箱形钢结构（共9篇）
箱形钢结构 篇1
0 引言
井架作为矿山立井提升的主要构筑物, 在矿井工程中占有重要地位。井架按提升方式分为单绳井架、多绳井架;按用途分为主井井架、副井井架、风井井架、临时井架 (凿井井架) 、两用井架等;按结构材料分为钢井架、钢筋砼井架等。目前砖井架、木井架已基本不用, 应用最多的是钢结构井架。
在钢结构井架的安装上, 目前小型井架多采用吊车, 大型井架主要采用金属桅杆起吊。随着新技术、新工艺的应用, 如“门式架—无锚吊推法”在井架吊装中的应用以及利用有限元法、CAD技术进行井架起吊相关力学分析;建立井架吊装的计算机安全监控模拟系统等, 必将对井架的安全快速起吊、提高安装技术水平起到积极的促进作用。
80年代以来, 大中型矿井广泛应用了箱形钢结构井架;箱形钢井架适用于落地式多绳轮摩擦轮及单绳缠绕式绞车的矿井提升, 根据井架用途和提升机的数量, 分为L型 (橹式) 结构及A型结构等。L型井架由斜架和立架组成, A型井架由主、副斜架和立架组成, 其中斜架为钢板焊接的等断面或变断面的箱型结构, 架为空间桁架结构, 上下天轮及起重梁布置在斜架上, 立架内安装稳罐道和防撞木等。
1 安装方案的提出
箱形钢结构井架的安装, 目前多采用桅杆起吊法施工, 桅杆起吊又有单桅杆、多桅杆及门式桅杆之分。具体有半翻转、大翻转 (倒杆式) 、滑移式等多种形式。半翻转式在井架刚抬头时起吊力最大。随着起吊角度的增大, 起吊力减小, 即吊装开始就对有关机具索具进行最大负荷考验。如有问题能及早发现处理, 比较安全可靠, 但需要足够的场地和机械具;大翻转布置紧凑, 适用于场地狭小的工程安装, 井架起吊时稳车开动较多, 对其安全指挥协调要求较高;滑移式对桅杆的高度强度稳定性有较高的要求, 适用于轻型井架, 有时需双桅杆才能完成作业。综合比较各自的特点。根据我矿井架结构重量和现场条件, 充分考虑工期安排。经反复研究决定, 采用“主副斜架分片组装, 单桅杆半翻转起立, 空中对接”的施工工艺方案。
2 安装方案的实施
2.1 方案实施过程中应注意的问题
第一, 井架组装场地要回填平整夯实, 以防支承点出现不均匀沉降, 增加工程量, 影响工期和质量。第二, 为防止铰链钢板受水平推力的破坏, 对主斜腿在底部进行刚性连接。第三, 为减少二次搬运及安装质量, 井架出厂前与安装单位联合验收, 按预组装以编号, 注明联接组别, 并按顺序装卸车。第四, 雨天严禁焊接, 电焊条要有防潮措施, 焊缝为1级焊缝, 经探伤合格方能防腐处理。第五, 绳卡、地锚要做明显标志, 起吊过程设专人观测。
2.2 井架制作及现场施工
按照原煤炭部颁布的行业标准 (MT5010-95) , 参照《钢结构施工及验收规范》及有关设计要求, 专门制定出“箱型钢井架加工制作质量标准” (厂标) 及“焊接工艺卡”, 作为工厂加工制作、检查验收的规范及标准。加工制作的井架经过各工序检查, 厂内预组装合格, 并出具出厂合格证后方能出厂。井架现场组装采用平面分片组装方法, 主斜架在副斜架之上, 副斜架沿组装方向下倾7°。为减少高空作业, 保证安装质量, 主斜架+25.350、+31.350平台在地面与主斜架一起组装, 副斜架G1-13在主斜架起立后再地面组装。主副斜架均采用基础铰链定位组装起立, 基础铰链按照图纸要求的标高和轴线定位, 组织有关工程技术人员检验后, 方可按工艺要求施焊, 焊接完毕, 再对其进行复验, 确定无误后, 方可进行组装。井架躯体组装应根据厂内预组装的编号顺序进行。由于井口±0.000标高, 高出自然地坪5 m, 而回填后组装高度仍在2 m以上, 需加工2 m高的铁托架, 井架在操平找正的托架上进行。因重力作用, 随时用水准仪观察托架的沉降情况, 并根据下沉情况随时进行调整, 以保证安装躯体的直线度。主副斜架组装后, 全面检查测量各部尺寸, 符合规定后, 进行焊接。现场焊接采用直流焊机, E4315电焊条, 焊缝经X射线和超声波检查探伤合格后, 进行防腐处理。
2.3 井架起立
井架起立先起立桅杆, 桅杆由L200×200×18的角钢制成。尺寸为1.45 m×1.45 m, 高40 m, 重25 t。桅杆起立时, 用50 t吊车抬头至39°角, 即吊车起吊最高点, 然后由主斜架提升稳车 (1#、2#) 拉起, 起立过程中, 用经纬仪观测桅杆头部偏移情况, 随时用副绷绳稳车 (5#、6#) 调整, 偏移量控制在500 mm以内, 桅杆基本垂直后, 用副绷绳 (Ⅰ#-Ⅳ#) 进行调整, 并随之使其张紧, 各方向的绷绳张紧程度要一致。
首先用桅杆起立主斜架, 当主斜架起立到设计位置, 再利用主斜架作桅杆起吊副斜架。主斜架起吊前, 应对主绷绳 (3#、4#) 稳车地锚、悬吊点索具、铰链等进行全面检查, 确定无误后, 进行试吊, 以检验其强度能力。当主斜架起吊全部离开支承点时, 按起重作业要求再全面检查一次, 无问题后, 方可继续起吊, 慢慢开动1#和2#提升稳车。随着起吊不断观察, 统一指挥, 协调作业, 直至主斜架起立到设计位置。
副斜架起吊方法与主斜架相同, 副斜架起吊前, 应将主斜架底部用垫铁垫实。当副斜架起立约75°时, 将其留绳 (9#、10#) 处于张紧状态, 留住副斜架, 副斜架起至重心变换点82.7°时, 松留绳, 使其头部与主斜架平台对接。当斜架就位后, 检查天轮平台的提升十字中心线及天轮平台的水平度, 用50t千斤顶在斜架底部进行操平找正, 符合要求后, 将副斜架与平台对接处进行焊接, 垫好基础垫铁, 拧紧地脚螺栓。
3 结束语
箱形钢结构井架的安装, 工艺方案的选择安排是关键, 合理的施工方案对安全施工, 缩短工期, 提高工程质量具有重要意义。根据经验安装此形井架, 工期至少60天, 由于采用以上技术措施, 并在施工过程中加强管理和组织, 使该工程的工期比计划工期提前30天, 而且实现了安全生产, 工程竣工验收和质量认证均为优良, 质量全部达到设计要求和标准要求, 被评为优良工程, 取得良好的施工效果, 为大型煤仓施工积累了经验。
箱形钢结构 篇2
箱形基础的平面尺寸怎么确定?
箱形基础的平面尺寸应根据上部结构的布置及荷载分布、地基土的承载力及地基的沉降控制等要求确定，一般情况下，基础平面应在上部结构平面的基础上进一步加强，基础外墙宜与上部结构外墙对齐，
但当建筑使用功能或结构布置上有特殊要求时，箱形基础平面也可以小于上部结构平面;当地基承载力或地基沉降验算不能满足《地基基础设计规范》的要求时，箱形基础也可以适当扩大。 对于单幢建筑，在地基土层均匀及无相邻建筑荷载影响的条件下，基底平面形心宜尽量与结构长期竖向荷载的合力点重合，当恒荷载与活荷载组合时，偏心距不应大于B/6O;当恒载与活荷载加风荷载组合时，偏心距不应大于B/3O;这里，B为偏心距方向上的箱形基础底板边长。
箱形钢结构 篇3
【关键词】高层建筑；钢混结构；箱形钢柱；螺栓预埋；混凝土浇筑
近年来，我国城市现代化建设处于高速发展的阶段，城市建筑物也逐渐向着高层和超高层的方向不断改变。如何提高高层建筑和超高层建筑的施工质量也成为了建筑行业最关心的问题。要保证建筑的施工质量，首先就要确保建筑结构的稳定与可靠。基于当前的高层建筑与超高层建筑多为框架结构、剪力墙结构或框剪结构，提高梁柱结构施工质量就能在很大程度上保证建筑的整体结构稳定性。为此建筑施工企业加大了对梁柱结构施工工艺的研究，并结合新材料总结了多种新型梁柱施工工艺。以下本文所介绍的正是其中应用较为广泛的钢混结构箱形钢柱的施工工艺，笔者以实例详细分析了其具体的施工方法。
0.工程概况
某高层建筑为商务大厦，建筑共有31层，其中地上29层，地下2层。建筑总高度为8.7m，总建筑面积为51000m3。建筑基础采用钻孔灌注桩施工技术，结构采用矩形钢管混凝土组合结构。本工程中所设计的箱形结构与一般的钢混箱形结构略有差异，即在柱脚增加了暗埋式短钢梁，以此来增大箱形钢柱的稳定性。并且正因为如此，建筑的地下室底板厚度不得不减小，仅为0.8m。
本工程中，箱型钢柱截面尺寸为500mmx500mm（其中4根柱为600mmx600mm ），钢二板厚度28-16mm，柱内按标高不同分别浇筑C55-C35级混凝土。梁采用钢梁，梁高有500mm和372mm两种，地下室钢梁外包混凝土。采用0.8mm压型钢板复合楼板，电梯井核心筒采用钢筋混凝土剪力墙结构。总用钢量约3100 t。在本工程施工中，施工难度最大的环节是柱脚的螺栓预埋与柱内的混凝土浇筑，因此以下就着重对这两个环节的施工方法进行论述。
1.钢混结构箱形钢柱柱脚的螺栓预埋
本工程中为了增大钢柱的纵向稳定性，在钢柱底部安装了一定的柱脚，因此在基础施工时，要做好柱脚螺栓的预埋。由于常规的基础施工很少采用对这种大型预埋件进行预埋，因此相关的施工经验较少，施工难度较大。在埋设该螺栓时，对其埋设的位置与标高的要求较高，因为若柱脚预埋位置偏差较大，就会在混凝土浇筑时使钢柱歪向一侧，从而使底部失去平衡，柱脚的螺栓也会逐渐发生偏移，钢柱的稳定性就很难得到保证。为了保证柱脚螺栓预埋的精确性，设计人员决定采用套板法和柱脚支架两种方法来进行柱脚螺栓预埋。具体的施工方法分别如下所述：
1.1套板法
（1）按地脚螺栓的设计位置、尺寸预先加工套板。套板厚6mm，埋设时先将地脚螺栓点焊固定在套板上，并在地脚螺栓下端用中25钢筋点焊，以固定各地脚螺栓的标高和相对位置。再将已组装的地脚螺栓及上下套板放入承台内，精确定位后将套板固定在承台边上，浇筑承台混凝土。振动混凝土时应特别细心操作，避免碰撞地脚螺栓。
（2）预埋过程中，应根据定位轴线、高程控制线，用经纬仪确定其整体位置；利用水准仪、钢卷尺确定支架标高。对螺杆螺纹应加套管予以保护。
（3）地脚螺栓的检查：包括检查螺栓的垂直度，超过要求则要进行校正；检查螺栓的外露长度，应保证钢柱安装后螺母拧紧的需要；以柱基中心线为依据，检查地脚螺栓的预埋位置；检查螺纹是否损坏，合格后涂黄油，并用薄膜包扎；检查各螺栓之问的间距。要求螺栓平面位置偏差不大于2mm，标高偏差不大于5mm。
1.2柱脚支架法
由于工期要求紧，而套板法承台和底板要分开浇筑（某些承台边上有集水井，承台和底板混凝土无法分开浇筑），故采用角钢支架，将第一节长2m的短柱（重量约1400kg）安放在支架上，定位完成后用缆风绳固定（图1）。支架用63x6角钢制成，立杆上设置剪刀撑，以增加整体稳定性。立杆和斜杆上加焊止水片。
2.高层钢混结构箱形钢柱的柱内混凝土浇筑
在钢混结构箱形钢柱安装完成后，就要对柱内进行混凝土浇筑。为了避免电焊所产生的温度对混凝土浇筑质量产生影响，混凝土的浇筑标高低于柱顶1m。但尽管如此，本工程由于钢柱长度较大，因此钢柱混凝土的浇筑作业量依然很大。再加上柱内每隔2m就会安装一个内隔板，内隔板所开设的洞口尺寸较小，这也增大了混凝土的浇筑难度。设计人员在浇筑混凝土前设计了三种浇筑方案，经过对比比较和试验，决定采用以下浇筑方案：即在钢柱顶部搭设操作平台，混凝土用导管下到钢柱底部，用振动棒振动。
2.1施工方法
（1）由于柱子混凝土浇筑高度较大，为此专门定制3根软轴长12m以上的振动棒。
（2）导管直径150mm ，每节导管长度设置为2m，导管底端埋入混凝土面以下不小于2m，边振捣边往上提，逐节拆除。
（3）采用塔吊及料斗装填料。料斗下口直径150mm，以便混凝土下落时管内空气顺利排出。料斗装填量每次不大于0.5m3，即一次浇筑高度不大于2m。
（4）采用商品混凝土，配合比设计时调整其和易性、强度和终凝时间。其中C55级混凝土的配合比为：42.5级水泥：砂：石：水：减水剂SP403：磨细矿粉：UEA-H=1：1.70：2.93：0.32：2.94%：47.1 %：10.0%。每m3混凝土水泥用量为352kg，设计坍落度160mm；石子粒径5-16mm为20%，16-31.5mm为80%。
（5）导管从柱子上端的开口内插入，通过横隔板上的预留孔洞到达柱底，导管下端离底部约0.5m 。振动器预先通过横隔板上的预留孔洞插入至柱底，混凝土下料后振捣，振捣时间30s。
2.2施工质量检验
用超聲检测系统按《超声法检测混凝土缺陷技术规程》进行检测。共检测80个点，情况良好，混凝土均密实；局部13个点钢柱与混凝土有脱开的现象，但裂隙均在0.8mm 以下。若超声波法探测到混凝土存在空洞，可在柱壁上开孔并浇筑水泥浆（与柱内混凝土相同水灰比），再将所开孔焊牢。
3.结语
通过本文的分析可以看出，在高层建筑的结构施工中采用钢混结构箱形钢柱作为承重结构是非常可行的，只要能够在施工中结合实际合理设计，并严格要求施工人员按照设计方案施工，就能够保证钢柱柱脚预埋的精准性，也能够使柱内的混凝土得以顺利浇筑。本建筑工程在完工后经质量检验，钢柱的强度和荷载能力完全符合设计要求，因此本施工方法值得在同类工程中借鉴使用。 [科]
【参考文献】
[1]孙群伦.钢结构柱地脚螺栓整体预埋技术[J].建筑技术，2013（02）.
大型箱形柱钢结构制作新技术 篇4
国内某电厂超临界塔式锅炉钢结构项目, 是我国自主研发的600MW级超临界塔式锅炉产品。超临界塔式锅炉以燃烧清洁、低挥发和低硫为特点的褐煤为主, 拥有容量大、参数高、热效高、节能环保, 并且这种锅炉炉型非常便于检修, 锅炉占地面积小, 锅炉受热面不易积灰、堵灰等诸多优点, 该项目的投产填补了我国在超临界塔式锅炉开发的空白, 在国际上处于领先地位, 并且我国对此项技术拥有自主知识产权, 属于典型的民族工业。
该超临界塔式锅炉钢结构的主框架全部为箱型柱结构, 是整台锅炉钢结构的制作重点和难点, 也是整个项目的瓶颈。本文主要以主框架箱形柱的施工为例, 阐述超临界塔式锅炉钢结构的质量控制方法及制作工艺。我们结合以往箱形柱的施工经验, 通过产品施工前的产品试制, 制定了合理的工艺参数, 明确了合理的施工顺序, 保证了产品的施工质量。
超临界塔式褐煤锅炉钢结构主框架箱形柱规格为□2500X2500X70X70, 长度10.3米, 重量97吨。总数量44根。
2 超临界塔式褐煤锅炉的钢结构主框架箱形柱制作难点分析:
首先, 箱形柱的主体钢板最大厚度为70mm, 单件最大的重量为96吨, 截面规格为2500X2500, 由此可见该箱形柱的主体钢板厚, 单件重量大, 截面尺寸大, 吊装翻转难度非常大;其次箱形柱为口型钢形式, 其中四条主焊缝为全焊透结构, 内部支撑筋板也为全焊透结构, 并且焊接质量要满足超声波探伤一级合格, 同时焊接量大, 焊接变形很难控制;箱形柱的主焊道及部分筋板焊道探伤合格后要对焊道进行整体退火热处理;箱形柱的上下端面连接法兰必须进行端铣加工, 端铣加工的截面尺寸为2500X2500;该产品属于高强螺栓连接结构, 杆件的钻孔量数量非常多, 每根的平均钻孔量达到400个左右, 钻孔精度要求非常严格, 孔径偏差不得超过0~+0.84, 相邻两孔之间的位置偏差不得超过0.5mm;产品制作后整体尺寸要求非常严格, 长度偏差不得超过2mm, 弯曲扭曲不得超过5mm, 平面度偏差不得超过1mm/m。由此可见该箱形柱的制作难度非常大, 制作工序控制点特别多, 标准要求特别严格。
3 制造工艺的制定
为了保证箱形柱的制作质量, 在施工前期我们对箱形柱进行了试制。箱形柱试制试件选用与正式产品相同板厚、相同材质的材料。主要试验以下内容: (1) 箱形柱主体焊道坡口形式包含坡口角度、组对间隙、垫板规格等。 (2) 箱形柱主体焊道的焊接规范、焊接顺序及焊道填充量。 (3) 箱形柱焊接后的焊接变形量, 包含长度收缩、扭曲弯曲变形等。 (4) 箱形柱焊接完毕热处理后的变形量。通过产品试制, 最终确定下箱形柱合理的施工工艺方法。
⑴喷砂喷漆预处理:由于箱形柱规格重量特别大, 很难在产品施工完毕后进行整体喷砂、喷漆, 我们要求箱形柱主体钢板到厂后先进行喷砂喷漆预处理。从而可以提高工效, 节约施工成本。
⑵下料切割:通过前期的产品试制, 我们确定出了合理的箱形柱焊接坡口形式及箱形柱组对外形尺寸。见图2。根据上述箱形柱主焊道坡口形式及外观尺寸偏差, 确定出翼板下料偏差为+2mm, 腹板按-9mm切割抽条, 筋板全部按照0偏差下料。
⑶箱形柱法兰组焊:
(1) 箱形柱法兰下料:法兰板下料抽条时需加余量, 件13宽度+4mm, 长度不加余量;件14宽度+4mm, 长度+5mm。
(2) 组对框架:组对法兰框架外形尺寸按+6mm, 在法兰焊缝处打上龙门板, 在框架中间打上两处十字架, 减少焊接引起的变形量。见组对框架图3。
(3) 焊接框架:对法兰框架处的焊缝进行焊接, 焊接时需进行预热, 焊接时采用对称焊接。焊接完后对法兰框架进行矫形, 保证法兰框架平面度在1mm范围内。矫形前将其龙门板去掉, 临时支撑板不得切除。
(4) 法兰四周开坡口:矫形合格后, 对法兰框架的四边进行开双面坡口时, 不得留钝边。法兰外侧坡口加工角度为55°, 内侧为30度。
(5) 法兰钝边刨边:法兰框架坡口开完后对框架进行矫形。矫形合格后对法兰框架四边进行刨钝边。四周留出钝边以便于法兰框架组对在箱体内。刨边时法兰框架每边各刨2mm。
(6) 法兰钻孔:法兰钻孔采用平面数控钻机, 钻孔时以法兰框架中心为基准, 两侧孔间距各+1mm收缩余量。
(7) 法兰与箱体的组对:法兰框架钻孔完检查合格后, 将框架组对在箱体内, 组对时上下各加1.5mm的间隙, 在箱体外并用法兰模板进行加固, 箱体内侧用T形钢进行加固, 确保法兰与箱体的焊接后平面度。
⑷箱形柱主体组对:对箱形柱主焊道采用加垫板留间隙的方法进行组对。箱形柱主焊道采取30度坡口, 7mm间隙, 焊道下侧加T25X25扁钢垫板, 箱体柱组对见图4。
(1) 搭设组对平台:超平2mm/m, 总长方向上平面度偏差不得超过3mm。
(2) 将箱形柱的一条翼板放在平台上。
(3) 将下部组焊好筋板单元 (件号为29#30#31#) 、上部法兰、内部筋板等组对到箱体下部板上。注意:所有件必须检查其垂直度, 高度必须一致。以上部法兰为基准 (留出5mm法兰端铣余量) 定为端铣基准。
(4) 组对侧板及主焊道焊接用垫板, 垫板采用T25X25成品垫板。
(5) 盖上部盖板
(6) 内部每隔1.5米增加一组拉筋, 以防止在焊接主焊道过程中钢板外鼓变形。
(7) 箱体主焊道加固:采取对垫板焊接的方式进行加固, 注意垫板焊接必须按照正式产品焊道进行焊接, 主焊道内部不得进行加固焊接。
(8) 箱体内部T型钢与筋板处的接头焊接, 使箱体内部的筋板形成一个整体。
⑸箱体主焊道焊接
(1) 对箱体平面度, 直线度, 扭曲度等进行检测, 焊前箱体长度作记录标记, 箱体的截面尺寸, 坡口角度, 组对间隙作好记录。
(2) 埋弧焊两个机头同时进行焊接, 第一面填充3~4遍后翻转, 在焊接过程中两侧必须进行对称焊接, 同时将两侧焊道连续焊接到指定高度后方可停止。
(3) 翻转后测量箱体平面度, 直线度扭曲等, 进行两个机头同时不间断进行焊接, 直至焊至一半后, 再次对箱形体进行翻转焊接。
(4) 主焊道焊完后, 检测箱体长度, 扭曲, 旁弯, 箱体截面尺寸等并作好记录
(5) 焊接材料的选用:埋弧焊SAW用H10Mn2 (HJ431焊剂) , 直径φ4.0;手工电弧焊SMAW用E5015, 直径φ3.2和φ4.0;焊丝电弧焊AR+CO2用ER50-6, 直径φ1.2。
4 制造质量控制
(1) 立柱、梁杆件的偏差要求为长度偏差不超过3.2mm。
(2) 弯曲、扭曲为1mm/m, 总长弯曲、扭曲控制在5mm内。
(3) 所有的对接接头要进行100%超声波探伤 (U) T, 所有角焊缝进行100磁粉探伤 (MT) 。
5 产品质量检验
为了保证产品质量我们制定了详细的质量控制点:
⑴零件下料尺寸的检查;
⑵拼板尺寸的检查;
⑶组对成型的尺寸检查;
⑷焊接规范的检查;
⑸焊后外观检查;
⑹焊缝的UT、MT检查;
⑺焊后整体尺寸的检测;
6 结语
箱形钢结构 篇5
1 箱型钢结构的结构特点
自20世纪80年代中后期,箱形钢结构在煤矿企业中获得了广泛的使用,如单绳缠绕式矿井提升绞车以及落地式多绳轮摩擦轮矿井提升绞车等都使用到了箱形钢井架。箱型结构井架依照矿井提升机的使用数量和使用功能的不同,主要分为A型结构和L型结构。A型井架包括主副斜架和立架两个方面组成,L型井架主要包括斜架和立架两个方面组成。L型中的斜架钢结构通过焊接作用对等断面(或变断面)进行焊接而成;斜架上进行上下绞车轮和起重梁的安装,立架上进行防撞木盒稳罐道的安装作业。
2 箱形井架的工艺方案
当前我国大都采用桅杆起吊法来实行对箱形钢结构井架的安装工作,桅杆起吊可分为门式桅杆、单桅杆、多桅杆等类型。而对于桅杆的起吊形式来说,又有滑移式、半翻转、大翻转等几种形式。井架在刚进行起吊的时候,采用半翻转式可以获得最大的吊力。随着起吊作业的继续进行,起吊作用力渐渐减小,起吊角度增大。即在井架吊装的开始过程中相关的机具索具就需要承载最大的负荷。这样,当发现问题的时候能够做出及时的处理,保证了作业的安全进行。但半翻转式起吊需要提高足够的工作场地和工作机具。而相对于半翻转起吊,大翻转的结构布置紧凑,所需要的安装场地也较小,井架在刚刚起吊的过程中需要提供较高的稳车开动,这样对大翻转的安全指挥协调性能要求较高;滑移式对桅杆要求有较高的强度和稳定性,主要用在于轻型井架的竖立过程中,某些工况下还需使用双桅杆来进行作业。
井架制作及现场组装:
在对箱型钢进行设计过程中,要严格依照专门制定的《箱型钢井架加工制作质量标准》来进行加工制作。井架在制作过程中,要实行全面的检查工作,相关厂家在给予井架出厂合格证后才能够出厂。箱型钢结构在进行制作和现场组装的过程中,要严格遵照有关的钢结构施工及验收规范来执行。在组装过程中,需要严格按照起吊方案来进行作业布置,立架需要确保各断面的尺寸、长度是否符合相关规定,斜架组装过程中,不仅需要确保各部面的纵横向之间几何尺寸、水平度和焊缝间隙坡口等符合要求外,还需对各个焊接点进行点焊,再依照焊接工艺卡上的工艺标准实行焊接,焊接完成后,用X射线和超声波技术来实行检测,确保焊接部位的质量。
3 煤矿用钢结构井架的具体安装
我国对于A式钢井架的研发和使用已经过20多年的发展,由传统的R型到现在使用的大截面箱型A式钢井架。不管在施工还是使用中都获得了成熟发展。
3.1副斜架大翻转法
A式箱型钢井架大都采用采用桅杆井陉起吊工作,使用铰链半翻转法首先将主斜架竖立,然后再利用主斜架竖立副斜架。由于近来井架的重量和井架高度的增加,斜架的初始起吊重量也在不断的增大,桅杆同主斜架的受力条件增加,现今大部分的副斜架排除以前的“滑移”工序,也采用了大翻转法进行起吊工作,这样一来,使得施工工序更加易于操作,布局更加合理。同时大幅度降低了原料使用成本和施工人员的投入量。
3.2 大型主牵硷地锚
硷地锚因为体积较小,不需要较大的施工场地,因而得到了广泛的推广。但硷地锚的一次性投入相对较高。而传统的桩锚方式虽然投资小,但需要占用大量的场地,且受地质条件的局限。
3.3 复式平衡系统
传统的主提升稳车在吊重负荷不大的情况下,一般采用两台来实现作业。但随着吊重的不断增大,提升绳跑头力远远超过了稳车的核定使用功率,这就需要提供四台提升稳车来实现吊重作业,而四台稳车很难进行一致的提速,这样就造成了两付桅杆的受力不均,进而影响到整个提升系统的安全性,通过采用复式平衡系统对任意几台稳车的速度偏差进行平衡作用,大大的提高了各个部位的均衡受力和系统稳定性。
3.4 后仰桅杆
在对主斜架进行竖立的作业中需要考虑到主斜架的结构、受力状况以及相对于桅杆的位置,通常在设计操作过程中,通过对后仰桅杆的控制将主斜架竖立到设计的角度。在主斜架和桅杆的竖立过程中,后仰桅杆可以提供一个相对稳定的提升状态。
3.5 大提升系统
A式箱型钢井架具有结构断面大的特点,通过使用大吨位的滑车少点起吊法来适应这种结构变化,使用抗拉强度较高的大直径钢丝绳以及设集中吊点能够大大的简化提吊系统。相对于传统小吨位滑车起吊受力好,穿绳复杂的优势,大提升系统具有受力集中,故障少、工作量少的优点在煤矿井架安装过程中也应用较为广泛。
3.6 铰链索挂
井架主体在进行组装施工的过程中,根据工地现场情况用预先准备的翻转铰链对主斜架同各平台之间进行葫芦索挂,然后在主斜架起吊的初始阶段将其吊起打开,并通过控制人员与机械设备和葫芦倒链之间的配合来进行位置校正。铰链索挂实现了缩短工期的作用,且操作方式简便、节约大量人力。并且通过铰链的定位作用,确保了一些特殊结构梁及平台的几何尺寸。(见图2)
4 安装的注意事项
由于箱型钢结构井架质量重、体型大的特点,因而在施工建设过程中要设置必要的安全停靠装置,有的工况条件下必须采用断绳保护装置。停靠装置的使用也要有相关的标准,要保证可靠地大罐自重承载能力,同时要满足在核定负载条件下对相关人员和建设物料的承载作用。当大罐在空中悬挂和断绳等情况下,停靠装置要有足够的承载能力将大罐停止在箱型钢结构的井架上。当完成对箱型钢结构的施工作业后,要对支撑面进行填平处理,以免各支撑点的受力不均造成地面沉陷现象,导致井架不稳;同时在柱脚板下预留空间,以防不均匀下沉时安装大型千斤顶调整标高。
井架的相关作业人员在上岗之前必须要进行相关的高空作业培训工作才能够进行对煤矿井架的安装作业。要实行持证上岗,箱型钢井架需要进行多次的安全检测以确保其安全可靠性。对于绞车司机来说,也必须实行持证上岗作业,并对每一位绞车司机制定相关的检查安装驾驶档案。
5 箱型钢结构工艺的特点总结
在对箱型井架进行安装的过程中,对于安装方案选择是确保安装过程安全高效进行的关键。同时,制定出合理的施工方案,确保施工过程中的有条不紊,对于施工过程的安全性、节约施工时间及提高施工质量等方面都具有积极的意义。
在对井架进行吊装作业中,要充分利用单位已有的各项资源,包括符合安全规则的的机具索具等。以及对各类机械设备的应用,例如对于平衡滑车的使用,不仅能够解决系统多组复式滑车间的受力不均的问题,同时还能够确保桅杆、井架的平衡受力。这样不仅节约了大量的建设成本,同时在对吊装的初期准备工作过程中可以做到有的放矢,掌握作业的主动权。
对于新工艺和新技术的使用能够大大改善箱型钢井架安装过程中的的安全性和提高工作效率。如对于吊耳及铰链等采取新的施工工艺,刚性吊耳和销轴在起吊过程中的应用,能够有效的解决绳套捆绑发生滑动、死弯以及折断等问题。通过卸扣和销轴与滑车之间进行连接,不仅能够节省机具索具的使用,还能够确定井架竖起后各部位的尺寸。且卸扣和销轴的装拆更为方便。使用轻轨小平车,由传统的滑动方式用滚动来代替,可以有效的降低所需要的载荷量,也在一定程度上提高了施工作业的平稳性。
摘要：箱形钢井架具有较高的提升能力,较好的受力状况,因而在煤炭行业中获得了较为广泛的应用。但箱形钢井架结构复杂,质量大,因而在安装过程中也存在一定的难度。本文首先对箱型钢的结构特点进行了详细描述,然后以煤矿井架安装过程中基本A式钢井架进行了重点分析,最后对于安装过程中存在的注意事项和安装工艺特点进行了总结,希望本文能够对煤矿井架安装中箱形钢结构工艺提供一个理论依据和实践指导作用。
关键词：箱型钢结构,井架安装,A式钢井架
参考文献
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寒冷地区箱形结构温度裂缝的防护 篇6
钢筋混凝土箱形结构常见工程, 有地上、地下及半地下贮水池、地下室以及高层建筑的箱形基础, 其特点是采用连续薄壁型钢筋混凝土外围护结构, 组成具有一定使用功能的空间, 外围护结构的厚度远小于其他两个方向的尺寸, 这种结构在使用期间或施工阶段由于周围环境温度变化产生温度应力, 结构设计的使用条件或设计的施工及环境条件, 往往与结构在使用期间或施工阶段的施工条件不同, 结构设计一般不考虑这种条件变化。因此, 在我国北方钢筋混凝土箱形结构在越冬期间产生温度裂缝的可能性很大, 防止其裂缝至关重要。
2 温度裂缝成因分析
结构在温度作用下产生变形运动时, 不同或相同材料的相邻结构之间, 结构内部相邻质点之间, 都有可能产生相互影响、相互限制和相互牵制。不同结构之间的这种约束称为外约束, 外约束是指结构的边界条件, 一般指支座或其他外界因素对结构变形的约束, 对钢筋混凝土箱形结构来说, 指的是地基及四周上体对箱形结构变形的约束;结构内部相邻质点之间的约束称为内约束, 对箱形结构的墙壁和底板来说, 指的是由于结构内部非均匀温度及收缩分布所引起的各质点变形不均匀而产生的相互约束。
箱形结构的混凝土浇筑一般在正温下进行, 冬期施工阶段或冬季房屋不采暖, 其结构混凝土的温度与周围环境介质温度相同, 地上部分空气介质温度相同, 地下部分与土壤的温度相同, 则结构温度分布沿其高度分布是不均匀的, 地面以上结构温度分布可视为相同, 等于室外气温均匀分布;地面以下结构温度与地下土体温度分布相同, 随深度增加而温度升高, 随深度增加而温度梯度逐渐减小, 至某一深度土壤温度为零, 即为冰冻线深度。再往下结构处于正温, 土壤温度逐渐提高, 无论季节如何变化, 冰冻线以下的结构永远保持正温。由此可见, 从室外地面开始结构温度有一折点, 结构混凝土自身温度由于温度的提高, 其收缩变形逐渐减小, 变形大的质点受到变形小的质点的约束, 在混凝土中沿结构高度产生不同的约束变形和约束应力。
2.1 最大约束面处约束应力最大, 裂缝首先由此产生
地上结构从地面开始向上所处温度相同, 在地面处发生温度突变, 因此地面上部质点的温度变形必然受到下部质点的约束, 该约束面上的质点与相邻质点的温度梯度最大约束应力也最大, 因此结构裂缝首先在最大约束而处产生, 并向上下两个方向开展。
一般地下或半地下箱形结构埋置于冰冻线以下, 外约束引起的最大约束应力不大, 因此箱形结构的钢筋混凝土底板裂缝较少, 若施工阶段地下结构四周未回填, 内约束的最大约束而下移, 则底板可能产生裂缝。
2.2 模箍作用和边缘效应
从结构实际产生的裂缝位置可见, 裂缝并不完全从最大约束面开始, 而是距离最大约束面一定距离开始向上和向下发展, 这是因为在裂缝形成中, 裂缝处必然产生剧烈的变形, 这种变形又必然受到约束体的约束作用, 推迟了裂缝的产生并限制了裂缝的开展。但这种模箍作用的影响范围不大, 阻裂长度很小, 而随远离最大约束面迅速衰减。
箱形开口结构是上部为自由端的箱形结构, 而自由端的环向拉力有所增加, 所以烟囱、水塔、容器等结构的上部区域常常出现上宽下窄的竖向裂缝。这种边缘效应的影响随远离自由端而迅速衰减, 若边缘效应与温度应力叠加, 会增加裂缝产生的可能性。
3 温度裂缝解决方法
3.1 板底设置滑动层, 减小外约束
箱形结构底板下设置滑动层, 从而减小地基对底板的约束, 减小约束应力。滑动层材料日前多使用沥青材料或砂垫层, 为防止涂刷热沥青给下道工序造成施工困难, 可在热沥青上增设一层油毡。
3.2 减小温差
混凝土浇筑温度与结构越冬温度之差是决定结构温度应力大小的主要因素, 为此混凝土浇筑应尽量避开炎热天气, 宜在春秋季节进行。降低混凝土拌合物的温度并加强养护, 以降低混凝土的成型温度, 也是减小混凝土温差的一种方法。
混凝土组分材料的预冷却, 不仅可降低混凝土的浇筑温度, 还可减小混凝土内部最高温度, 并减小最高温度与冬季最低越冬温度之差, 从而将混凝土内部温度控制在允许范围内, 以避免裂缝产生。
预冷混凝土最简单的方法是冷却拌合水, 如仍不能有效地降低混凝上的浇筑温度, 还可在暑天对粗细骨料进行遮阳覆盖, 亦可在拌合前对粗骨料喷淋冷却水降温。
3.3 设置后浇缝
后浇缝是指在施工期间保留一定时间的临时温度收缩变形缝。其间距一般为20～30m。宽度为70～100cm, 并与施工缝相结合, 可有效地减小由混凝土硬化收缩、干缩及部分温度收缩引起的应力。后浇缝保留时间一般不少于40d, 后浇缝宜使用补偿收缩混凝土。
3.4 合理布置分布钢筋
合理布置分布钢筋。可以减轻混凝土的收缩和限制裂缝开展, 提高混凝土的极限拉伸, 当钢筋直径较小、间距较密时, 对提高混凝土的抗裂性能效果很好。
3.5 施工过程中的保温和保湿
越冬箱形钢筋混凝土结构必须注意保温和保湿, 前者是保证结构有较小的温差, 后者是防止混凝土的干缩。对入冬前己完成顶盖的结构, 除四周回填保温外, 顶盖上部也要用保温材料覆盖, 特别要注意半地下及地上结构的墙体地面以上部分的保温, 结构的入口应封闭。防止冷风侵入, 结构内部应注意保湿使其处于潮湿环境之中。
4 结语
寒冷地区越冬箱形钢筋混凝土结构温度裂缝是一个不易解决的问题。到目前为止, 尚没有一个能彻底解决温度裂缝的好方法。本文对其成因分析、解决方法仅为初探, 还需在未来的实践中进一步分析, 以期得到更好的解决方法。
摘要：钢筋混凝土箱形结构应用十分广泛, 但其在北方地区越冬后常常会出现一定数量的温度裂缝。现对温度裂缝进行成因分析, 并提出了几种降低温度应力的方法, 供相应单位参考。
关键词：箱形结构,约束,裂缝,防护
参考文献
[1]綦书慧, 翟焱.箱形结构混凝土越冬温度裂缝与防护[J].煤炭技术, 2001-01-25.
箱形钢结构 篇7
在城市桥梁的建设中, 由于道路线形的选择, 通行量的要求和美观上的要求, 桥梁上部结构已日益采用箱形截面的连续结构, 桥面的宽度也越来越宽, 这时普通的平面计算已经不能满足要求, 必须通过空间分析才能得到满意的解答。
梁格分析法的主要思路, 是用一个等效梁格来代替其上部结构。实际箱梁桥与比拟梁格之间的等效关系, 主要表现在梁格各构件的刚度上。虽然梁格法不能像实际箱梁结构中内力与位移一样保证是连续的, 但是梁格法有相对节省计算和时间的优点, 精度也能够满足设计要求, 所以这种方法在分析箱梁结构过程中得到了广泛的应用。
1梁格法精度的影响因素
梁格单元划分的疏密程度, 直接关系到结构原型与比拟梁格之间的等效程度和计算精度。从理论上讲, 网格划分的越细, 也就越能代表真实结构。但网络划分的越细, 在实际工程中具体应用时也就越麻烦, 耗费机时就越多, 实际应用也就越不方便。所以有必要找一种既能反映结构的受力特性, 又运用方便的网络划分方法。因此, 找出影响其分析精度的因素是有必要的。
1.1 纵梁划分模式的影响
在梁格分析法中, 纵梁的划分是关键。纵梁划分方法的不同, 对计算结果的可信度及精度有较大影响。对于T形梁桥, 其梁格模型中纵向主梁的个数, 应当是腹板的个数;对于实心板梁, 纵向主梁的个数可按计算者意愿决定;对于箱形梁桥, 由于箱梁桥上部结构的形状和支座布置的多样性, 对纵向网格的划分很难提出一个通用的划分方法。汉勃利提出了一个原则:应当使划分以后的各工形的形心大致在同一高度上, 也就是要满足:梁格的纵向构件应与原结构梁肋 (或腹板) 的中心线相重合, 通常沿弧向和径向设置:纵向和横向构件的间距必须相近, 使荷载的静力分布较为灵敏。这样划分主要是考虑使得格梁和设计时的受力线或中心线重合, 也就是要根据原结构的受力来划分网格。
按照上述的划分原则, 以一个单箱单室的箱梁上部结构为例, 截面尺寸见图1, 把其从两腹板间中央切开成“工字形”梁, 图1给出了箱梁截面的梁格划分图式, 所划分的梁格网格是具有与腹板中心线相重合的两根“结构的”纵向构件1, 2, 很显然, 这样的划分方式使得两个纵向构件的中性轴位于同一直线上, 并且恰好与整体箱梁截面的中性轴重合, 便可以在计算梁格刚度时简化计算, 每一“工字梁”的惯性矩是上部结构总惯性矩的1/2, 其梁格性质见表1。
1.2 虚拟横梁间距的影响
在梁格分析法中, 纵梁与纵梁的分离必然需要通过在纵梁间的虚拟横梁来使得各纵梁共同承担外力荷载。若全桥顺桥向划分M个梁段, 则共有M+1个横截面, 每个横截面位置就是横向梁单元的位置。支点应当位于某个横截面下面, 也就是在某个横梁下面, 每一道横梁都被纵向主梁和支点分割成数目不等的单元。
纵桥向梁格网格的划分, 每跨至少划分成4段～6段, 其中在截面变化处、边界条件变化处、横隔梁处、关键截面 (如跨中、四分点) 等一般需要划分, 通常每跨分成8段或更多, 即可保证有足够的精度。研究证实, 对于跨径20 m的情况, 纵桥向划分6个～8个单元即可满足精度要求, 若再细分网格将会产生工作量增大而计算结果的精度改善却不明显的情形。连续弯箱梁桥的中间支座附近因内力变化较剧烈, 故一般应加密网格。
1.3 对宽翼缘箱梁翼缘有效宽度的影响
箱梁截面梁为闭合截面梁, 它与开口截面梁在弯曲正应力的分析上没有什么不同, 弯曲正应力的分布仍按照平面假设, 即截面上某一高度处的应力大小和该处距中性轴的距离成正比。但需要指出的是, 如同开口截面一样, 箱形梁顶板或底板中的正应力, 也是通过顶 (底) 板和腹板处正应力的受剪面而传递的, 顶底板的正应力沿板宽的分布是不均匀的, 靠近腹板正应力较大, 离腹板较远处正应力有所减小。这种由于剪力影响而使正应力分布不均匀的现象称为“剪力滞效应”。这在具有较薄顶底板的宽箱梁中影响较为显著, 且越接近梁的支点时由于剪力越大而影响显著。因此, 当箱梁翼缘较宽或悬臂板较大时, 应考虑箱形梁翼缘正应力有效分布宽度对梁格截面特性的影响。
我国JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 (以下简称《公桥规》) 第4.2.3条规定了箱形截面梁在腹板两侧上、下翼缘的有效宽度的计算方法, 这里不再赘述。考虑有效宽度主要是使用于预应力箱形梁的剪滞效应分析, 即考虑上下板的有效宽度 (受压区) 后, 对截面惯性矩进行相应的调整, 最后进行应力计算。对内力计算没有影响。
1.4 虚拟纵梁的影响
为了计算方便, 对于箱形截面常在悬臂的边缘增加两根纵梁, 如图2所示。这样在计算机仿真时便可以绘制出悬臂部分的影响面, 在利用影响面计算活载效应时便可以方便的多。同样, 对于腹板间距较大的箱梁, 为了提高活荷载计算结果的精确度, 一般需要在两腹板所代表的纵梁之间增加一根或几根纵梁, 以使得影响面在两腹板之间位置处的数值更加精确。这些纵梁称之为虚拟梁, 主要是考虑它截面刚度的取值与其他纵梁截面刚度取值的不同, 且计算过程中不计入虚拟构件的自重作用。因此, 虚拟纵梁构件模式的不同划分, 也会影响梁格计算精度。
1.5 剪切变形的影响
梁格法中, 对于高跨比较大的深梁来说, 剪应力引起的剪切变形对构件的扭转作用较大, 从而对横向刚度的取值就有着较大影响, 但是对浅梁, 剪应力引起的剪切变形比较小, 可以忽略。
2结语
梁格法是计算箱梁结构的一种有效的方法, 误差是不可避免的, 但是在大多数情况下能满足工程需要。然而, 作为一种简化计算方法, 要综合考虑以上各种因素往往是比较困难的。伴随着计算机技术的发展, 很多大型空间有限元程序的开发对箱梁结构的计算能够更加精确的模拟, 但耗力耗时, 但它对梁格法的完善提供了数据基础。
参考文献
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箱形钢结构 篇8
箱型截面梁作为一种重要的承载结构件,被广泛应用在矿山机械、建筑机械、工程机械等设备中[1,2,3]。在满足强度要求的前提下,实现梁的结构优化设计具有重要的经济价值。赵国忠等[4]对不同截面梁的刚度和稳定性进行了研究,进而对工程用梁截面的选用提供了建议;尚军等[5]对箱型截面梁的剪力滞后问题进行了研究,剪力的通用微分方程使得求解结果更加精确;陈向荣等[6]对宽厚比超限的箱型截面的焊接应力进行了研究,得出了应力分布的若干结论,但对于工程应用中最为关心的重量问题,类似的研究文献并不多。本文即以一种液压承载支架的横梁为例介绍箱型截面梁结构优化的过程。
遗传算法作为一种重要的优化设计方法,在工业工程领域已经有了广泛的应用[7,8]。Matlab遗传算法工具箱将遗传算法的常用函数集合到一起,并以图形化的方式展现给使用者,使用时只需将编写好的目标函数和约束条件导入,并选择适当的控制参数,便可以快捷高效地使用遗传算法求解问题。对于本例中约束条件高度非线性、局部最优解众多的情况,遗传算法具有足够的适应性和搜索能力保证求解顺利进行。
1建立梁优化数学模型
数学模型是对实际问题的描述和概括,因此,根据优化问题的条件和要求建立恰当的数学模型是进行优化设计的第一步。
1.1选取设计变量
设计变量是优化设计过程中需要调整和优选的参数。本节内容主要是对横梁的箱型断面进行优化,因此可以将箱型断面的筋板尺寸作为优化的设计变量。箱型断面及其等效截面的结构简图如图1所示,等效截面是将下盖板看作一块整板,这样对截面积的大小和顶梁强度没有影响,做此种等效主要是考虑计算过程中的简化。
横梁宽度B根据总体需要和空间要求,一般会提前确定,所以可以进行调整的参数只有上盖板和下盖板厚度t、筋板高度h、筋板厚度b1,于是将t、b1、h三个参数确定为本次优化设计的设计变量。
1.2确定目标函数
目标函数是关于设计变量的函数,是用来评价设计方案好坏的尺度。对于最小化问题,能使目标函数值越小则设计方法越好。本文优化的目标是横梁重量最轻,对于等截面横梁,可以将优化目标等价为截面积最小,即:
式中:B为横梁宽度;t为盖板厚度;h为筋板高度;b1为筋板厚度。
1.3定义约束条件
根据优化问题有没有约束条件,分为约束优化和无约束优化。很多的现实问题都是约束优化,即对设计变量有各种限制和要求,将这些限制和要求表示成一系列等式和不等式的形式就形成了约束条件。约束条件根据性质可分成边界约束和性能约束,本次的优化问题同时包含了这两种约束。
1)边界约束条件。为了保证箱型结构具有一定的强度和刚度,钢板厚度和高度的取值不能太小,同时,为了满足空间要求等因素,厚度和高度的取值也应该有一个上界,即:
横梁厚度的原始设计为550 mm,而本次优化设计的目标是在不增加横梁厚度的基础上进行的,所以还要补充一个不等式约束来限制横梁厚度不大于550 mm,即
2)弯曲强度条件。在截面处采用最大弯曲应力进行强度校核,弯曲强度条件为
式中:σs为材料的屈服极限;σ为计算截面的最大弯曲应力;ns为许用安全系数。
3)剪切强度条件。当该截面的剪切应力为最大时,需校核剪切强度,现对中性轴处剪切应力进行校核,有剪切强度条件:
式中:[τ]为材料的许用安全应力;τ为计算截面的最大剪应力;nτ为许用安全系数。
1.4计算梁截面应力
1.4.1危险断面弯矩的确定
本例中横梁中部承受一向下的集中载荷,载荷大小为15 000 k N,集中载荷两侧均匀分布4个向上的载荷,横梁剪力图、弯矩图如图2所示。
由计算可知,横梁在受中部集中载荷下的最大剪力和弯矩为:Q=7.5×106N;M=1.173×107N·m。
1.4.2危险截面弯曲应力的计算
1)截面形心距的计算。因为横截面是轴对称图形,根据中性轴的性质可知,对称轴就可以作为中性轴,所以可求得形心距为:y=t+h/2。
2)截面惯性矩的计算。为了求得横梁截面总惯性矩,首先需要计算每块板对中性轴的惯性矩,然后求和。为了便于区分,对盖板和筋板进行编号,如图3所示。
1.4.3危险截面剪切应力的计算
1)截面沿中性轴的总宽度为:b0=6b1。
2)截面中性轴之上各块面积对中性轴静矩的计算:
1号板对中性轴的静矩为S1=Bt·(h+t)/2。
2号板对中性轴的静矩为S2=(b1h/2)·h/4=b1h2/8。
截面中性轴之上各块面积对中性轴静矩为S0=S1+6S2=Bt·(h+t)/2+3b1h2/4。
顶梁截面剪切强度为τmax=[Q(3b1h2+2Bt(h+t)]/{4b1/[3b1h3+Bt3+3Bt(t+h)2]}。
2设定优化算法运行参数
2.1遗传算法的基本思想
遗传算法是一种模仿生物界自然选择和自然遗传机制的随机全局搜索和优化方法。它不依赖于问题的具体领域,对问题的种类有很强的鲁棒性,通过自组织、随机的信息交换来重组适应性好的个体,生成新的群体。基于其实用、高效、鲁棒性强的特点,遗传算法得到了迅速的发展。
遗传算法求解问题时从任一初始种群出发,通过随机选择,交叉和变异操作,产生一群更适应环境的个体,使群体进化到搜索空间中越来越好的区域,这样一代一代地不断繁衍进化,最后收敛到一群最适应环境的个体,从而求得问题的最优解。完整的遗传算法运算流程如图4所示。
2.2设定遗传算法控制参数
1)初始种群参数的设置。本次设计种群大小为100,即每次迭代有100个体参与竞争;目标函数值的初始范围根据具体情况确定为[100000;200000]。
2)适应度比例转换。适应度比例转换是为了将适应度值转变为适合选择操作的函数值的过程。适应度比例转换的常用方法有排列、比率、线性转换等,本次优化设计选择Rank的适应度比例转换,相比其他适应度比例转换函数,此方法不容易因为原始适应度值的大小导致程序出错。
3)选择操作。选择操作是为了选择生存能力强的个体进入到下一代,选择算子的好坏将直接影响到计算结果的精度。本次设计选择Roulette轮盘赌选项,这种选择方法相对简单,占用的计算机资源小,因此使用比较广泛。
4)交叉操作。交叉又称重组,是对选中的两个个体进行某个或某些位的交换。交叉算子的设计包括如何确定交叉的位置和如何进行基因交换两个方面的内容。交叉操作是遗传算法区别于其他算法的重要特征,是产生新个体的主要方法。交叉的主要方法有:单点交叉、两点或多点交叉、均匀交叉和算术交叉等,本次优化设计选择Heuristic启发式交叉函数,求解速度快,精度高,不易破坏解的完整性,得到解的速度更快。
5)变异操作。变异操作是一种随机运算,是以某一较小的概率改变选中个体的某一位或某些位的值。变异操作是产生新个体的辅助方法,能够弥补选择和交叉带来的信息丢失,而且还能增加种群的多样性,防止出现早熟现象。本次优化的选择方法采用自适应变异方法,以便更快地寻找最优解。
6)停止准则。停止条件决定了算法运行到满足什么条件停止。本次设计设置Stall generation为20,即如果最佳适应度值20代内不发生变化,则算法停止。
3优化过程及结果分析
首先将求解问题的目标函数和约束条件写成M文件的形式,然后导入优化工具箱的相应位置,并通过之前选择的遗传算法控制参数即可启动遗传算法进行求解。计算机寻找最优解的迭代过程如图5所示,生成的最优解如图6所示。
为了更清楚地看出各变量取值对优化结果的影响,我们对筋板厚度b1的取值下限设置了5个不同值,分别为20,18,16,14,12。运行算法5次,得到的结果如表1所示。
通过对表1数据的分析,我们可以得到以下结论:
1)为了减小横梁截面积,筋板的厚度取值越小越好,但是它的取值有一个下限。本次优化结果显示筋板厚度的最小值为16.53,考虑到约束条件,存在这一下限值的原因是为了满足横梁剪切强度的要求。因此,筋板厚度在满足剪切强度的要求下,厚度取值越小越有利于减小顶梁截面积。
2)为了减小横梁截面积,横梁厚度的取值越大越好。由于受到边界条件2t+h≤550的限制,横梁厚度不能随意增大,而每次优化横梁厚度的取值都达到了最大值。由此可以看出,增大横梁厚度有利于减小横梁截面积。因此,在满足强度要求以及结构允许的情况下,可以适当增大顶梁厚度并减小筋板厚度,这样有利于减小顶梁截面积。
考虑到钢板厚度都是有规范的,不能取小数,因此需要经过圆整,优化前后的横梁截面参数如表2所示。
经过优化以后,材料节省了约9.1%,达到降低了生产成本的目的。
4结论
本文利用Matlab遗传算法工具箱对箱型截面梁进行了结构优化,减轻了梁的重量,节约了成本,并对今后梁的设计提出了两条减重的建议:1)筋板厚度在满足剪切强度的要求下,采用较小值;2)横梁厚度取值越大越有利于减轻横梁重量。
摘要：依据结构力学的知识,计算了箱型截面梁的最大弯曲应力和最大剪切应力,并以此结果作为性能约束条件建立了梁优化的数学模型,最后利用M atlab遗传算法工具箱对箱型截面梁进行了结构优化。通过设置不同的遗传算法控制参数,得到了减小截面积的两条基本结论,从而对箱型截面梁的优化设计提出了减轻重量的方法。通过对钢板厚度取整后发现,优化后的模型重量降低了9.1%,达到了节约成本的目的。
关键词：梁,遗传算法,优化
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箱形基础计算方法 篇9
1 箱形基础结构设计——内力计算
首先介绍一下整体弯曲与局部弯曲的概念。
箱形基础在上部结构传来荷载、地基反力及箱基四周土的侧压力共同作用下, 将发生弯曲, 这种弯曲称为整体弯曲。顶板在荷载作用下也发生弯曲, 这种弯曲称为局部弯曲。底板在地基反力作用下也发生局部弯曲。因此在设计箱形基础时, 必须按结构的实际情况, 分别分析箱基的整体弯曲和局部弯曲所产生的内力, 然后将配筋量叠加。
1.1 内力计算方案
箱形基础的内力分析实质上是一个求解地基、基础与上部结构相互作用的课题。由于箱基本身是一个复杂的空间体系, 要严格分析仍有不少困难, 因此, 目前采用的分析方法是根据上部结构整体刚度的强弱选择不同的简化计算方法。
1) 当地基压缩层深度范围内的图层在竖向和水平方向较均匀、且上部结构为平立面布置较规则的剪力墙、框架、框架——剪力墙体系时, 箱基的顶、底板可仅按局部弯曲计算。即顶板以实际荷载 (包括板自重) 按普通楼盖计算;底板以直线分布的基底净反力 (计入箱基自重后扣除底板自重所余的反力) , 按照上课时所讲的倒梁法进行计算, 但必需注意的是, 这种方法适用于上部结构刚度很大的情况, 因为它假定的是各柱之间没有沉降差异, 因而把柱脚视为箱形基础的绞支座。2) 对不符合上述条件的箱形基础, 应同时考虑局部弯曲及整体弯曲的作用。基底反力可按《高层建筑箱形与筏形基础技术规范》 (JGJ6-99) 推荐的基底反力系数表确定, 该表是根据实测反力资料经研究整理编辑的。
因为对粘性土和砂土地基, 基底反力分布呈现边缘大、中部小的规律;但对软土地基, 沿箱基纵向的反力呈马鞍型, 而沿横向则为抛物线形, 所以规范中对这两类土分别给予了不同的反力系数。
1.2 箱基承担的整体弯矩
计算箱基的整体弯矩时, 将箱基视为一块空心的厚板, 沿纵、横向两个方向分别进行单向受弯计算, 荷载及地基反力均重复使用一次。
显然, 按上述方法算得的整体弯曲应力是偏大的, 因为把箱基当作梁沿两个方向分别计算时荷载并为折减, 同时在按静定分析法计算内力时也未考虑上部结构刚度的影响。对后一因素, 可采用G.G.迈耶霍夫 (Meyerhof, 1953) 提出的“等代刚度梁法”将Mx、My分别予以折减, 具体计算公式如下:
式中MF——折减后箱基所承受的整体弯矩;
M——不考虑上部结构刚度影响时, 箱基整体弯曲产生的弯矩, 即上述Mx、My;
EFIF——箱基的抗弯刚度, 其中EF为箱基混凝土的弹性模量, IF为按工字形截面计算的箱基截面惯性矩, 工字形截面的上、下翼缘宽度分别为箱基顶、底板的全宽, 腹板厚度为在弯曲方向的墙体厚度的总和;
EBIB——上部结构的总折算刚度。
2 构件强度的计算
2.1 顶板、底板、墙体的计算
如前所述, 主要考虑将箱基视为一块空心的厚板, 沿纵、横向两个方向分别进行单向受弯计算, 在此不再阐述了。
至于墙体的计算, 主要涉及的是剪力的计算, 内外墙的抗剪强度均需满足V≤0.2fcA的要求, 将箱基看成是一根在外荷载和地基反作用下的静定梁, 求出各支座截面左右两边的总剪力Qj, 然后把总剪力分配到各道纵墙上, 而分配的原则是根据各道纵墙宽度和所受的柱子轴向压力所占的比重决定的,
式中bi——第i道纵墙宽度 (m) ;
Σbi——各纵墙宽度总和 (m) ;
Nij——第i道纵墙在j支座处的柱子轴向压力 (k N) ;
ΣNij——横向同一柱列中 (即一榀框架) 各道柱子轴向压力总和 (k N) ;
2.2 墙体开洞洞口过梁计算
箱形基础兼作地下室或人防工程使用时, 必有门洞或窗洞, 这些洞口的位置及其大小要符合有关的规定。内墙门洞要设在两柱轴线之中间, 洞边离柱轴线不宜小于1.2m。开洞系数为:
洞口上、下要设上、下过梁。上、下过梁的钢筋必须同时考虑箱基的整体弯曲和局部弯曲, 并按下式计算弯矩:
式中a——剪力分配系数;h1、h2——上、下过梁高度 (m) ;
q1、q2——作用在上、下过梁的均布荷载 (k N/m) ;
Q——洞口处剪力值 (k N) ;
上、下过梁还要满足受弯构件的斜截面抗剪条件:
式中A1、A2——上、下过梁的计算截面, 按下图中的阴影部分计算, 取其中较大值。
洞口处截面被削弱, 在转角处有应力集中, 因此洞口两侧及转角处应增加附加筋以加强。每侧加强钢筋的面积不得小于洞口宽度内被切断的钢筋面积的一半, 且不得小于2Φ16, 此钢筋在洞口边缘应再延伸40d, 洞口每角各加上不小于2Φ12的斜筋, 长度不小于1m。
3 综述
1) 从阅读的文献可以看出, 箱形基础的内、外墙体是研究得比较少的一个部分, 而且在JGJ6-99规范中也对其计算方法没有明确的指示, 只是指出“箱形基础的内、外墙, 除与剪力墙连接者外, 其墙身截面均应按公式KQ≤0.3RaA (公式4.0.12) 进行验算。对于承受水平荷载的内外墙, 尚需进行受弯计算。”这与JGJ6-80规范的内容是相同的。
2) 再来对比一下J GJ 6-99规范与J GJ 6-80规范, 在地基反力系数中, 两者是没有作出任何改变的, 这就证明了采用这个经验的系数在实际工程中还是收到比较好的效果的, 但它也有其局限性的。首先是基础底面形状的局限性, 这里仅仅提供了有限的几种平面形状, 所涉及到异形基础的就更少了。其次是地基土质的局限性, 仅仅分成粘性土、砂土和软土是非常的粗糙的, 不能反映地基土质的复杂情况。因此地基反力系数表还有待进一步的丰富。
3) J GJ 6-99规范也有比J GJ 6-80规范改进的地方, 就是考虑上部结构刚度时, 建筑物小于8层时取实际层数, 大于8层时n取8, 这样做是偏于安全的, 这里涉及到地基——基础——上部结构共同作用的问题。
4) 但是工程实测也表明, 整体弯曲钢筋应力都不大, 一半只有20~30Mpa, 远低于钢筋计算应力, 而且都有一个共同的变化规律, 就是随着楼层的升高荷载的增加, 钢筋应力不断增长, 当楼层达到某一个临界层后, 钢筋应力又开始逐渐下降了。即证明在设计中钢筋是被浪费了, 这在设计中是一个尚待合理解决的问题。
摘要：基础设计是“3分计算, 7分经验”的体现, 特别是现有的一些计算箱形基础刚度的公式都难以准确反应基础整体刚度的大小, 所以当箱形基础的几何尺寸、洞口设置以及混凝土强度符合《高层建筑箱形与筏形基础技术规范》 (JGJ6-99) 的有关规定时, 即可认为其“整体刚度较好”。
关键词：箱形基础,整体弯曲,局部弯曲,基底反力
参考文献
[1]中华人民共和国行业标准.高层建筑箱形与筏形基础技术规范 (JGJ6-99) [S].北京:中国建筑工业出版社, 1999.