大于55m的单层房屋, 解决这一矛盾可有两个方案:一是设置双柱, 在设置双柱的两侧均设置屋盖横向水平支撑, 这种做法的本质是轻钢屋盖的伸缩缝间距取与混凝土结构一致;另一方案是在纵向柱间采用型钢支撑, 通过与支撑杆件连接的螺栓孔以及支撑杆件的变形来消化纵向温度变形, 这样伸缩缝间距可与轻钢屋盖相同, 这也是《建筑抗震设计规范》GB 50009推荐的做法。
2.2 柱顶节点的合理构造
2.2.1 混合排架的柱顶节点
混合排架上钢拱脚与混凝土柱顶的连接节点应采用铰接节点, 必须保证传递节点处的拉力或压力和剪力, 参考CECS 102, 省规程图7.2.1给出了详细的构造做法, 本文不再赘述。
考虑到在工程实践中二次灌浆的施工质量常常差强人意、甚至抗剪槽内充斥泥巴和杂物以及锚栓的预埋位置偏差太大的情况时有发生, 笔者建议可采用过渡板的做法 (图2.2.1) , 过渡板下的予焊锚栓 (可为一对或两对) 与过渡板事先用塞焊焊牢, 这样可使锚栓正确定位。安装定位后过渡板与柱顶的预埋钢板满焊焊牢, 拱脚底板的栓孔仅比过渡板上锚栓杆直径大1～1.5mm, 垫板与柱脚底板同厚, 并与拱脚底板焊牢, 垫板上用双螺帽拧紧。
轴向压力通过拱脚底板与过渡板、过渡板与柱顶预埋钢板的承压传递, 轴向拉力和水平力由过渡板上予焊的锚栓以及过渡板与柱顶预埋钢板的焊缝承受。这种做法避免了预留二次灌浆和设置抗剪键的问题, 施工方便、质量可靠, 应该是值得采用的一种构造方法。
2.2.2 混合刚架的柱顶节点
混合刚架中, 斜梁端部与柱顶的连接应采用刚接节点, 必须保证传递节点处的弯矩、剪力和轴力, 同时在受荷条件下梁柱交角不变, 省规程图7.2.2给出了详细的构造做法, 为讨论方便, 现抄录如图2.2.2所示。
一般情况下图2.2.2 (a) 可以满足节点刚性的要求[2,3], 但有时需要加大柱顶截面, 保证节点两边的锚栓有较大的力臂承受节点弯矩, 同时一样存在柱顶需要二次灌浆以及设置抗剪键的问题;
图2.2.2 (b) 的做法, 避免了预留二次灌浆和设置抗剪键的问题, 节点内力由钢斜梁端部底板与柱顶预埋钢板的连接焊缝承受, 对于重要工程或者刚架跨度较大时, 尚可在柱顶周边增加预埋侧板, 形成钢管混凝土作为过渡, 还有利于增加柱顶节点的延性, 其受力及抗震性能都将更好, 这应该是较好的一种构造做法, 其不足之处只在于需要高空焊接;
图2.2.2 (c) 、 (d) 的做法, 节点内力由钢斜梁端部底板与传力板的连接焊缝承受, 此传力板与柱两侧的预埋钢板焊牢, 预埋锚栓只起定位作用 (亦可承受轴拉力) , 对拉锚筋主要是用于柱两侧预埋侧板的定位, 除了柱顶需要二次灌浆之外, 同样需要高空焊接。
图2.2.2 (d) 在垂直于刚架平面的柱两侧增加上下两块箍板, 有利于增加柱顶节点的连接刚度, 实际上这种构造做法可以取消二次灌浆层, 将其上部的箍板移至顶部, 与钢斜梁端部底板焊接, 有利于增加柱顶节点的延性, 也有利于传递柱顶的水平力和弯矩。
2.2.3 混凝土柱顶的构造做法
对于这两类结构, 在工程中常有混凝土柱顶开裂的问题, 钢拱脚或钢斜梁端部与混凝土柱顶连接的两种不同材料中, 混凝土属于脆性材料, 而且柱顶受力比较复杂, 如果在构造上不加处理, 在拉、压应力和剪应力的共同作用下, 出现开裂情况在所难免。据之省规程规定混凝土柱顶纵筋和箍筋构造应采取加强措施 (详见省规程图7.2.3) , 当混凝土柱顶有预埋钢板时可参照本文提出的图2.2.3的构造做法。
2.3 计算假定及位移限值
对于单跨混合排架, 在竖向荷载作用下, 属于跨变结构, 对于省规程规定的适用坡度, 按拱脚与柱顶连接的实际构造做法, 考虑拱脚嵌固度的影响, 其几何非线性分析 (考虑P-△效应) 的结果, 较之按拱脚与柱顶的连接为理想铰接作线性分析的结果, 除拱脚 (柱顶) 处有弯矩外, 其它内力和节点位移、拱肋挠度均小得多, 而拱脚弯矩绝对值小于柱底弯矩、拱顶弯矩和拱肋最大弯矩, 因此可以不考虑P-△效应影响[4], 计算简图取拱脚与柱顶为理想铰接计算, 实际上偏安全, 拱肋位移限值可参照CECS 102对钢斜梁的规定, 亦偏安全。
对于混合刚架, 即使按图2.2.2 (a) 的构造做法, 只要锚栓按柱顶节点内力计算, 其节点刚度亦能满足刚接要求, 柱顶与钢斜梁的连接可以作为理想刚接计算[3]。
按照省规程的规定, 在风荷载或地震力作用下, 刚 (排) 架方向的柱顶位移与柱高的比值, 无桥式吊车时不应大于1/300, 有桥式吊车时不应大于1/400[2]。
2.4 钢构件选型
混合排架中的拱肋内力中弯矩和轴力产生的应力相差并不太多, 同时拱脚与柱顶的连接实际上并不是理想铰接, 而有一定嵌固弯矩, 考虑到拱脚嵌固度的这一影响, 实际上在轴力最大的拱脚处有弯矩, 因此拱肋宜采用等截面构件。有些工程师采用屋脊处加腋的变截面构件, 这是按平面折梁设计的做法。
混合刚架的钢斜梁的受力情况类似于全钢门式刚架, 钢斜梁可采用变截面加腋梁。
3 设计实例
3.1 工程的技术条件
工程平面尺寸:宽×长=24m×150m;采用混凝土柱, 纵向柱距7.5m, 檐口高度:8.5m;屋面做法:单层压型钢板, 50厚24K玻璃纤维保温棉;墙面做法:标高1.2m以下为砖墙, 以上为压型钢板;屋面檩条:Z型冷弯薄壁型钢连续檩条;墙梁:C型冷弯薄壁型钢;
屋面恒载:0.2kN/m2;屋面吊挂荷载:0.15kN/m2;屋面活载:计算屋面檩条时采用0.5kN/m2;计算刚架或排架时采用0.3kN/m2;设计基本风压:0.8kN/m2, 地面粗糙度类别:B类;抗震设防烈度:7度, 设计地震基本加速度:0.15g, 场地类别:Ⅱ类;设计地震分组:第1组;按国家现行相关标准进行荷载组合计算。
本文分别按混凝土柱上采用钢两铰直线拱的混合排架和混凝土柱上采用钢斜梁的混合门式刚架, 作了设计计算。
3.2 支撑布置
为保证纵向的结构整体刚度, 在房屋纵向采用柱间支撑的做法。考虑到抗震设防烈度为7度、且房屋长度超过120m, 在房屋纵向的中部1/3区段设置两道柱间支撑, 并在房屋两端开间设置上柱支撑 (为避免温度应力的不利影响, 端部开间不设下柱支撑) , 见图3.2[5]。
3.3 构件选型及结构计算
对于混合排架, 选用C30混凝土柱, 柱截面为400×600mm, 钢拱肋采用等截面, 截面尺寸为H650×220×5×10, 材料为Q345A;计算结果见表3.3.1及图3.3.1。
对于混合门式刚架, 选用C30混凝土柱, 柱截面为400×600mm, 钢斜梁采用加腋梁, 梁端加腋水平长度4.5m, 截面为H (650～400) ×200×5×8, 其余采用等截面H400×180×5×8, 材料用Q345A。计算结果见图3.3.2及表3.3.2。
3.4 讨论
1) 对于混合门式刚架梁柱连接节点的构造做法:
从图3.3.2可见, 由于风吸力在柱顶引起的轴拉力以及柱顶弯矩较大, 柱顶截面高度增大250mm至850mm后, 锚栓采用Q345仍然需要2M52 (或3M42) ;这就说明尽管采用锚栓连接的做法可以满足混合门式刚架梁柱连接节点刚性的要求, 但往往需要采用很大直径的锚栓、甚至还需要加大柱顶处的截面高度, 这种做法就不是很好的做法, 甚至可能是行不通的做法。一般情况下宜采用图2.2.2 (b) 、 (c) 、 (d) 的做法。
2) 由表3.3.1和表3.3.2的比较可见, 混合刚架的受力性能优于混合排架;采用混合刚架的屋面坡度可小于采用混合排架的屋面坡度;对于钢构件按轴线计算的用钢量:混合排架的钢拱肋为1422.5kg, 混合刚架的钢斜梁为871.2kg, 当混合刚架采用图2.2.2 (b) 、 (c) 、 (d) 的柱顶节点做法时, 虽然柱顶节点的构造用钢量相当大, 但总用钢量以及混凝土柱配筋量仍比混合排架少 (限于篇幅, 详细比较从略) ;混合排架柱顶节点的构造做法比混合刚架的柱顶节点做法简单得多。设计时选用那一种结构形式宜根据工程特点确定。
4 结语
本文对于支撑设置以及混合刚架和混合排架的工作性状和受力性能的分析讨论、对于柱顶节点的构造特点、传力机理的探讨和补充建议, 可供工程设计中参考。
参考文献
[1]魏潮文等, 2005.03, 轻型房屋钢结构应用技术手册, 北京, 中国建筑工业出版社
[2]福建省工程建设地方标准, 钢-混凝土混合刚 (排) 架单层房屋结构技术规程, DBJ13-106-2008, 中华人民共和国工程建设地方标准备案号J11328-2009。
[3]魏潮文, 郑莲琼等, 梁柱节点刚度对混合门式刚架结构分析的影响 (待发表)
[4]魏潮文, 郑莲琼, 洪方勇, 拱脚嵌固度对钢-混凝土混合排架分析的影响 (待发表)
某大跨屋盖结构静风荷载响应分析 篇7
随着我国建筑技术的发展, 大量造型新颖的大跨度屋盖结构被广泛应用于机场候机厅、会展中心、大剧院、体育馆等公共建筑。这些结构具有质量轻、柔度大、阻尼小、自振频率低等特点。因而风荷载逐渐成为控制结构设计的荷载之一。而且这类结构往往比较低矮, 在大气边界层中处于风速变化大、湍流度高的区域, 再加上屋盖结构造型新颖, 其绕流和空气动力作用十分复杂, 所以对风荷载十分敏感。大型现代建筑在风的作用下整体破坏的例子并不多见, 但其局部表面或屋盖局部被掀开以致整个屋面被破坏的例子却时有发生。文献[1]中提到一座66.5m×53.4m的游泳馆金属屋面屡次被掀开的事实。在国内, 此类建筑也屡遭风灾破坏, 8807号台风造成杭州市体育场屋顶严重损坏, 9417号强台风在温州登陆后造成温州机场屋盖严重受损。这些破坏实例表明大跨度屋盖结构比主体结构更容易发生风致破坏, 作为城市标志和景观的现代公共建筑, 其屋面一旦遭受破坏, 影响极其深远。国内外大量学者对大跨度屋盖结构的风荷载响应进行了研究[2~10]。
在风荷载作用下, 大跨度空间屋盖结构, 会发生很大的结构变形, 一方面改变了结构刚度;另一方面静风荷载的大小也会发生变化, 并反过来加剧结构的变形, 当风荷载增大到一定程度, 最终会导致结构的失稳。早期的静风效应分析采用的是以线性理论为主, 该方法通过分析结构特征值来估算结构的稳定临界力。但由于线性理论不能够考虑结构变形因素的影响, 忽略了初应力和变形中高阶量的作用, 通常会过高地估计结构的承载能力, 因此非线性分析理论得到了发展[11]。
本文以新广州站主站房屋盖结构为研究对象, 主要研究了该结构的静力风荷载效应。新广州站主站房屋盖结构主要由中央采光带索壳结构以及两侧跨度为36~90m的索拱结构组成[12]。
2 最不利风向角的确定
2.1 节点静风荷载计算
按照我国《建筑结构荷载规范》, 计算主要承重结构时, 作用在建筑物表面上高度为z的第i测点处的风荷载标准值的计算公式为:
式中为高度z处的风振系数, 参照类似工程经验, 一般取值为1.6~2.0, 此处静力分析中统一取为2.0, μsi, 为风荷载体型系数;μzi为风压高度变化系数;wo R为基本风压, 随重现期的不同取不同的值 (下标R代表重现期, 取为50年和100年) 。本工程对应于50年和100年重现期的wo R分别为:0.45k Pa和0.50k Pa。
对C类风场, 风压高度变化系数为:
根据试验测得的各测点的平均风压系数, 换算得到各测点的体形系数, 即:
将μsi和μzi的计算表达式, 代入公式⑴, 有:
平均风压系数, 可以利用屋盖结构的刚性模型风洞实验结果, 分块予以确定。本工程的风洞试验数据由中国建筑科学研究院建研科技股份有限公司提供[15]。根据不同的风向角, 分别计算出各分块节点所承担的风荷载数值, 并对应施加到相应节点上, 计算其风荷载效应, 并分析其最不利的风向角。
2.2 最不利风向角
在不同风向角下, 大跨度屋盖迎风前缘、中部及后缘各部分的分块平均风压系数或分块体型系数, 差别非常大, 如果在后续的荷载效应分析中, 把每个风向角下的风荷载数值都分别组合进去, 那将形成很多的计算工况。事实上, 只要能找出最为不利的风向角, 计算出各分块节点所承担的风荷载数值, 并对应施加到相应节点上进行抗风计算, 既可大大减少计算工况, 又能保证结构的经济安全。最不利风向角的确定方法, 一般是以风荷载值本身作为标准进行比较, 本文尝试以结构静风响应作为标准进行判断。
2.2.1 以风荷载值为标准
一般认为, 对于结构整体而言, 最不利风向角有以下三种情况:负风压最大、正风压最大和风压梯度最大。主站房屋盖的等效静力风荷载主要以向上的荷载为主, 因此主要考虑负风压最大。两个南北向主入口挑檐以及与雨棚相接的挑出边缘是风荷载较大的区域:主站房南侧弧形挑檐的100年重现期风荷载值最大值等于-3.1KPa, 出现在45度风向角;主站房屋盖与雨棚相接的挑出边缘的100年重现期风荷载值最大值等于-3.68KPa, 出现在90度风向角;主站房北侧弧形挑檐的100年重现期风荷载值最大值等于-2.64KPa, 出现在180度风向角。负风压最大值出现的90度风向角, 而且风压梯度最大变化也出现在90度风向角, 所以取90度风向角为最不利风向角。
2.2.2 以结构静风响应为标准
荷载数值和结构响应, 就像一个测试系统的输入和输出两部分, 对于己经确定的系统即被分析的结构模型, 输入和输出往往是一一对应的。以结构的静风响应作为标准, 就是先将各种工况的风荷载分别施加到分析模型上, 再以节点的最大位移响应及单元的最大应力响应为条件选出最不利风向角。
从风洞试验数据可以看出, 两个南北向主入口挑檐以及与雨棚相接的挑出边缘是风荷载较大的区域[13]。图1是主入口挑檐和第一跨挑出边缘位移随风向角变化曲线。可以看出, 在风向角为15度时, 主入口挑檐和第一跨挑出边缘位移出现竖向位移最大值。
通过对比分析可以看出, 以风荷载值为标准和以结构静风响应为标准, 选出的最不利风向角并不完全统一。对于非线性较强的结构, 不能简单地由风荷载值来确定最不利风向角, 而应通过分析结构的静风效应来判断可能起控制作用的风向。虽然这样会增加一些工作量, 但可以避免由主观判断带来的误差, 从而保障后续的荷载分析更为有效。通过以上分析, 取最不利的风向角为15度。
3 屋盖结构的静风荷载响应
选取最不利的风向角 (15度风向角) 下试验所得的分块平均风压系数, 分别计算出各分块节点所承担的风荷载数值, 施加到相应节点上, 并与其他荷载工况组合, 进行结构计算分析。
为了研究屋盖结构在静力风荷载作用下的结构响应, 本小节计算了如下三种荷载工况: (1) 自重+预应力; (2) 自重+预应力+恒荷载; (3) 自重+预应力+风荷载, 详细分析了风荷载的作用对拉索轴力、撑杆内力以及节点竖向位移的影响。中央采光带拉索编号如图2 (a) 所示, 索拱编号如图2 (b) 所示。节点编号如图2 (c) 所示, 分别为中央采光带索拱顶点、悬挑部分中点、三向张弦梁位移控制点和主入口悬挑部分最外沿。
3.1 中央采光带部分
图3~图5分别为中央采光带部分的节点竖向位移、拉索索力和撑杆轴力的计算结果。
由图3可知:由于风荷载大部分是向上的风吸力, 所以与恒载作用相比, 大部分节点的竖向位移出现了向上的变化, 部分节点变化幅度较大。以节点27为例, 恒载作用下, 节点竖向位移从-113.28mm增加到-137.38mm, 而在风荷载作用下, 节点的竖向位移减小到-100.39mm。
从图4可以看出, 恒荷载和风荷载作用下的拉索索力变化相反, 位于只考虑自重+预应力的拉索索力值的两侧, 但变化的幅度很小。恒荷载作用下拉索进一步被张紧, 而风荷载作用下拉索内力被释放, 索力减小。
图5中撑杆编号与相应的拉索编号相同, 从图5可以看出, 中央采光带两端的拉索撑杆轴力变化较大, 其余部分变化不大。风荷载作用下撑杆轴力增加量比恒载作用下的增加量小。需要指出的是, 在分别考虑恒荷载和风荷载作用的两种工况下, 部分弦杆轴力发生了变号, 恒荷载作用下的拉杆在风荷载作用下成了压杆, 此时的压杆稳定问题不能忽视。
3.2 两侧索拱部分
图6和图7分别为两侧悬挑部分以及索拱跨中节点的竖向位移。从图6可以看出, 与中央采光带相比, 悬挑部分的节点位移变化较大。以节点5为例, 恒载作用下, 节点竖向位移从-110.02mm增加到-132.22mm, 而在风荷载作用下, 节点的竖向位移减小到-27.175mm。主要是因为15度风主要作用在1到6号节点这一侧。索拱中节点为所选取的索拱的相应跨中点, 节点的编号和索拱编号相同。从图7可以看出, 在边沿部分风荷载作用比较明显, 例如节点6, 恒载作用下, 节点竖向位移从-74.485mm增加到-76.289mm, 而在风荷载作用下, 节点的竖向位移减小到-53.873mm。
图8和图9分别为索拱拉索索力和撑杆轴力的计算结果, 其拉索编号以及撑杆编号和索拱编号相同。
从图8可以看出, 恒荷载和风荷载作用下的拉索索力变化相反, 位于只考虑自重+预应力的拉索索力值的两侧, 但变化的幅度很小。恒荷载作用下拉索进一步被张紧, 而风荷载作用下拉索内力被释放, 索力减小。从图9可以看出, 风荷载对悬挑边缘的影响较大, 其余位置的撑杆轴力变化不大。
综上所述, 对于大跨度屋盖结构, 屋面的负压风荷载较大, 如果不对拉索施加足够的预张力, 在负压风荷载作用下, 拉索将出现松弛, 进而退出工作。此外, 在结构分析中要分别考虑两个重要的工况:自重+风荷载和自重+恒荷载。计算分析表明, 即使受风较大的区域, 前者工况下效应的绝对值一般不会大于后者工况下效应的绝对值。但需要特别注意的是, 两种工况下杆件的受力可能变号, 起控制作用的后者工况下的拉杆在前者工况下可能受压, 此时一定要考虑压杆的稳定问题。
4 结论
⑴以结构静风响应为标准和以风荷载值为标准, 选出的最不利风向角并不完全统一。对于大跨屋盖结构, 不能简单地由风荷载值的大小来确定最不利风向角, 而是应该通过分析结构在各个风向角下的静风效应来判断可能起控制作用的风向。虽然这样会增加工作量, 但可以避免由主观判断带来的误差, 从而保障后续的荷载分析更为有效。
⑵本工程采用内凹式索拱, 如果不对拉索施加足够的预张力, 在负压风荷载作用下, 局部拉索有可能出现松弛, 进而退出工作。负压风荷载作用下的杆件受力可能变号, 恒荷载作用下的拉杆在风荷载作用下可能受压, 此时要考虑压杆的稳定问题。
摘要：随着社会经济的发展, 大跨度空间结构越来越广泛地应用到车站、会展中心以及体育馆等大型公共建筑当中。本文以新广州站主站房屋盖结构为研究对象, 首先讨论了最不利风向角的确定方法, 然后进行了静力风荷载作用下该结构的响应分析。分析结果表明:对于大跨屋盖结构, 可以通过分析结构在各个风向角下的静风响应来判断最不利风向角。在中央采光带部分, 由于风荷载大部分是向上的风吸力, 所以与恒载作用相比, 大部分节点的竖向位移出现了向上的变化, 部分节点变化幅度较大。本工程采用内凹式索拱, 如果不对拉索施加足够的预张力, 在负压风荷载作用下, 局部拉索有可能出现松弛。
屋盖结构设计 篇8
1工程概况
某建筑工程采用的是钢结构进行施工, 建筑总面积为162245.7m2, 而钢结构形式主要就是三角结构桁架, 其中钢结构的总重量为1200KN, 而钢结构中的主桁架的重量则为950KN, 其中每一桁架的长度均在45.5m左右, 而桁架的两端位置, 间隔距离在3.5m, 而除了主桁架之外的其他桁架, 每榀之间的距离均为8m, 桁架支座的标高则主要为25.684m, 在桁架的上弦顶部位置, 标高则主要为29.560m。该建筑工程的屋面结构为钢结构, 其投影所覆盖的面积为5560m2, 在钢结构屋盖中, 主桁架主要为9榀, 而次桁架的数量则为15榀, 系管数量33榀, 斜撑数量45榀, 而在钢结构屋盖上, 除了这些部分以外, 另外的构成部件则为马道以及屋面檀条等, 钢结构的构成元件主要包括管材、钢板以及各种西药的构建等, 而选择的管材则主要应为无缝钢管, 而钢板则需要采用Q345B, 而次要的一些构件则应采用Q235B。
2施工方案
2.1具体施工要求。依据施工现场的具体情况, 同时在对桁架结构进行具体分析的基础上, 要合理的对屋盖钢结构进行详细的分析, 所应用的屋盖钢结构需要在工厂内部进行加工处理, 将每一个屋盖钢结构都进行合理的标注, 然后依次将加工制作的屋盖钢结构运输到现场进行运用, 将桁架尽可能的放置在需要进行桁架施工的工程下方, 对拼装位置进行合理的选择, 对胎架进行合理的设计、组装以及焊接, 在对汽车的吊装位置设计完成之后, 就可以对整榀的桁架进行吊装处理。
2.2工厂加工。在该建筑工程中吗, 所应用的主桁架截面呈现几何图形样式, 而且主桁架截面的尺寸也可以设定为2500×1500mm, 其中一个单独的榀桁架的标高则为4250mm, 工厂在对桁架结构特点进行详细分析后, 就可以依据相关运输的要求以及施工质量控制的方法, 在工厂对整榀的桁架进行加工处理, 根据相关工艺技术的要求, 可以将整段的桁架均分为三个部分, 按照阶段进行加工。要切实的保障弯管加工的精确性, 利用弧形杆件进行加工处理, 按照相应的比例要求, 进行放样预拼。所有需要应用到的一些部件, 在出厂之前都需要经过严格的检验, 只有检验合格的工件才能够正式的投入到施工中, 并对每一个工件都进行清晰的标记标注, 在安装拼接的时候要严格的按照顺序进行拼接处理。
2.3现场桁架拼接。在将桁架的相关构件制作完成后, 就可以运输到现场进行拼接施工。而在拼接处理的过程中, 要注意要找拼装基准线的设定标准, 采用胎架对桁架进行支撑, 对桁架实行有效的拼接处理, 这样可以使得桁架的空间可以保持立面结构。要对支撑点的位置进行合理的确定, 单元桁架要利用汽车来进行吊装拼接, 要注意利用电焊机来对下胎架进行焊接处理, 而焊接的顺序则为接口、直腹杆、斜腹杆, 在焊接的过程中, 也要遵循一定的原则, 要保持焊接的对称性。
2.4楼面加固处理。通过现场平面布置图中了解到运输通道至中厅的吊车行走路线的下方均有地下停车场, 楼板设计荷载为15k N/m2, 通过验算在施工过程中楼面荷载达到30k N/m2, 才能满足机械行走、站位吊装要求;在楼板下方采用钢管脚手架进行支撑加固, 加固高度为3.72m, 用 φ48×3.5的脚手架管在加固区域搭设满堂架, 此区域满堂架立杆上端必须撑紧, 立杆横向、纵向间距为600mm, 步距为800mm, 通过验算满足施工要求。
2.5桁架吊装。吊装桁架时汽车吊车头朝相对应轴方向, 使吊车的工作幅度为8m, 50T汽车吊在工作幅度8m时, 臂长32.7m可以起吊重量为12.3T>12.28T, 吊车工位幅度满足吊装要求。起吊前在桁架两端系上方向牵引用风绳, 桁架底部起升到25m时, 主臂朝对应轴方向旋转, 旋转到另一轴部位左右趴杆, 桁架基本到位, 微调好轴线及左右距离后, 与钢支座焊接固定。固定好后松钩, 第一榀桁架吊装完毕, 当两榀主桁架吊装就位后及时完成其之间的次桁架和相关构件, 以便使两榀主桁架形成一个稳固的整体。
3施工控制要点
3.1施工规划。本工程结构拼装区域场地、进场通道、吊装工位狭小, 起吊构件超长, 安装、吊装操作空间紧促, 在道路布置、桁架拼装、吊装过程中必须确保所选方案合理性。且相当部分数量构件在高空安装, 这些比较复杂的操作要求车间制作精度不仅要满足施工规范和设计要求, 还必须较好的满足现场安装工艺的需要。此外, 对于现场施工人员, 特别是起重作业人员和起重指挥人员, 分别要有相应的施工经验和指挥协调能力。
3.2施工验算。对于屋盖钢结构本体施工验算:本工程拟采用楼面加固, 大吨位汽车进行单榀桁架整体吊装。现场应按照施工顺序确定分析工况, 施工区域、通道楼面整体验算, 以及楼面、通道加固整体施工验算, 整榀桁架吊装的吊点内力施工验算, 施工机械、吊索选择施工验算, 为工程吊装控制提供具体详细的理论数据进行指导。
3.3施工测量。现场在拼装胎架上拼装、空中安装, 应随时进行跟踪测量, 确保各阶段组装安装的准确性, 施工测量观测点应根据施工规范、控制要求进行确定, 确保观测点数据的代表性。施工测量数据应及时与设计数据进行比较, 如发现偏差及时向工程技术负责人报告, 查找原因并提出整改措施。
4安全保障措施
在大跨度屋盖钢结构的安装过程中, 必须要做好一定的保护措施, 以免在施工中发生意外事故, 给施工现场人员的人身安全带来威胁, 同时也避免了事故发生对工期进度的影响。一般要求现场施工中所使用的吊装机索具都应符合国家相关规定, 尤其是当这些机械设备需要进行局部变更时, 一定要征得工程技术部的批准, 以确保安全。
结束语
综上所述, 在对大型建筑结构进行施工的过程中, 采用的结构形式通常为大跨度屋盖钢结构, 而在该结构工程中, 桁架是其中的重要构成部分, 桁架施工的质量, 将直接影响到大跨度屋盖钢结构的施工质量, 要想能够使得大跨度的构件以及相类似的工程可以进一步的得到质量上的提升, 就需要合理的采用有效的施工方法对桁架进行施工处理, 以保障大型建筑整体的施工质量, 从而更好的推动大型建筑的发展和建设。
摘要：本文依据工程实例来对大跨度屋盖钢结构工程桁架施工进行了简要的分析, 主要分析的重点内容包括桁架施工要点以及施工方法, 桁架的施工关系到大跨度屋盖钢结构工程的整体施工质量, 因此对其施工质量的要求更为严格。通过合理的施工以及质量控制, 以提升桁架施工的整体质量。希望本文的探究能够为相关的人员提供一定的参考和借鉴。
关键词：大跨度屋盖,钢结构工程,桁架施工
参考文献
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