大跨度空间桁架高空滑移与吊装施工条技术研究.doc
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1、1 大跨度空间桁架高空滑移与吊装施大跨度空间桁架高空滑移与吊装施 工技术研究工技术研究 课题名称:大跨度空间桁架高空滑移与吊装施工技术研究 课题承担单位(盖章): 中国建筑第七工程局有限公司 课题起止时间: 2012 年 01 月至 2012 年 12 月 课题验收时间: 2013 年 1 月 1 目目 录录 1 1 绪论绪论 .1 1.1 选题背景1 1.2 大跨度空间结构的特点及分类2 1.3 大跨度空间钢结构施工方法2 1.3.1 高空散装法.3 1.3.2 分条分块吊装法.3 1.3.3 整体吊装法.4 1.3.4 整体提升法.4 1.3.5 整体顶升法.5 1.3.6 “折叠展开式”
2、整体提升(顶升)法.5 1.3.7 Pantadome 法6 1.3.8 索穹顶无支架提升索杆累积安装法.7 1.4 大跨度空间钢结构施工研究现状及存在的问题7 1.5 本文研究的目的10 2 2 大跨度空间桁架高空滑移与吊装施工工艺大跨度空间桁架高空滑移与吊装施工工艺 .12 2.1 引言12 2.2 滑移法分类12 2.3 吊装工程施工技术与滑移法施工的方案制定17 2.3.1 吊装工程.17 2.3.2 滑移单元的划分和地面拼装单元的划分.19 2.3.3 胎架系统的布置原则.20 2.3.4 动力系统.23 3 3 大跨度空间钢结构滑移法施工全过程力学行为研究大跨度空间钢结构滑移法施工
3、全过程力学行为研究 .25 3.1 引言25 3.2 大跨度空间钢结构施工力学分析理论26 3.3 工程概况30 3.4 结构模型建立31 3.4.1 ANSYS 软件简介31 1 3.4.2 ANSYS 的三大模块在滑移法中的应用32 3.4.3 荷载及荷载导入的方法.35 3.5 滑移法施工全过程力学行为结果分析37 3.5.1 施工监测值与模拟计算值在滑移施工的对比分析.37 3.5.2 两组胎架滑移法的力学行为分析.39 3.6 小结42 4 4 大跨度空间钢结构滑移法施工若干问题的研究大跨度空间钢结构滑移法施工若干问题的研究 .43 4.1 引言43 4.2 滑移分片的划分对结构成型
4、的影响分析43 4.3 滑移不同步对结构成型影响分析45 4.4 大跨度空间钢结构滑移法施工线性与非线性对比46 4.5 将线性分析结果同非线性分析结果做对比48 4.6 小结49 5 5 结论与展望结论与展望 .50 5.1 结论50 5.2 进一步的工作51 1 1 1 绪论绪论 1.11.1 选题背景选题背景 国际著名的结构学大师林同炎先生在结构的概念与体系一 书中曾指出,判别一种结构体系优劣的标准有以下几个方面: 材 料强度是否得到充分地发挥;基础反力是否得到妥善处理;施 工安装是否安全经济;跨度是否足够大,结构空间与建筑使用空 间是否基本一致;建筑结构体系的艺术价值。时至今日,随着建
5、 筑技术高度发展,这些原则仍具有相当普遍的实用性。 大跨度建筑在其发展初期,主要是以拱式结构和框架式结构为 代表的二维平面结构,由于平面构件只能起到层层传递荷载的作用, 并不能为主要承重构件分担荷载,所以平面结构只适用于造型简单、 跨度较小的建筑。伴随着材料和建造技术的进步,以钢材为主要材 料的空间结构体系获得了较快的发展。近些年来,在奥运建筑和世 博建筑的引领下,我国大跨度空间结构体系的形式也从简单的网架、 网壳结构发展到空间桁架结构、预应力网格结构、膜结构、张弦结 构、开合结构、索穹顶结构等新型结构体系。大跨度空间结构体系 极好的适应了林同炎先生提出的结构体系标准,具有巨大的发展潜 力。
6、现代建筑体量越来越大,形式越来越新颖,构造越来越复杂, 这也对大跨度空间钢结构的施工技术提出了更高的要求。由于在施 工过程中影响因素众多,各因素自身离散性很强且相互关联,在从 单一构件逐渐集成为一个完整结构体系的过程中,内力表现出分布 2 复杂性和结构最终成型可变性,因此有必要对大跨度空间钢结构的 施工工艺进行更多探索并进行全过程的力学行为研究。 1.21.2 大跨度空间结构的特点及分类大跨度空间结构的特点及分类 大跨度空间结构是一种通过空间几何解析,且在荷载作用下表 现为三维受力特性的结构。常用的大跨度空间结构形式包括桁架结 构、网架结构、网壳结构。从几何拓扑学的角度分析,桁架是格构 化的梁
7、,网架是格构化的板,网壳是格构化的壳体。 大跨度空间钢结构按整体刚度差异可分为刚性空间钢结构、柔 性空间钢结构、混合空间钢结构。其中,刚性空间钢结构分为: 空间网格结构(又细分为平板型网架、曲面网壳、网格梁);拱 型结构;表皮应力结构。柔性空间钢结构分为:悬索结构; 全张力结构(索穹顶结构);薄膜结构。混合空间钢结构为以上 两种结构的杂交结构体系。文献1提出了空间结构按其基本单元组 成进行分类的方法,并根据国内外已建的空间结构工程,归纳出了 33 种具体的空间结构形式,见图 1.1。这一分类方法与结构分析的 计算方法、计算机程序有机结合起来,启发人们不断创新、开发出 新的空间结构形式2,4 。
8、 1.31.3 大跨度空间钢结构施工方法大跨度空间钢结构施工方法 大跨度空间钢结构施工方案的选择应充分考虑结构成形过程的 力学性能和结构的构造特点,在满足质量、安全、进度和经济效果 的前提下,根据现有施工技术条件和设备资源配备情况综合决定。 目前大跨度空间钢结构常用的施工方法有:高空散装法、分条分块 3 吊装法、整体吊装法及整体顶升法、滑移法。近二十年,经过大量 的技术创新和工程实践,形成了如 “折叠展开式”整体提升法、 Pantadome 法 5,6、高空曲线滑移法等新型施工方法。 1.3.11.3.1 高空散装法高空散装法 高空散装法是指将单一杆件连同节点直接安装到设计位置,常 应用于螺栓
9、球节点的网架和网壳结构中。按照支撑形式可以分为局 部点撑悬挑法、分片滑动支撑法和满堂红支撑。局部点撑悬挑法的 安装顺序是从结构边缘向内部结构柱延伸,根据计算确定支撑位置, 控制安装变形;分片滑动支撑法是指在支撑下部设置轨道和滑轮, 适用于形体规则且纵横比较大的网架结构,滑动支撑既可以有效控 制安装变形分片滑动支撑法是指在支撑下部设置轨道和滑轮,适用 于形体规则且纵横比较大的网架结构,滑动支撑既可以有效控制安 装变形又可以减小胎架的支设量;满堂红支撑法是应用最多的网架支 撑法,具有安装精度高、支撑搭设最大、工作面要求多等特点。 高空散装法的关键技术问题有: 注意拼装顺序、以减少累计误差和控制拼装
10、精度; 进行拼装过程的误差调整,确保拼装后的安装质量; 支撑的强度、刚度、稳定性和最大沉降量要进行严格验算, 尤其应特别注意对分片滑动的支撑系统平面外刚度的计算。 杆件拧紧扭距要达到设计要求,且在后期涂漆过程要控制节 点的漆膜厚度以防机构成型后水蒸气进入而锈蚀节点。 4 1.3.21.3.2 分条分块吊装法分条分块吊装法 分条分块吊装法是现今大跨度空间钢结构安装最常用的方法。 分条分块的划分原则首先应根据现场条件来确定吊机的选择与开行 路线,然后基于吊机的吊装能力对整体结构进行吊装单元的划分, 再根据划分后的吊装单元确定支撑位置及载荷量。这种施工方法的 特点是大部分的焊接和拼装均在地面进行,减
11、少了临时支撑的数量, 降低了施工面布置难度,拼接质量可以得到有效保证,吊机选择灵 活,较容易提出适应性方案。 对于已经局部吊装就位的分片结构,其力流传递方向和成形后 并不一致,且与成型结构的边界条件不同,导致临时就位的吊装分 片刚度较小,变形量较大,所以可以通过设置顶部带有千斤顶的临 时胎架系统来控制临时分片的变形量。另外吊装过程中构件的起吊 点分析至关重要,大型吊装可以采用钢扁担来增加吊点的数量以有 效控制吊装变形。 1.3.31.3.3 整体吊装法整体吊装法 整体吊装法是现代吊装技术发展的产物,此种工法最大限度地 减少了空中拼装和焊接,提高了结构安装效率和安装质量。空中抬 吊可以采用一台大
12、型吊机或多台吊机进行,在场地平整、吊机运行 路线顺畅的情况下还可以采用空中移位技术,大大降低了对下部结 构施工的影响,具有较高的综合效益。提升设备的布置原则为:网 架吊装时的受力情况应尽量与结构成型后的受力情况相似;每个 吊装设备所承受的荷载应该尽可能接近,严格控制升降差以实现协 5 同工作。 1.3.41.3.4 整体提升法整体提升法 整体顶升法是利用柱作为上升滑道,将千斤顶安装在结构各支 点的下面,逐步地把结构顶升到设计位置的施工方法7,8。整体顶 升法与整体提升法类似,区别在于提升设备位置的不同,前者动力 设备位于结构支点的下面,后者的动力设备则位于上面,两者的作 用原理相反。整体顶升法
13、的技术要点有: 整体顶升法需要有固定 的导向装置,导向装置的设置要保证相互平行,过大偏差会导致结 构过度偏转不利于结构成形;同步控制是顶升过程的关键;结 构柱如果采用双肢或四肢格构的形式可以较好的适应此施工方法。 1.3.51.3.5 整体顶升法整体顶升法 整体顶升法是利用柱作为上升滑道,将千斤顶安装在结构各支 点的下面,逐步地把结构顶升到设计位置的施工方法7,8。整体顶 升法与整体提升法类似,区别在于提升设备位置的不同,前者动力 设备位于结构支点的下面,后者的动力设备则位于上面,两者的作 用原理相反。整体顶升法的技术要点有: 整体顶升法需要有固定 的导向装置,导向装置的设置要保证相互平行,过
14、大偏差会导致结 构过度偏转不利于结构成形;同步控制是顶升过程的关键;结 构柱如果采用双肢或四肢格构的形式可以较好的适应此施工方法。 1.3.61.3.6 “折叠展开式折叠展开式”整体提升(顶升)法整体提升(顶升)法 从结构设计角度出发,超静定结构几何不变体系力学性能最稳 定,是设计师的首选;从结构施工角度出发,非静定结构几何可变 6 体系具有一定的可运动机构比较容易施工。折叠展开施工技术的主 要思想就是通过拆除部分杆件,使原本超静定的结构在施工过程中 变成非静定结构,这样就在地面上形成了一个可折叠体系,通过大 量的地面拼装,利用临时铰接点,然后将临时折叠的网壳提升到设 计位置,之后补缺未安装构
15、件使结构变成超静定结构。折叠展开式” 施工过程分析涉及到机构运动学、机构运动与弹性变形偶合的强非 线性计算、瞬态动力响应、同步的控制与分析等。 1.3.71.3.7 PantadomePantadome 法法 Pantadome 体系是日本法政大学教授川口卫先生依据图的基本 原理发明的一种结构体系和施工方法。在设计上,该体系于环向布 置铰接点以释放大量温度变形从而抵消结构的温度应力。施工期间, 通过拆除部分杆件使结构处于一种“可折叠状态”,待组装完成后, 用液压顶升的方法把结构推举到设计标高,然后再连上先前未装的 环向杆,这样一个几何可变的机构即被“锁住”而变成一个稳定的 几何不变结构。 Pa
16、ntadome 体系的特点是:钢结构拼装工作在地面大量进行, 同时屋面的防水、保温、吊顶、照明设备、管道等都可以在低空进 行从而大大加快了总体施工速度;在地面施工,施工精度易保证, 质量检测方便,便于施工管理,施工作业的安全性大幅度提高; Pantadome 体系在水平方向为自平衡体系,施工期间可有效抵抗 风荷载及地震作用等水平荷载,不用设置缆风绳等临时支撑结构; 低空施工节省了大量的临时支撑及临时支撑的安装与拆卸时间, 7 总体上节省了施工措施费用;Pantadome 体系适合于大规模、大 跨度的建筑,建筑的跨度越大,Pantadome 体系的优势越明显。 1.3.81.3.8 索穹顶无支架
17、提升索杆累积安装法索穹顶无支架提升索杆累积安装法 索穹顶结构是近年来国内兴起的新型结构形式。索穹顶是一种 结构效率极高的全张力结构体系,整个结构除少数几根压杆外其余 均处于张力状态,充分发挥了钢索的强度。 索穹顶无支架提升索杆累计安装法是郭正兴教授针对无锡太湖 高科园区索穹顶结构工程的特点,在吸取了国内外工程实践经验的 基础上,提出的一种全新的索穹顶施工方法。其工艺原理为:在索 穹顶支座环梁设置多点同步提升设备,用钢绞线与中心拉力环相连, 外环索采用辅助牵引索与外环梁相连,支座环梁的提升设备对中心 拉力环进行均匀提升,提升过程伴随着外环脊索的牵引,边提升边 进行位于不同安装高度的各环环索、桅杆
18、和斜索的扩展累积安装, 待所有拉索和桅杆安装完毕后,对最外环索进行分阶段张拉成型15。 无锡刚性屋面索穹顶无支架提升索杆累积安装的成功实践,开 创了索穹顶结构全地面安装的先河,为我国建造更大跨度的索穹顶 结构积累了的宝贵经验。 1.41.4 大跨度空间钢结构施工研究现状及存在的问题大跨度空间钢结构施工研究现状及存在的问题 近年来,我国大跨度空间钢结构的建设量逐步增长、发展势头 迅猛且呈现以下几个发展趋势:跨度由大跨度发展到超大跨度; 从单一结构体系发展到混合结构体系;从静态结构发展到开合 8 结构;超大超轻屋盖系统的研发与实践,参考文献9;拓扑优 化的应用和新材料的应用。以上的发展动态引导了施
19、工工艺的不断 创新,并使得空间钢结构施工控制的复杂性和精细化程度不断提高, 从而对施工过程的分析和施工技术的革新提出了更高的要求。施工 过程中钢结构系统表现出来的力学问题日益突出,如何结合建筑结 构形式、施工现场条件限制、建筑设备的选择、工期造价等因素, 探索合理的施工工艺和分析方法已经成为钢结构领域的研究热点。 从结构的整个寿命周期来看,风险平均概率最高的时段是在结 构建造阶段和老化阶段,通过大量的全球性工程事故调查表明,70% 以上的建筑工程事故均发生在结构建造阶段。大跨度空间钢结构具 有庞大复杂的结构体系,较为困难的施工过程力学分析,繁琐的施 工工艺等特点,这些特点都提高了建造时期结构失
20、效的风险概率, 作为大空间建筑,其发生事故的后果可想而知,由此越是复杂的结 构,其建造过程出现事故的可能性就越大,这样就需要更加深入的 进行施工工艺的探讨和施工力学行为的研究。 相对于大跨度空间钢结构设计理论研究的发展而言,工程建造 过程的全过程施工分析和模拟的理论发展缓慢,这是由于大跨度空 间钢结构本身体型庞大、体系复杂,引起了施工过程中大跨度空间 钢结构内力传递的复杂性和变形因素的多重性,而这些影响因素又 是相互关联的。“由于施工组织管理和工艺设备发展缓慢,在某种 程度上制约了现代结构工程向高科技、高技术方向的发展”;仅以 “滑移法”为例,施工工艺、施工顺序的不同都会导致结构施工中 9 的
21、受力和变形发生变化;同时,滑移过程中的不同步、滑移轨道的 不平整、拼装胎架的沉降、滑移单元的拼装误差等因素同样会影响 结构受力和变形,而这些因素往往带有很多的不确定性,这些相互 关联的因素都增大了施工力学分析的难度。 在结构施工阶段力学分析的理论研究方面,文献16根据结构 建造的实际情况,采用多重子结构矩阵位移法对施工因素的影响进 行了分析,研究结果表明施工过程对结构内力影响不可忽略,有学 者将空间结构施工阶段力学问题归于跳跃型时变结构力学模型,并 以此为理论基础开展研究17-20。文献18对不同施工顺序的网壳 结构进行施工力学全过程计算并分析了其影响;文献19通过结构 的内力叠加来模拟结构施
22、工全过程;文献21采用超级元有限元 耦合法对高层结构施工力学问题进行了仿真分析。 目前,大跨度空间钢结构施工力学理论的研究尚未系统化、成 熟化;并且大多数理论的应用并未完全结合实际,很难对建造过程 提出切实可行的理论依据,主要有以下几点不足: “结构施工并不是设计的终结,而是设计的一个步骤”,然 而我国的设计施工一体化不够充分。虽然大跨度空间钢结构的多数 设计理论已趋于成熟,众多设计软件的出现又极大地提高了设计效 率,但此类设计软件远未达到设计施工一体化的高度,缺乏对施工 阶段必要的分析和技术辅助; 目前施工力学分析理论尚未成熟,针对不同施工工艺的众多 施工分析方法比较零散,对于大型空间结构的
23、施工全过程缺乏系统 10 实用的分析理论; 我国“规范”缺乏对此类工程施工具体的操控要求; 施工技术水平的落后导致众多施工工艺和施工过程质量控制 点的选择往往以经验为主,多限于工艺和构造上的定性保证,缺乏 科学的施工过程简化模型,缺乏计算理论以及定量的分析和研究。 1.51.5 本文研究的目的本文研究的目的 作为一种大跨度空间钢结构的施工方法,滑移法适用于各种 可划分规则滑移单元的屋盖系统,吊装法和滑移法的交叉应用可以 有效减小对钢结构屋盖下部作业面的影响,加快整体施工速度。滑 移法虽然在许多工程己有应用,但随着结构跨度的增大,结构体系 的创新,对滑移法施工的工艺要求和质量控制要求也越来越高。
24、因 此有必要对其整个施工过程进行分析,并对其整个施工过程进行数 值模拟。 近几年,施工时变力学有所发展,但由于理论尚未系统化、成 熟化还不足以支持工程实践。现阶段,施工过程的力学行为分析主 要以计算机软件作为主体工具,有限元技术在施工理论领域的应用 与发展,为施工过程力学行为分析提供了模拟平台,也为深入了解 施工工艺的力学特点提供了有益途径。 本文以天津海昌海洋馆为研究对象,利用高级有限元软件 ANSYS 对滑移法施工全过程进行力学行为分析,主要进行了以下研 究: 应用大型通用有限元软件 ANSYS 进行滑移全过程的力学行为 11 研究,通过同监测数据的对比,分析 ANSYS 高级生死单元技术
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