注册 登录  
 加关注
   显示下一条  |  关闭
温馨提示!由于新浪微博认证机制调整,您的新浪微博帐号绑定已过期,请重新绑定!立即重新绑定新浪微博》  |  关闭

伊建康 伊莉莉 伊晨熙

如何度过业余时间决定一个人的未来

 
 
 

日志

 
 

大跨度钢管桁架屋盖设计和施工技术  

2010-12-29 23:21:41|  分类: 钢结构 |  标签: |举报 |字号 订阅

  下载LOFTER 我的照片书  |

1  概况

 
越南国家体育场项目钢结构屋盖系统是2个平面呈扇形、采用高强度大直径薄壁钢管主桁架和副桁架及钢方管檩条与独立桅杆拉索相结合的组合式空间钢屋架结构。主桁架截面为菱形,净跨度155.6m,两端以焊接的方式固结在灯柱的鼓型支座上。
垂直于主桁架的是由大直径薄壁钢管焊接而成径向Γ式副桁架,副桁架之间设置矩形钢管檩条,构成铝塑复合屋面板支撑体系。在屋盖靠近灯柱的两端悬挑部位,采用6对高强度钢索进行张拉,以调整悬挑部位以及灯柱的变形。钢结构总重量约为3000t,全部由中国加工运输到越南现场拼装。
 
2  难点


1)越南的风压比较大,对屋面结构来说风压作用下荷载的取定影响到整个结构的设计,需要通过实验确定;大跨度管桁架结构相贯节点的设计,有些类型的节点没有现成的成功资料,也需要通过实验证实。
2)在看台上方30m处安装大跨度桁架及整个钢屋盖。
3)大跨度空间结构的测量定位。
4)所有节点连接均为相贯焊接节点,需要消除焊接应力。
5)钢结构受力后的变形控制。


3  钢结构设计


3.1 设计规范和标准


根据钢结构设计规范GBJ 17-88、国际钢管协会CIDECT设计手册。

 
3.2 主要结构材料


大直径薄壁钢管、Q345B型钢材(屈服强度345N/mm2);
钢拉索(5mm镀锌钢丝)(屈服强度1410N/mm2)


3.3  计算荷载及风荷载确定


3.3.1 计算荷载


1)钢结构自重静荷载A。             5)向上风荷载E。
2)屋面板自重静荷载B。             6)向左风荷载(径向、向场外)F。
3)屋面活荷载C。           7)向右风荷载(径向、向场内)G。
4)向下风荷载D。           8)水平风荷载(环向)H。


3.3.2 风荷载确定


1)风洞试验   

由于体育场位于市郊空旷地带,所占地面积约100000m2,外形为椭圆形,东西看台上方为2个大跨度的半敞开式屋盖,屋盖外形为平面状,在靠近运动场外侧向下卷起呈双曲面与外侧支撑钢柱相连。每个屋盖的投影面积约为17000m2,并以运动场主轴对称布置。这种建筑形式特别是东西看台高、南北看台低的总体体型以及东西看台上方2个大跨度的半敞开式屋盖对于计算用风荷载的确定增加了难度,风很容易从运动场的长轴方向进入运动场内,并有可能在半敞开的看台和屋盖之间形成旋风,造成场内风向和风力的变化。从理论上来讲,这种可能发生的长内风向和风力的变化很难通过计算或套用规范来预知。因此我们专门用中国船舶科学研究中心低速风洞试验室(CSSRC)为该体育场作有关建筑形体的风洞试验,确定作用于屋盖的风压分布(包括平均分压值和风压波动)。试验所用的模型比例为1:150,严格按照工程实体进行制作,其中看台、主体结构部分采用PVC塑料材料,而屋盖部分则采用了树脂材料,屋架及各支撑柱采用铜条以保证整个屋面系统的外形与实际情况完全一致。特别是屋面采用双层结构,双层之间间隙为3mm,有利于在内外两侧布置风压探头以测量内外压力差,此外,双层屋面结构在边缘完全封闭以防止风进入到间隙中去。试验模型被固定于风洞试验段中一块可旋转的台面上,可以通过转动台面的角度来调整模型与风向的夹角。试验中风速定为66.7mm高处的20m/s,每阵风的持续时间为8192ms,两阵风之间的间隔为1ms,相当于实体10m高处的风速为40m/s,每阵风之间持续时间为10.2min,两阵风之间间隔75ms,风压为30年一遇。试验中模型与风向的夹角从0°至180°,每个夹角间隔15°,共13个风向。

2)试验结论 

 CSSRC所进行的低速风洞试验测试了不同风力条件下作用在屋盖系统上的风压,特别是得到了不同时间和不同区域的净压力差分布情况,并对工程实体所承受的实际风压进行了预测。

 
3.3.3 荷载组合


荷载组合考虑了各种荷载在最不利组合的情况下对结构的影响,对于结构变形的计算则采用除风荷载以外的静载和活载的标准值进行。计算用荷载组合共为7种,具体如下。

1)该荷载组合考虑了除风载以外的常规荷载,所采用的荷载组合系数较大,为结构自重放大情况,目的在于考察结构的抗震能力;
2)考虑了所有作用方向向下的荷载,为向下荷载可能的最大和最不利的情况。
3)考虑向下的静载和向上的风荷载,为可能产生的向上荷载(如果向上的风载足够大)最大和最不利的情况。
4)考虑在向上风荷载和向左风荷载作用下,使结构向场外翻转的最不利情况。
5)考虑在结构静载、向下风荷载和向右风荷载作用下,使结构向场内翻转的最不利情况。
6)考虑除风荷载以外的静载和活载的标准值,计算各构件的变形情况。
7)考虑环向水平风荷载,考察结构抵抗水平方向荷载的能力。


3.4 节点设计与试验


3.4`.1 节点设计


1)节点焊接采用钢管相贯节点连接,焊缝为E50xx 型,全熔透施工。
2)采用T、Y、K钢管相贯节点验算公式进行验算,具体参考公式如下:

3.4.2  钢管节点试验


    圆钢管杆件具有截面各向等强、无弱轴、抗扭刚度大、密闭防锈性能好等一系列优点,但由于相贯节点杆件和节点设计的独立性小,决定杆件承载性能的材料和几何的要素也同时决定了节点的性能。此外由于相贯节点形式复杂,现在的理论方法和数据分析手段尚难精确地计算不同形式节点的极限承载力,由纯分析方法估计节点承载力受到限制,相贯节点极限承载力计算公式的建立在很大程度上须依靠试验数据的回归。为此我们请同济大学钢结构教研室和上海建筑设计院以实际工程为试验背景,结合理论分析对鼓型、X型、K型相贯节点的性能进行试验探讨,为本工程的实际应用提供试验依据。


1)鼓型节点试验 

 鼓型节点是本工程钢结构屋架最重要的受力节点之一,为立柱与主桁架连接节点,主桁架及其所承受的全部荷载通过该节点传递给灯柱。该节点构造如鼓状,内设加劲肋板。对鼓型节点的试验主要是为了考察其极限承载能力、了解其本身的薄弱环节,并对加劲肋对节点的强化作用进行评估。试件由Q235钢材制成,设计缩尺比定为1:3,试件轴线尺寸严格符合设计缩尺比。试验设计时尽量保证同工程实际情况相一致,避免产生除节点强度破坏以外的其它破坏模式的产生。试件加载采用分级加载,在试件将进入破坏阶段时采用连续加载。试验结果表明,鼓型节点的破坏荷载对应的应力为设计荷载对应力的3.5倍左右,所以该节点在设计荷载下是安全可靠的,而鼓型节点内所设置的加劲肋对于提高鼓型节点的承载力、限制节点变形、延缓节点的塑性开展有明显的作用。


2)X型节点试验  

圆管与矩形管相交节点,且主管为圆管、支管为矩形管的组合是本工程副桁架和檩条之间的连接形式之一,在其它建筑结构中的应用实例较少,也缺少试验资料。对该节点形式的试验是为了了解此种节点的极限承载力,以及它们的破坏特性。试件由Q345钢材制成,截面与工程设计尺寸比例为1:1,两个试件完全相同,加载时每级荷载略有不同。加载制度同鼓型节点试验。试验结果表明,X型节点进入塑性变形时的弯矩为设计弯矩的4倍左右,最终加载时的位移为发生塑性变形时位移的3倍左右,所以该节点在设计荷载作用下是安全可靠的。


3)K型节点试验 

 K型节点主管为圆钢管,支管为矩形钢管,是本工程副桁架和檩条之间的连接形式之一,该种节点形式在其它工程运用较少。对该节点形式的试验是为了了解这种K型节点形式的节点特性和承载力。试件由Q345钢材制成,截面与工程设计尺寸比例为1:1,两个试件略有不同,主要为矩形支管与主管连接的界面方向不同。加载制度同鼓型节点试验。试验结果表明,两个K型节点最终破坏时的荷载为监测到进入塑性时荷载的1.2倍,且受压支管——主管有较大的相对变形,说明该类型节点有一定的塑性发展能力。


3.4.3  试验结论


通过分析试验数据比较有限元理论计算结果,可以确定工程实际节点在设计荷载作用下是安全可靠的,通过有限元方法对3种不同类型节点的理论分析与实际节点受力情况符合较好。


3.5  钢索


本钢结构屋盖采用12根高强度钢缆索,通过预应力张拉减少整个屋架系统和边缘悬挑部位的绕度。由于钢缆索采用非同步的方式进行张拉,所以12根高强度钢缆索在各自逐步张拉到设计张拉应力的过程中,对钢屋架系统个各关键点的位移以及各钢缆索的内力有较大的影响,因此对预应力钢结构施工阶段的工况分析十分重要,特别是各钢索在各阶段的张拉顺序和张拉程度是该项工作的重要技术问题。因此采用SAP2000软件对施工阶段的多种工况进行了分析,确定了最终的方案。


3.5.1  工况分析


为了控制钢结构屋架整体的变形,待钢结构屋架构件全部安装完成后才对钢索进行张拉施工根据结构变形的要求,灯柱顶部位移必须控制在1/300以内,钢结构卸载前索的预张拉力(对于一个柱顶):1号索15t,2号索60t,3、4、5、6号索8t,具体缆索编号如图示。
 
施工阶段工况分析,考虑先张拉1、2号索,通过计算分析,张拉力分别为19.2t和58.7t,各关键点的位移控制在允许范围之内。其次张拉4、5号索,计算张拉力应为12.9T和9.1T,张拉完毕后1、2号索的索力分别变化为14.8t和59.4t,各关键点的位移控制在允许范围之内。最后张拉3、6号索,计算张拉力应为8.4t和9.9t,张拉完毕后1、2、4、5号索的索力分别为14.2t、59.2t、10.7t、80t,各关键点的位移控制在允许范围之内。此时已完成一个柱头的张拉,继续张拉对应的另一柱头缆索,采用相同方法计算分析相对应的另一柱头缆索的张拉力,并计算每次张拉后,已张拉完毕的各索索力,确保各关键点的位移控制在允许范围之内。待全部张拉完毕后全部缆索的索力能够比较好地符合设计所要求的索力值,并且各关键点的位移控制在允许范围之内。


3.5.2  结论


通过分析,得到了各根钢索张拉时的张拉力,并且得出以下结论:
1)索的张拉工作必须在屋架整体拼装完成后进行,否则后续安装的屋架构件对先行安装的缆索索力影响很大。
2)张拉时必须成对同时张拉,以尽量减少索力变化对柱顶位移的影响。
3)可以单独完成一个柱头所有缆索的张拉,因为单独完成一个柱头的张拉对相应的另一个柱头的影响很小。


4  钢结构加工制作


4.1 加工制作工艺方案


4.1.1 钢结构制作思路


    由于钢结构件需通过火车或水运输到越南河内,为此钢结构件截面必须控制在2.50m×2.50m、长度12m以内。这样的构建首先在工厂内切割,并尽可能在工厂内焊接成能够运输的单元件,编号并涂装,然后捆包出厂,运输到安装现场,并在现场或附近将构件拼装成吊装单元。


4.1.2  主桁架的制作工艺及流程


    主桁架属于空间管桁结构,截面为正三角形,典型桁架上、下弦: ф1016×19.1长度超过156m, 上下弦主管均由两段园弧相连而成。根据吊装方案、钢管扎制长度、上弦钢管规格变化以及桁架的受力情况等,将桁架沿长度方向每9→12作为一个分段。
    考虑到构件形状尺寸大、单位体积重量较轻、长距离无法运输,拟采用在工厂下料后运输到现场进行拼装。为加快施工工期,现场采用整体拼装定位、分段焊接的方法。这样可省去预拼装工序,提高生产效率。
1)切割设备  相贯杆件的切割采用日本进口的HID—600EH五维数控管线切割机。它能根据事先编制的放样程序在电脑控制下自动切割,并且能同时一次性坡口开设。为确保切割质量和精度,采用等离子切割。
2)杆件切割长度的确定  通过试验事先确定各种规格杆件预留的焊接收缩量,在计算杆件钢管的断料长度时计入预留的焊接收缩量和钢管端面机械切削坡口的加工余量。
3)切割相贯线管口的检验  先通过计算机把相贯线的展开图在透明的塑料薄膜上按1:1绘制成检验用型板,标上管件编号。检验时将型板根据“天,地、左、右”线标志紧贴在相贯线管口,据以检验吻合程度。
4)管件切割精度  采用等离子切割能使偏差控制在±1mm,以较高的切割精度来保证桁架的制造质量和尺寸精度。
5)切割件的管理  加工后的管件放入专用的贮存架上以保护管件的加工面,同时均写上编号,保证现场的顺利拼接。

 
4.2  涂装

4.2.1  表面处理


表面处理前对构件表面进行整修,将金属表面铁锈、氧化皮、焊渣、灰尘、水份等清除干净。处理方:采用自动抛丸机喷射钢丸除锈,钢丸表面要求清洁干净,喷射用的压缩空气必须通过过滤,除去油、水。
构件表面除锈等级:室内外分别以符合GB8923-88《涂装前钢材表面锈蚀等级  和除锈等级》中规定的Sa1/2级。除锈后,表面粗糙度数值达到40~70μm,用表面粗糙度专用检测量具或比较样块检测。

 
4.2.2  表面涂装


金属表面喷丸除锈经检查合格后立即喷涂车间底漆(在湿度低于86%以下时要求在4h内进行涂装)。各层涂料涂装间隔时间按涂料生产厂的规定进行。
不允许出现返锈后不加任何处理而进行涂装作业;使用涂装的涂料遵守图纸规定,涂装层数、每层厚度、逐层涂装间隔时间、涂料配制方法和涂装注意事项,均按设计文件或涂料生产厂家的说明书规定执行;在焊缝各处50mm范围内涂装一遍20~30μ漆,以免坡口生锈。焊接后对焊缝区进行2次除锈,用人工涂刷或小型高压喷漆机涂装涂料, 达到规定膜厚度;构件出厂前底漆和封闭漆涂装完毕。安装焊缝两侧50~100mm在安装后进行,运输和安装过程中碰损部位也在安装后进行修补,所有的面漆均在安装结束后进行。

 
5  钢结构安装


5.1 主桁架的拼装


本屋盖大跨度主桁架对称布置在东、西看台上方,净跨155.6m,跨中截面为12m×6m,每榀重400t。主桁架的拼装可以采用地面拼装整体提升的方法,但由于时间紧提升法还会影响砼结构的施工进度,因此选用比较可靠的高空原位拼装法。吊装选用行走式M440D塔机布置在场外。

5.1.1  临时支撑平台


原位拼装需要一个支撑平台和支架,采用预制砼柱和梁、钢结构平台和钢胎架构成完整的平台和支撑体系。


5.1.2  拼装关键技术


1)杆件的拼接:由于运输过程对杆件的长度有所限制,因此现场杆件数量和规格众多,为确保正确,在工厂进行试拼装并做好编号和方向标记。构件进场后进行分类整理按顺序编排便于使用。
2)由于上、中弦杆均为弧型,而且在布置上都呈不稳定体系状态,在拼装时应结合胎架增设临时支撑,避免杆件的倾覆。
3)对接钢管的定位:在现场拼装时要求精确控制各种尺寸,包括节点之间的距离、形心的空间位置、坡口间隙等,采用钢管接头部位焊接定位耳板,通过连接扳用螺栓连接定位。


5.2  灯柱和单层网壳的拼装


本屋盖结构有灯柱4根高54m,分两段安装,选用150 t履带起重机在场外道路上安装;单层钢网壳由经向钢管及纬向方管组成,选用M440D塔机组合安装,M440D塔机布置在场外道路上。


5.3  测量


选用Topcon电子全站仪和J2光学经纬仪、SD3水准仪,配合钢尺、角尺等采用极坐标法进行放样。 
对于主桁架HJ,根据图纸计算出位置的相关数据,在拼装平台上测放出杆件的形心投影,然后根据钢管直径,以投影为轴线测出钢管边线,便于拼装。对于副桁架GJ,以设计图纸中的O点为原点,根据平面图中各轴线与X轴的相对位置关系,在各轴线与X轴的交点上布置临时控制点,以这些点为极坐标的原点,再由图纸计算出各轴线与X轴的夹角,以位于X轴正方向上与O点距离L=50m的某控制点为后视,这样即可测放出各轴线。


5.4  焊接的关键技术


1)所有构件按照设备的起重能力尽量在地面拼装焊接,减少高空焊接以确保质量,同时分次焊接能减少焊接产生的应力。
2)由于钢管壁较厚须多层多道焊,焊接时严格控制层间温度并在清理干净前道焊缝后才能施焊下道焊缝,多层焊时各层的接头应错开。
3)钢管之间的对接焊缝,要求在钢管内部加衬管以保证焊缝熔透。
4)严格控制焊接顺序,安排合理的焊接顺序可以减小焊后变形、避免过大的应力集中。对于桁架弦杆的焊接,根据拼接顺序从中间向两边焊接,对于桁架的腹杆采取交错焊接法。


5.5  钢结构变形的控制


由于本屋盖结构大跨度主桁架采用原位拼装,钢结构全部安装完毕后须进行卸载使结构自行受力,卸载后结构各部分会发生变形。设计中除钢结构本身刚度控制以外,每个屋盖还采用12根高强度钢缆索,通过预应力张拉减少整个屋架系统和边缘悬挑部位的挠度。


5.5.1  卸载技术


为确保钢结构逐渐受力,在整个钢结构完成、拉索张拉以后进行主桁架同步卸载。卸载的关键是结构安全受力,同时临时钢平台无局部超载,确保其安全。根据主桁架主要控制点卸载前后的位移值计算结果,将卸载过程定为位移控制,并遵守“多级进行,自中间向两侧”的原则,最后确定主桁架上中下弦杆各支承点卸载分三阶段15轮进行。卸载采用支承点逐渐割除法,即用千斤顶轮流将支承点顶空,用气割将支承小立柱按位移控制值逐步割除,直至弦杆全部脱离临时支撑钢架。


5.5.2  位移监测


位移监测主要分钢缆索张拉过程和卸载过程二个部分。钢缆索张拉过程需要在每次张拉后对索节点位移进行观测,设计依据该数据通过即时计算机验算确定下次张拉的力以确保结构平衡,该观测采用全站仪进行定点观测。
卸载过程中需要对灯塔柱顶的位移和主桁架下弦杆各节点的位移进行观测。灯柱顶部的位移监测采用2台经纬仪进行双向测量,按卸载三阶段进行测量记录。主桁架下弦杆各节点的位移采用挂线锤测标高方法共17点。由于主桁架下弦各节点位移监测的参照点是临时钢平台,因此同时做好临时钢平台的监测,监测内容包括钢平台及角上4根砼柱顶部的位移共12点。

6  效果


通过选用合理的钢结构拼装方案和有效的监测手段,本屋盖钢结构在规定的时间内顺利完成安装和卸载工作,钢结构各主要部位的位移完全满足设计对变形的要求,取得良好的经济效益和社会效益。

  评论这张
 
阅读(523)| 评论(0)
推荐 转载

历史上的今天

评论

<#--最新日志,群博日志--> <#--推荐日志--> <#--引用记录--> <#--博主推荐--> <#--随机阅读--> <#--首页推荐--> <#--历史上的今天--> <#--被推荐日志--> <#--上一篇,下一篇--> <#-- 热度 --> <#-- 网易新闻广告 --> <#--右边模块结构--> <#--评论模块结构--> <#--引用模块结构--> <#--博主发起的投票-->
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

页脚

网易公司版权所有 ©1997-2017