大悬挑桁架（精选六篇）
大悬挑桁架 篇1
连江县体育公园(中心)体育场项目位于位于连江县江南新城南江滨路与含光路交叉口东南角,工程造价约1.09亿元,总建筑面积约为30000m2,体育场约26588m2,地上2层,土建高度为19.1m,框架结构,分为东南西北四个区和一个田径场地,建筑等级为一级建筑物。本工程采用钢结构屋盖,钢结构主要分布在东西区看台的管桁架屋面和下部劲性钢柱,以及北侧屋面钢梁。东西区看台为大跨度空间桁架结构体系(东西区看台为对称结构),主要由三角管桁架构成;北区屋面主要为H型钢钢梁。合同要求达到市优质工程“榕城杯”标准。
本工程东、西区钢管桁架悬挑屋盖结构,东、西区屋盖结构各由24榀主桁架(东西径向)加4道贯通联系桁架(南北径向)所组成空间管桁架体系,见图1东西看台屋盖平面示意图(1/2模型)。
东、西区悬挑屋盖的前端在混凝土主结构柱顶各设置22个支座;在后端通过拉杆落地,落地点设置22个销钉支座。管桁架屋面投影面积为6150m2(展开面积约8300m2)。桁架悬挑屋盖最大悬挑长度28.6m,桁架厚度根部5m,端部2.5m,桁架根部高跨比为1/5.7,见图2典型桁架示意图。
2 现场拼装
2.1 现场拼装概述
根据结构形式和制作安装方案,屋盖桁架基本为散件运输到现场,拼装成吊装单元进行吊装。
2.2 屋架拼装施工技术
2.2.1 确保屋架拼装质量的施工措施
(1)胎架拼装结束之后要依据施工图对模具的方位、弧、角度等情况进行复测,而后才能进行构件拼装。
(2)根据施工图预算结构变形量,并针对部位采取防变形措施。
(3)进行焊接工艺试验,得出现场实际焊接收缩系数,对施工焊接工艺提供依据。
(4)对各个控制点坐标由专人采用全站仪进行精确定位。
(5)构件焊接前必须对焊接构件尺寸进行检查,焊接需严格按工艺要求进行。焊后进行检查,对轻微偏差构件采用矫正措施,保证其使用精度。
(6)拼装结束之后,解除构件上的约束,释放构件处于自由状态,测量桁架整体各项尺寸,报送监理进行分段验收。
(7)需要预拼装的构件在出厂前应于自由状态下预拼装完毕。
2.2.2 确保屋架拼装质量的检测措施
(1)建立测量控制点
搭设胎架之前,采用水准仪测量校准保证平台基准面水平,同时根据现场实际情况,确定出测量基准面的位置,并进行标记。确定支架点的高度时应对该点的测量值进行考虑,标高误差不大于±3mm。使用全站仪校准胎架的垂直度,保证垂直度偏差不大于5mm及h/1000。
(2)调整以及矫正器具
调整及矫正主要使用的是拉马、千斤顶。
(3)检测方法
使用全站仪、水准仪以及钢尺对跨距,位移,标高以及起拱度进行检查。
2.3 拼装流程
步骤1:放地样、设置拼装支架,测量支架坐标;
步骤2:第一段弦杆就位;
步骤3:第二段弦杆就位;
步骤4:腹杆就位;
步骤5:测量、校正。
3 临时支撑设置
3.1 支撑系统的说明
3.1.1 支撑系统的选择
支承将采用组合式临时支承体系。其组合尺寸为1m(宽)×1m(宽)×1.5m(高),材质为Q235钢管,标准节采用Φ89×4钢管,标准节与标准节间采用法兰进行连接。标准节运输时可进行拆卸成为片式方框,使其拥有便于拆卸,运输,承载力大的优点。
3.2 支撑系统的顶部和底部设置
3.2.1 支撑顶部定位胎架设置
支撑架顶部定位胎架的设置见图3。
3.2.2 支撑立于楼梯板上的情况
由于本工程临时支撑均支撑于看台板上,下部需加固处理。
4 钢结构的吊装
4.1 钢结构安装总体思路
根据现场条件的分析,本工程选用履带吊进行整榀吊装,根据条件,体育场主桁架的安装思路为:
(1)选用260吨履带吊作为桁架吊装机械,需用80吨汽车吊作为补缺杆件吊装机械;
(2)主桁架不分段,直接拼装好后吊装;
(3)主桁架在地面分段拼装,采用履带吊直接吊装;
(4)主桁架在端部位置设置临时支撑;
(5)安装顺序:桁架→后部拉杆→后部撑杆。
4.2 钢结构吊装工况分析
4.2.1 东西侧屋盖桁架吊装工况分析
根据图纸分析,因为21轴、22轴桁架,长度最长,吨位最重,起重高度也最高,故选取其为最典型吊装单元进行吊装分析,见图4吊装分析图。
4.3 桁架吊装技术措施
4.3.1 三角管桁架的吊点设置
本工程三角管桁架采用4点吊装,吊索与三角桁架上弦杆节点绑扎牢固,并在一侧两根吊索处设置手拉葫芦,用以调整桁架倾斜角度。
4.3.2 三角管桁架就位措施
三角管桁架起吊前,在弦杆上设置生命线。
5 钢结构的卸载工艺
5.1 钢结构卸载原则
钢结构的卸载过程既包含了拆除结构下部支撑,又包含了结构体系的转换,结构本身的杆件内力在卸载的过程中会产生变化。因此,在卸载时,必须要确保安全,而且不可违背设计方案,以防对构件的力学性能产生影响。保证卸载时相邻架体的受力不会产生过大的变化,在设计规定的容许应力内,避免破坏以及倾覆。
5.2 卸载前准备
(1)桁架统一按设计安装到位。
(2)节点的连接全部完成,并且经过验收。
(3)桁架底部的胎架全部由千斤顶置换出来。
(4)螺旋千斤顶的全部验收合格。
5.3 卸载工艺流程
(1)在现场临时支撑顶部原定位胎架内(见图5原定位胎架),设置转换胎架(转换胎架采用20#工制作),见图6转换胎架;
(2)在转换胎架顶部设置调节螺旋千斤顶,将千斤顶与桁架下弦顶紧(为保证千斤顶与桁架下弦顶紧和良好接触,在桁架下弦底部设置垫平钢板),然后将支撑顶部的桁架定位胎架割除,将桁架重量转换到千斤顶→转换胎架→临时支撑,如图7顶紧千斤顶,割除定位胎架后示意图;
(3)在卸载实施之前,我们选取千斤顶支撑处为桁架卸载控制点,利用有限元分析软件,计算出每榀桁架卸载结束后各控制点的挠度值,依据等比例整体卸载的控制原则,我们确立四级卸载,每次卸载重量为挠度值的1/4,每次卸载,采用结构整体卸载;
(4)卸载步骤:
我们选择了以下的卸载顺序:卸载按4步进行。同时在卸载之前,将每个点的每次卸载量对卸载人员进行交底。
第一:将每个支撑顶部位的千斤顶同时下降,下降程度根据计算出的卸载量进行调节;
第二:卸载完成并进行测量比较后,按照第一步的方法开始第二、三次卸载,过程中注意调节千斤顶的下降速度;
第三:最后将千斤顶同时下降到自由状态不受荷载,至此,桁架卸载完毕。
5.4 卸载过程的监控
5.4.1 卸载过程中的控制
(1)卸载过程中,为了监控桁架的下挠量,我们选取卸载千斤顶处的桁架下弦节点作为测量控制点,需要测量控制点的位移。
(2)为了控制卸载速度和同步性,由指挥吹哨进行卸载操作,卸载工作由起重班组长统一进行指挥,指挥吹哨后,工人按照哨声指令进行卸载操作,卸载一轮后,进行测量和检测,重新得到卸载指令后,方可开始下个动作。
(3)为了控制卸载速度,规定每转动螺旋千斤顶半圈(180°)为卸载行程的控制单元,转动速度控制在约5秒完成,待检测,重新得到卸载指令后,方可开始下个动作。
5.4.2 卸载量监控记录
本工程选用螺旋式千斤顶,每转动一圈,行程约为4.5mm,具体操作:
(1)卸载之前测量各千斤顶的螺杆高度,并进行记录。
(2)掌握卸载量,以转数进行初步控制,以螺杆高度作为精确控制,误差不大于1mm。
(3)每轮卸载完成后,应及时测量卸载点标高。
6 结语
近年来大型运动场馆、公共建筑的建设中,大跨度悬挑结构的使用越来越广泛,对施工技术的要求也越来越高,如何在保证质量安全的前提下,压缩施工进度,降低成本,成为了大跨度悬挑结构施工管理的重点。本工程大跨度悬挑结构的施工无论在深化阶段,或是在施工阶段,均进行了合理的方案设计,采用大跨度悬挑桁架吊装施工技术,对施工关键点进行优化,保证工程顺利完工,无安全事故发生,降低了工程的成本,并使得工程各项技术指标均达到了设计和规范要求。
参考文献
[1]鲍广鉴,曾强等.现代大跨度空间钢结构施工技术[J].钢结构,2005.
[2]董石鳞.空间结构[M].北京:中国计划出版社,2003.
[3]董石鳞.预应力大跨度空间钢结构的应用与展望[J].空间结构,2001.
考试大静定桁架的内力计算自测题 篇2
一、单项选择题
1.桁架的节点是()。
a.刚接b.铰接
c.铆接d.焊接
2.桁架的每个杆件的轴线是()，并通过铰的中心。
a.直线b.二次曲线
c.三次曲线d.螺旋线
3.桁架的的荷载及支座反力都作用在()。
a.节点上b.节点间
c.荷载作用在节点间，支座反力作用在节点上
d.荷载作用在节点上，支座反力作用在节点间
4.用节点法计算桁架轴力的步骤中，首先要()。
a.画杆件内力图b.求支座反力
c.取隔离体d.求未知力
5.用节点法计算桁架内力时，截取一节点为隔离体作为研究对象，利用()可求出杆件的未知力。
a.空间汇交力系平衡条件b.空间一般力系的平衡方程
c.平面汇交力系平衡条件d.平面一般力系的平衡方程
6.力作用于杆件的两端并沿杆件的轴线方向，称为()。
a.轴力b.剪力
c.弯矩d.扭矩
7.只有轴力的杆称为()。
a.拉杆b.压杆
c.二力杆d.轴力杆
8.用截面法计算桁架内力，取隔离体后，利用()来求未知力。
a.空间汇交力系平衡条件b.空间一般力系的平衡方程
c.平面汇交力系平衡条件d.平面一般力系的平衡方程 来源：
9.用截面法计算桁架轴力的步骤中，首先要()。
a.画杆件内力图b.求支座反力
c.取隔离体d.求未知力
二、多项选择题
1.静定桁架内力计算的两种方法是()。
a.内力法b.节点法
c.截面法d.弯矩法
e.平衡法
2.关于桁架的性质下列说法正确的是(
a.桁架的节点是铰接
b.桁架的节点是刚接
c.荷载及支座反力都作用在节点上
d.每个杆件的轴线是直线，并通过铰的中心
e.荷载及支座反力都作用在节点间
3.轴力可分为()。
a.拉力b.压力
c.剪力d.弯矩
e.扭矩
考点9自测题答案： 来源：
一、单项选择题：1.b2.a3.a4.b5.c6.a7.c8.a9.b
某悬挑空间桁架尺寸优化设计 篇3
结构优化设计与传统的设计最大的不同点在于优化设计把力学概念和优化技术有机结合。优化设计在满足限制条件的情况下能达到缩小成本、改进设计质量的目的, 具有很好的实用性。在工程实践中, 从现存的工程实例中总结得出优化设计与传统设计相比可使工程造价减少5%~30%的结论[1]。
1 结构优化设计方法
尺寸优化又称截面优化, 优化设计过程中以与截面相关的参数作为设计变量, 在一定的约束条件下, 综合运用数学规划理论和灵敏度分析相结合的有限元分析理论计算结构的应力和位移, 由此来减低工程成本。尺寸优化研究重点主要集中在优化算法和灵敏度分析方面[2]。
优化设计是运用计算机有限元软件在一定的限制条件 (即状态变量) 下达到结构的最优形状、最低造价、最小重量等目标函数的设计方法。ANSYS增加了最优化设计的功能。
2 钢管桁架罩棚结构优化算例
2.1 工程概况
本项目为某体育场, 桁架结构采用正放三角形钢管桁架, 桁架平面布置详见图1。结构通过在透明膜边界设置环向弧型桁架来连接主桁架和环向次桁架, 主桁架与环向弧形桁架之间用横杆或桁架连接罩棚内支座采用四角锥分叉钢管柱, 落在混凝土看台顶部, 罩棚外侧落地结构采用平面桁架, 桁架汇交于一点铰接落于混凝土框架柱上。
体育场罩棚最大高度约为30 m, 最大水平长度约为48 m, 最大悬挑长度约为33 m。屋面采用悬挑空间桁架结构体系, 材料选用Q345D的热轧无缝圆管。主桁架采用正放三角形空间桁架, 宽度2 m, 最大根部高度5 m, 端部高度约1 m。图2为单榀典型桁架剖面图。
2.2 基本设计参数
利用3D3S软件统计钢材理论用量:用钢量统计如下:罩棚钢结构用钢量2 846.4 t, 按其覆盖面积36 753 m2计为77.4 kg/m2。
2.3 静力分析
采用3D3S和MIDAS对结构进行了静力分析, 结果比较吻合。杆件最大内力和应力比见表1。
由表1可见, 大部分杆件最大应力比受温度作用组合以及风荷载组合控制, 在温度作用下, 局部杆件应力比小于0.9, 但在总装结构中, 由于引入了下部混凝土结构的有限支承刚度, 部分应力杆件应力比会有所减小, 满足规范要求。最大位移值见表2。
mm
2.4 优化设计计算模型
采用大型通用有限元分析程序ANSYS对罩棚主体结构进行建模和优化设计。结构的荷载取值和各种工况组合如上所述, 由静力分析结果可知工况二和工况四为两种最不利工况, 本文只进行在这两工况下的优化设计。屋盖结构的有限元简化模型如图3所示。
2.5 优化过程与结果
基于APDL优化设计分析方法, 采用ANSYS的批量处理方法进行优化设计, 具体实现过程如下:
1) 变量选取。
在进行优化设计时, 以杆件截面的半径r及壁厚t作为设计变量。状态变量为强度、稳定性、挠度共3种, 如前所述均用这些变量表示, 设计变量为实际工程中采用的钢管截面面积。
2) 目标函数。
本文选取空间悬挑桁架的质量作为目标函数, 因为钢材密度是一定的, 因此以用钢量最小为目标函数进行优化。
3) 优化方法。
零阶法和一阶相结合。
4) 优化过程。
a.构建优化模型。钢结构有限元分析采用整体三维模型, 其中弦杆连续, 次桁架与主桁架、腹杆与弦杆连接均采用刚、铰接两种连接, 支撑采用两端铰接。支座落在内部混凝土处, 按刚接、铰接分别计算上部钢结构。用梁单元Beam44模拟空间桁架结构的上下弦杆, 用杆单元Link8来模拟腹杆, Link8单元可以用来模拟铰链、三维空间桁架等。建模过程中沿用原设计结果的杆件截面尺寸进行分组, 并使用截面半径r及壁厚t作为设计变量, 将原设计尺寸作为初始值赋给设计变量, 同时根据《规范》的相关条文规定设置各类截面尺寸的上、下限值。
b.施加荷载并计算内力。本文用集中荷载简化施加在结构上的活载和恒载。施加于结构的风荷载实际也是均布荷载, 这里把施加在结构上的风荷载简化为线荷载, 最后进行构件的内力计算。
c.约束条件和目标函数的实现。依据优化设计模型约束条件对内力计算所得结果进行判断分析, 具体判断条件如下:
应力约束:杆件的内力计算需要在ANSYS杆件的优化结果中提取其面积和轴力, 并经过计算求得。最后再对计算结果的绝对值排序分析, 取最大值根据约束条件判断。
挠度约束:在用ANSYS进行优化的结果中对各个构件的挠度进行提取, 并取绝对值进行排序, 再根据《规范》有关规定, 对数值的上、下限进行限制, 从而满足挠度约束条件。
杆件稳定性:对ANSYS中的稳定临界系数进行提取, 在此基础上分析各构件的最大应力绝对值。
屋盖总质量:用钢材的密度乘以在优化结果中直接提取的空间桁架结构钢材总体积, 便可求得空间桁架的总重量。
d.迭代。在优化设计前, 需对作为优化变量的面积、应力、挠度、稳定进行验证。构件的最大截面面积就是实际工程中杆件截面面积, 优化后构件的最小截面面积不能小于规范规定的最小值;压杆、拉杆的长细比的最大值分别为150和350;钢材设计强度为应力的最大允许值, 整个空间桁架罩棚结构的最大挠度应符合规范要求;稳定约束条件中, 钢材的设计强度即为考虑临界安全系数后各构件的应力最大值。
e.优化结果。ANSYS有限元分析软件提供了两种优化方法:零阶方法和一阶方法。本文采用这两种方法相结合进行优化, 分别对结构在工况二和工况四荷载作用下进行优化分析。
mm
从表3可以看出, 工况四作用下所需杆件截面面积较大, 因此最终优化结果选用工况四作用下的杆件截面积。以上利用大型有限元软件ANSYS的优化分析功能, 得到了桁架的最小重量为2 544.68 t, 与初始设计重量2 846.4 t相比, 结构总质量减少了10.6%。由此可见, 利用ANSYS有限元分析进行桁架结构重量最轻的优化设计效果是非常明显的。
3 结语
本文采用ANSYS程序提供的零阶和一阶相结合的优化方法, 对某体育场的罩棚桁架结构进行了杆件的截面优化, 结果表明:
1) 优化使得空间桁架结构的总用钢量有了明显减少, 钢材总重量从原来的2 846.4 t减少到2 544.68 t。可节约钢材10.6%, 有较好的经济效益。
2) 本文仅考虑了1.2恒载+1.4活 (雪) 载和1.2恒载+1.4活 (雪) 载+0.6×1.4正风压两种主要工况, 同样对于其他工况我们可以采取相同的方法对其进行优化, 并在各种工况优化结果中选取优化的最大值。
参考文献
[1]李炳宏, 李新.基于ANSYS分析的平面桁架结构优化设计[J].山西建筑, 2007, 33 (20) :54-56.
大悬挑桁架 篇4
某工程门卫室, 拟建于两高层建筑之间, 其建筑形式及与周边建筑关系如图1所示。两侧高层建筑地下2层, 地上27层。基础形式为平板筏形基础, 基底埋深约为-8.35m。在门卫室最右侧一跨内尚有一汽车坡道 (地下车库入口) 。该门卫室设计时两侧高层建筑及汽车坡道均已施工完毕。本工程所在地区抗震设防烈度为8度, 设计地震分组为第一组, 建筑场地类别为Ⅱ类。
2 结构方案的确定
由于汽车坡道与门卫室右侧高层建筑之间间距很小, 若采用传统结构形式, 门卫室最右侧一排框架柱及基础施工时需局部拆除已建成的汽车坡道, 进而大幅度增加工期及工程造价。为避免门卫室施工造成现有工程的拆改, 缩短工期及降低工程造价, 门卫室设计时取消最右侧一排框架柱, 采用了大跨度混凝土悬挑结构形式。
混凝土悬挑结构的形式有混凝土悬挑梁、型钢混凝土悬挑梁、混凝土悬挑桁架及预应力混凝土悬挑结构等[1]。本工程在确定悬挑结构形式时主要考虑了以下因素:
1) 本工程中悬挑结构的悬挑长度为8.9m, 悬挑长度大, 混凝土悬挑梁自身刚度小, 在荷载作用下变形大, 无法满足大悬挑要求;
2) 本工程规模小, 选用型钢混凝土悬挑梁或预应力混凝土悬挑结构施工专业化要求高, 并且将大幅度增加工程造价;
3) 混凝土悬挑桁架自身刚度大, 在荷载作用下变形小, 能够实现本工程大悬挑的效果, 且施工专业化要求低;
4) 采用凝土悬挑桁架能够很好地实现本工程的建筑立面效果。
综合考虑上述因素, 本工程采用大跨度混凝土悬挑桁架的结构形式。
3 混凝土悬挑桁架的设计
3.1 重要计算参数的设定
工程设计时, 采用中国建筑科学研究院开发的PMSAP设计软件对混凝土悬挑桁架进行了计算分析。与SATWE相比, PMSAP在分析上具备通用性, 可适用于任意结构形式。在计算分析时需注意以下重要计算参数的设定。
1) 楼板类型:PMSAP中的楼板有刚性楼板、弹性板3、弹性板6、弹性膜等楼板类型, 在刚性楼板假定下PMSAP无法准确计算出与刚性楼板相连的梁单元的轴力, 本工程设计时将桁架上下弦杆周边的楼板定义为弹性膜, 弹性膜采用平面应力膜描述楼板内刚度, 不考虑楼板外抗弯刚度。不将楼板定义为弹性板3及弹性板6的原因主要是由于这两种楼板类型均考虑楼板平面外抗弯刚度, 导致求得的桁架杆件内力及配筋结果比传统刚性楼板假定下的结果小[2]。
2) 加载模式:目前, PMSAP的“施工模拟加载3”被广泛用于模拟施工过程对结构内力及变形的影响, 但在本工程的计算模型中, 桁架下弦杆和上弦杆分别位于上下两个不用的计算层, “施工模拟加载3”结构逐层形成刚度、逐层加载的加载模式与桁架整体受力模式截然不同, 采用“施工模拟加载3”的加载模式对桁架进行分析时, 应将桁架下弦杆和上弦杆所在层的施工次序号设为相同, 否则, 将得出不合理的结果。
3) 刚度退化的影响:桁架上下弦杆及腹杆受力以轴向力 (拉力或压力) 为主, 桁架中的拉杆在拉力作用下可能开裂从而导致杆件刚度退化 (降低) , 在设计中应考虑桁架中的拉杆刚度退化对桁架内力及变形的影响。
3.2 桁架形式的确定及杆件截面优化
本工程中, 桁架自重占其所承担的荷载的比重很大。因此, 确定桁架形式及杆件截面优化的主要目标是桁架自重轻。设计过程中比较了两种桁架形式, 桁架杆件截面相同, 在同一荷载作用下桁架中各杆件所受轴力如图2所示。
通过比较可得, A形式桁架的杆件 (尤其上下弦杆) 所受的轴力小于B形式桁架, 同时, A形式桁架腹杆少, 形式轻巧。因此, 在以自重轻为主要优化目标的前提下, 本工程设计时选用了A形式桁架。根据桁架受力情况对桁架各杆件进行优化, 本工程悬挑桁架最终的截面如图3所示。
3.3 桁架杆件边界条件的影响
理想桁架的各杆件均为两端铰接的二力杆, 杆件只承受轴向力, 而对于现浇混凝土桁架, 杆件端部难以做成铰接节点。设计中对桁架各杆件全刚接连接, 桁架上下弦杆为连续杆, 腹杆与上下弦杆铰接连接以及桁架各杆件全铰接连接3种情况进行了对比分析, 3种连接形式在同一荷载作用下各杆件受力如图4及表1所示。
通过图3及表1对比可得, 弦杆连续, 腹杆与弦杆铰接连接与全刚接连接两种情况各杆件的内力差异在5%以内, 这表明腹杆杆端边界条件对桁架受力的影响基本可以忽略;全铰接模型与全刚接模型部分杆件 (杆件①、⑤、⑥) 内力相差较大, 引起差异的原因是这些杆件受杆端弯矩影响较大, 这表明尽管方案阶段可以按理想桁架来简单计算桁架内力并估算桁架各杆件截面, 但在施工图阶段, 还是有必要按桁架各杆件实际边界条件对杆件进行复核。
3.4 变形分析
上述计算分析均基于弹性模型, 但混凝土在正常使用状态下为带裂缝工作, 混凝土开裂后抗拉刚度退化 (降低) , 这将使钢筋混凝土桁架的挠度增大。本工程设计时将桁架拉杆的抗拉刚度乘以折减系数0.3m考虑混凝土开裂的影响。同时, 设计时对拉杆进行裂缝宽度验算, 严格控制拉杆的裂缝宽度不大于0.20mm。
4 其他
本工程混凝土悬挑桁架悬挑长度较大, 设计时增大了桁架根部框架柱的截面以增大其抗倾覆能力, 同时悬挑桁架向内伸至④轴, 并在④轴 (见图3) 上设置转换桁架 (见图5) 以确保悬挑桁架的荷载可以沿最短路径传递至基础。同时工程整个建筑体型较小, 抗倾覆能力较弱。设计时进行了悬挑桁架施工阶段的抗倾覆验算, 图纸中明确了悬挑桁架支撑的拆除条件。
5 结论
大跨度混凝土悬挑桁架的合理运用能够有效解决特定条件下的工程难题, 缩短工期, 降低工程造价。混凝土桁架设计时应注意设定正确的计算参数。桁架杆件边界条件对桁架内力具有一定影响, 尽管方案阶段可以按理想桁架来简单计算桁架内力并估算桁架杆件截面, 但在施工图阶段还是有必要按桁架各杆件实际边界条件对杆件进行复核, 应考虑混凝土开裂对桁架受力和变形的影响, 注意对悬挑桁架进行施工阶段的抗倾覆验算。
参考文献
[1]赖洪涛, 江毅.谈某工程的混凝土大悬挑结构设计[J].四川建材, 2007, 33 (5) :204-206.
大悬挑桁架 篇5
近年来, 由于建筑技术、建筑材料的发展及复杂建筑的功能要求, 超大跨度悬挑结构覆盖跨度大, 承载力高, 造型优美且富有艺术表现力, 在实际工程中得到广泛应用。大跨度悬挑结构由于其特殊的结构形式往往会产生较大内力, 引起悬挑端极大的竖向位移, 对结构的安全性、适用性、耐久性造成一定的影响。本文以遵义市规划展览馆为研究对象, 对超大跨度悬挑混凝土框桁架杂交结构进行静力分析。遵义市规划展览馆是遵义市重点控制工程之一, 项目主体展馆部分平面尺寸为66 m×77 m, 地上2层, 建筑总高度为18.6 m。展馆主体结构采用下部收进上部大悬挑结构 (见图1, 图2) , 体系的竖向刚度明显不规则, 展览馆主体结构为混凝土框桁架杂交结构, 悬挑部分外墙是由主体部分悬挑出的长度为22 m钢筋混凝土桁架构成, 使得结构体系在静力及地震作用下, 动力响应性能成为结构体系安全控制的关键因素。
2 有限元模型
模型悬挑部分上部屋面及下部楼面板均采用密肋楼板, 中部墙面采用混凝土桁架 (见图3) 。结构楼面板及屋面板均采用弹性板单元, 桁架上下弦杆及竖向腹杆均采用弹性梁单元, 斜腹杆采用杆单元, 上、下弦杆截面尺寸为600 mm×800 mm, 竖向腹杆及斜向腹杆截面尺寸为600 mm×600 mm。所有构件均采用C35级混凝土, 弹性模量3.15E10 N/m2, 泊松比0.21;密度为2 500 kg/m3。楼面荷载恒荷载2.0 k N/m2、活荷载5.0 k N/m2;屋面载荷恒荷载4.0 k N/m2、活荷载2.0 k N/m2, 采用1.2倍恒载+1.4倍活载作为设计值。
3 超大悬挑混凝土框桁架结构悬挑桁架体系优化选型及静力分析
为为研研究究悬悬挑挑部部分分结结构构对对整整体体结结构构静静力力特特性性的的影影响响, , 本本文文通通过过调整悬挑混凝土桁架腹杆方向、悬挑桁架节间距、悬挑部分楼板厚度等参数来对该结构进行静力特性分析, 具体采用如下7个整体结构计算模型, 模型示意图见图4。
模型1:悬挑部分桁架采用6节桁架, 板厚取120 mm, 斜腹杆向外倾斜。
模型2:悬挑部分桁架采用6节桁架, 板厚取120 mm, 斜腹杆向向内内倾倾斜斜。。
模型3:悬挑部分桁架采用6节桁架, 板厚取120 mm, 斜腹杆米字形倾斜。
模型4:悬挑部分桁架采用6节桁架, 板厚取100 mm, 斜腹杆向外倾斜。
模型5:悬挑部分桁架采用6节桁架, 板厚取140 mm, 斜腹杆向外倾斜。
模型6:悬挑部分桁架采用7节桁架, 板厚取120 mm, 斜腹杆向外倾斜。
模型7:悬挑部分桁架采用5节桁架, 板厚取120 mm, 斜腹杆向外倾斜。
根据结构受力特点, 本文选取悬挑结构中悬挑桁架受力最不利的3根弦杆梁 (1号杆、2号杆、3号杆) , 2根斜腹杆 (4号杆、5号杆) 进行内力分析比较 (见图4模型1) 。在设计规范规定的荷载组合工况下, 结构构件静力特性见表1。
注:表中杆件两行数据第一行为ANSYS分析数据, 第二行为MIDAS分析数据
由表1分析可知:悬挑桁架腹杆倾斜方式取为米字形时悬挑桁架最大挠度最小;随板厚增加最大挠度相应减小, 但当板厚达到120 mm时趋于稳定;随节间距增加悬挑部分最大挠度相应增加, 悬挑节数取到6节时幅度变化可以忽略。
结构悬挑桁架内力分布规律, 结构弦杆承受力由上向下由拉力变化为压力, 承受剪力及弯矩自上而下增加, 因此1号杆承受拉力最大, 3号杆承受压力、剪力、弯矩均为最大, 斜腹杆中上层承受压力小于下层腹杆, 4号杆。
上弦杆 (1号杆) 承受内力以轴向拉力为主, 剪力及弯矩相对较小。上弦杆在腹杆倾斜方向呈米字形承受拉力最小;且内力随板厚增加, 上弦杆承受拉力不断减小, 但减小幅度较小;悬挑节数少于6节时1号杆内力明显增加。
下部弦杆 (3号杆) 承受内力轴向压力、弯矩及剪力在弦杆中最大, 3号杆轴向压力、弯矩及剪力均在斜腹杆呈米字形时最小且明显优于其他两种模型;随着板厚增加, 3号杆内力相应增加, 但幅度较小, 可以忽略;随节间距增大, 3号杆轴向压力相应增加, 而剪力及弯矩相应减小。
斜腹杆 (4号杆) 随板厚增加, 其所承受轴力相应增加, 当悬挑桁架节数取为6节时结构承受轴向压力最小。
综上所述, 结构悬挑桁架腹杆倾斜方式取为米字形, 板厚取为120 mm, 节数取为6节时结构静力特性最优。
4 结语
以遵义市规划展览馆工程为背景, 对结构悬挑桁架进行了优化选型, 并对结构的静力以及动力特性进行了分析, 得出以下结论:1) 在静力作用下, 力学模型计算悬挑桁架单元的最大挠度变形及承受内力均满足规范要求, 可见悬挑22 m长的混凝土桁架结构在理论上应该是没有问题的。2) 进行优化选型, 对比各模型结构悬挑部分最大挠度、悬挑部分桁架的最大拉应力及最大压应力等指标, 从而得出结构悬挑桁架部分桁架腹杆采用米字形布置、悬挑部分板厚采用120 mm及悬挑部分桁架采用6节时, 结构不仅满足安全承载力要求, 还能很好控制结构最大竖向位移。3) 悬挑混凝土桁架中除了腹杆倾斜方向对结构静力特性影响显著外, 其他两种因素悬挑部分板厚、悬挑桁架节间距对结构静力特性影响均较小。
摘要：对主体结构进行了静力分析, 并对基于变形性能及受力性能的优化选型进行了探讨, 研究了桁架的腹杆布置形式、悬挑部分板厚及桁架节间距对超大悬挑混凝土框桁架结构体系静力特性的影响, 分析表明, 按选定性能目标优化得到的结构体系经济合理, 实现了超大跨度悬挑混凝土框桁架杂交结构在静力性能安全的设计目标。
关键词：结构体系,优化选型,静力特性
参考文献
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大悬挑桁架 篇6
随着社会的不断进步, 我国经济与科技水平也日益提高。为城市发展与生产生活的需要, 一些大型公共设施的建设难度也逐步提高。汕头大学新体育馆由江苏中南建筑产业集团总承包施工, 在施工过程中针对体育馆跨度大、外观设计复杂等特点进行技术攻关, 形成了一套施工控制的关键因素。
1 工程概况
汕头大学新体育馆建设项目建筑面积52127.4 m2。建设内容包括:多功能室内体育馆及配套多功能厅, 场馆观众座位6 269个;室内游泳馆配标准泳池1个, 观众座位432个;接待中心配置170多间客房, 以及会议、餐厅等设施;室内停车库配置205个车位, 露天停车场约136个车位。体育馆外观新颖, 内涵丰富, 是一个能让人与景观互动的体育休闲活动空间。
2 结构特点
体育馆罩棚由84榀主桁架和主桁架之间环向桁架、联系杆组成, 管桁架最大悬挑长度42 m, 最小悬挑长度34 m, 罩棚最高点离地面45.6 m。主材均采用Q345B无缝钢管, 截面为Φ108×4~Φ402×30, 共20种规格, 管构件17 608根。支座和重要管构件交汇交点采用SCW550材质铸钢件, 钢结构总用钢量约7 000 t。
3 工艺原理
(1) 管桁架结构的弯曲加工, 相贯线坡口切割, 防腐底漆和中间漆全部在工厂加工, 运输至现场拼装和焊接。
(2) 为了方便人员操作施工, 在主桁架垂直段搭设脚手架用于斜撑钢管和主桁架垂直段构件安装, 主桁架水平段在地面绑搭施工通道平台后再进行吊装。
(3) 根据现场情况和管桁架结构的特点, 在每榀主桁架主弦杆和腹杆的节点处设置中南集团公司专利产品-大跨度/悬挑钢结构工程支撑支架 (专利号:ZL201220050471.X, 简称临时组合支撑胎架) (图1) 。
(4) 结构的安装和焊接分为四个区域, 各区域全部安装、焊接完毕后进行卸载作业, 最后进行四个合拢口杆件的安装和焊接。
4 施工工艺流程及操作要点
4.1 施工工艺流程
杆件清点和复核→施工准备→地面放线→拼装平台定位、固定→主桁架结构整榀拼装、焊接和面漆施工→主桁架结构垂直段和水平段拆分→临时组合支撑胎架定位、安装和固定→主桁架垂直段安装区域脚手架的搭设→斜撑钢管柱的安装、定位和校正→主桁架结构垂直段安装、定位、固定和焊接→主桁架结构水平段操作脚手架地面绑搭→主桁架结构水平段安装、定位、固定和焊接→环向桁架、联系杆件安装、定位、固定和焊接→分区分级卸载作业→合拢口构件的安装和焊接→脚手架、临时组合支撑胎架拆除。
4.2 操作要点
4.2.1 构件清点复核
(1) 拼装前应对构件进行清点, 清点的内容为杆件数量是否正确、原材料质保书、检测报告、复检报告、加工过程控制资料、构件探伤报告、构件出厂合格证书、制作过程中用到的各种辅料的合格证和质量证明书, 以及工厂的各种构件制作和焊接质量检验评定表等。
(2) 复核的内容包括构件外形、几何尺寸, 焊接外观质量、工艺要求、坡口、支座预埋件定位尺寸、埋件轴线和标高、平整度, 确保满足安装要求。
4.2.2 施工准备
(1) 拼装前, 施工所需场地完成硬化, 脚手架、拼装平台、临时组合支撑胎架等所使用的材料、机械设备、工具器具准备齐全。
(2) 吊装机械拼装和吊装行走道路满足要求。
4.2.3 地面放线, 拼装平台定位、固定
(1) 建立三维空间坐标系, 对主桁架空间节点坐标进行转换, 用全站仪测定主弦杆及管桁架节点处在地面上的水平投影位置, 桁架节点交点处弹十字线, 主桁架弦杆中心线弹墨线, 做好原始控制点和控制线的标示。
(2) 在主桁架节点相交处侧面附近1 m处定位、固定拼装平台梁, 拼装平台梁设置位置应避开桁架节点位置, 满足焊工的施焊空间。拼装平台梁间距3.5 m左右, 下部与预埋件焊接固定。
(3) 拼装平台梁应牢固稳定, 拼装平台梁之间焊接通长钢筋, 把平台梁连接成一个整体, 在平台梁下部采用焊接角钢支撑等措施保证拼装平台的整体稳定性。
(4) 拼装平台梁全部设置完成后, 用水准仪测量其整体水平度, 使用钢垫板或者楔形垫板对主桁架拼装的平面度进行调整。
4.2.4 主桁架结构的整榀拼装和焊接
(1) 主桁架在拼装平台上进行拼装和焊接, 主桁架垂直段和水平段连接节点处设置拆分节点 (图2) , 拼装和焊接完成后拆分成水平段和垂直段。
(2) 先定位拼装主弦杆, 再定位拼装桁架腹杆。腹杆应按顺序从桁架宽度较窄的一端向桁架宽度较宽的另一端开始安装, 避免相贯口的阻碍无法安装。
(3) 安装过程中随时进行测量, 防止安装过程中拼装平台受外力作用发生位移, 从而影响拼装精度。
(4) 先拼装后焊接, 拼装过程中先点焊固定, 整体拼装完成后对尺寸进行复核和调整, 无误后再进行焊接。
4.2.5 临时组合支撑胎架定位、安装和固定 (图3)
(1) 整榀主桁架单重及外形尺寸较大, 吊装时容易造成结构构件塑性变形, 同时满足选用吊装设备经济性的要求, 采用分段吊装, 需要在主桁架水平段结构下口设置临时组合支撑胎架。
(2) 临时组合胎架现场组装, 采用镀锌螺栓连接, 安装完成后测量临时组合支撑胎架的垂直度及上口标高, 并在临时组合支撑胎架的每个角间隔8 m设一层钢丝绳+紧线器校正收紧, 钢丝绳与地面设置地锚连接。
(3) 通过临时组合支撑胎架基础钢支架, 在一定范围内对标高进行调整。临时组合支撑胎架顶部设置可调式桁架搁置支撑点, 对标高尺寸进行微调。
(4) 临时组合支撑胎架内部设钢爬梯, 方便施工人员上下通行。
4.2.6 主桁架垂直段安装区域脚手架的搭设
(1) 主桁架垂直段安装区域脚手架的搭设主要用于斜撑钢管柱安装定位、主桁架垂直段构件安装以及此区域环向桁架, 联系杆件的安装操作。
(2) 脚手架分两步搭设:第一步, 搭设斜撑钢管区域的脚手架, 用于斜撑钢柱和主桁架垂直段的安装;第二步, 主桁架垂直段构件之间的环向桁架、联系杆安装时, 脚手架同步搭设, 确保施工和安全。
(3) 脚手架立杆间距1.5 m, 步距1.8 m, 脚手架的连墙件、剪刀撑、安全网按照要求设置。
(4) 脚手架的搭设应避开斜撑钢管柱和主桁架结构位置, 搭设时可以预留与结构碰撞的脚手架杆件, 安装就位后及时进行补搭 (图4) 。
4.2.7 斜撑钢管柱的安装、定位和校正
(1) 斜撑钢管用汽车吊进行安装, 吊索选用摩擦力较好的吊装带, 吊装前对吊装带进行检查, 对于破损和不能满足吊重要求的吊装带立即更换。
(2) 吊装时应把吊装带系在斜撑钢管偏中心位置, 并进行试吊, 保证钢管起吊后的空中姿态与安装就位后空间位置相符。
(3) 先就位斜撑钢管下口, 插入铸钢件企口内。过程中如遇脚手管碰撞的应请专业架子工进行拆除和加固。
(4) 斜撑下口就位后, 缓慢松钩, 斜撑钢管上口初步就位后再进行校正。采用捯链进行校正, 捯链的一端连接斜撑钢管柱, 另一端与混凝土结构上的后置埋件连接。
(5) 斜撑钢管上口吊线锤, 线锤与地面交点尺寸基本吻合时校正完成, 用钢管脚手架对斜撑钢管进行固定, 斜撑钢管与架体连成牢固。
4.2.8 主桁架结构垂直段安装、定位和固定
(1) 主桁架垂直段吊装前应计算吊点位置, 保证吊点位置与桁架重心基本相符。
(2) 对于有两个铸件支撑点的主桁架垂直段采用两点起吊, 吊绳一根为钢丝绳, 另一根为捯链, 起吊后通过捯链对桁架的空间位置进行调节。设置倒链的一侧在桁架上挂设钢梯, 当桁架的空间位置需要调整时, 操作人员通过钢梯, 拉捯链对桁架空间位置进行调整。
(3) 对于只有一个铸件支撑点的主桁架垂直段部分, 由于重心点偏向外侧, 可采用单点起吊, 安装时先把主桁架下口与支座埋件销轴固定, 通过吊装设备大臂调节, 把主桁架垂直段上铸件企口插入斜撑钢管柱内, 校正后焊接固定 (图5) 。
(4) 采用倒链+钢丝绳对主桁架垂直段进行校正, 捯链一端连接主桁架, 另一端连接在混凝土结构上。
(5) 垂直段桁架的上口和支座处的上弦杆应挂线锤, 吊线尺寸与地面放好的轴线重合后, 请测量人员进行观测确定, 无误后焊接固定。
4.2.9 主桁架结构水平段操作脚手架地面绑搭
(1) 为了方便环向桁架、联系杆件的安装和焊接, 每榀主桁架结构水平段构件吊装前在地面搭设脚手架通道平台。
(2) 主桁架水平段构件拼装、焊接完毕后吊运至搭设脚手架专用的钢支架上进行脚手架的绑搭。通道平台的搭设避开临时组合支撑胎架位置。
(3) 吊装行走操作脚手架采用钢管、扣件紧固在主桁架水平段上、下主弦杆上, 搭设上、下弦通道平台 (图6) 。
(4) 通道平台离主弦杆底0.8 m, 宽度每边1 m, 设1.2 m高防护栏杆, 满铺脚手板, 间隔30 cm设置一道30×50木防滑条, 脚手板与钢管使用4#铁丝绑扎。
4.2.1 0 主桁架结构水平段安装、定位和固定 (图7)
(1) 主桁架水平段采用两点起吊, 吊装前应计算桁架吊点。吊点一段采用钢丝绳, 另一端使用倒链, 倒链链条长度应满足要求。
(2) 吊装前在桁架上系两根揽风绳, 吊装时, 地面人员通过拉缆风绳控制桁架空间位置。
(3) 主桁架水平段安装就位时, 如发现空间角度偏差, 安装人员站在桁架上弦的脚手架跳板上, 通过捯链对桁架空间位置进行调整。桁架就位后, 采用螺栓连接固定牢固后方可松钩。
(4) 全站仪对安装尺寸进行全过程测量, 对安装完成和松钩后的尺寸偏差进行观测, 及时进行调整和校正。
(5) 一榀主桁架吊装完成后, 及时安装与之相邻的一榀主桁架间的环向桁架, 联系杆件, 形成稳定的结构体系。
4.2.1 1 环向桁架、联系杆件安装、定位和固定
(1) 环向桁架、联系杆件安装前, 对主桁架的定位轴线、标高进行复测, 每榀主桁架单独进行定位复测, 保证主桁架空间尺寸准确性。
(2) 主桁架按顺序逐榀安装, 主桁架之间的环向桁架、联系杆件及时随后安装, 确保形成一个稳定的结构体系, 保证桁架整体稳定性 (图8) 。
(3) 环向桁架、联系杆件吊装前用卷尺量出次杆件的中心点, 并做好标记, 吊索选用吊装带, 绑扎时注意杆件的坡口方向是否与构件安装空间位置相符。
(4) 主桁架水平段之间的环向桁架、联系杆件吊装时, 从场外往场内, 由宽向窄缓缓往内侧挪动, 直至与主桁架弦杆上标注的“交点”重合。
(5) 安装时先点焊固定, 一个区安装全部完成后再进行焊接。焊接方法采用分区焊接, 充分释放安装焊接应力。焊接分4个区, 从每个区的中间往两侧开始焊接。合拢口的环向桁架、联系杆件待卸载后再进行焊接。
4.2.1 2 钢结构卸载作业
(1) 为了保证卸载时相邻临时组合支撑胎架的受力不会产生过大的变化, 同时保证结构体系的杆件内力不超出规定的容许应力, 避免临时组合支撑胎架内力或结构体系的杆件内力过大而出现破坏现象, 保证结构体系可靠、稳步形成, 卸载必须遵循以下原则: (1) 以结构计算分析为依据; (2) 以结构安全为宗旨; (3) 以变形协调为核心; (4) 以实时监控为手段。
(2) 经采用ANSYS软件建模分析, 将结构划分为四个区, 其中一区和二区为长轴区域, 三区和四区为短轴区域。采用软件分析该区域卸载前和卸载后各支撑点的位移来确定每级需卸载的位移。
(3) 各区域的分级情况如下:第一步将一区20榀桁架的下部支撑分10次同步等距卸载后拆除;第二步将二区20榀桁架的下部支撑分12次同步等距卸载后拆除;第三步将三区22榀桁架的下部支撑分16次同步等距卸载后拆除。注意在三区第一级卸载时, 两端部支撑需卸载10 mm, 其他支撑卸载5 mm, 第二级以后, 该区域内的所有支撑每级同步卸载5 mm;第四步将四区22榀桁架的下部支撑分14次同步等距卸载后拆除。每级卸载的位移为5 mm, 具体分级如表1所示。
(4) 卸载方法、卸载顺序、卸载分区分级、卸载过程应力变形监测等应进行卸载计算并编制卸载方案, 严格按照卸载方案实施。
(5) 卸载前, 对各工序的卸载人员进行必要的岗位培训和卸载演练, 并对其进行书面技术、质量、安全交底。
(6) 卸载信息传递应及时准确, 并有备用信息传递系统。
单位:mm
(7) 卸载由专人指挥作业, 保证卸载的同步, 一次哨令, 只进行一次行程的卸载, 应力变形检测数据收集汇总分析, 满足要求后方可进行下一级卸载作业。
5 结论
汕头大学体育馆工程上部悬挑管桁架结构施工技术难度大。本文基于实践经验及实际工况, 深入研究大跨度异形悬挑管桁架安装技术, 解决大型构件运输、拼装和安装等施工难题, 避免了采用搭设满堂脚手架的传统施工工艺, 减少高空作业的资源投入。其流程层次分明、科学合理, 操作要点清楚, 可操作性强, 便于掌握、易于推广。为今后类似工程施工积累了宝贵的经验, 取得了社会效益与经济效益的双赢。
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