大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)合攏研究

5 第二章空間鋼結(jié)構(gòu)施工組織技術(shù) 3.4鋼結(jié)構(gòu)的基本施工順序 空間鋼結(jié)構(gòu)合攏技術(shù)研究專業(yè)：建筑工程學(xué)生：岳洪濱指導(dǎo)教師：胡白香教授關(guān)鍵詞：大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)合攏合攏溫度合攏線溫度變形溫度應(yīng)caughttheeyeofexpertsallovertheworldtobecomeafocusofstudy;allkindsoftheoriesofcomputationandcomputationalmethodscomeforthoneaftertheother.Manyexpertsinourcountryalsoputforwardalotofnewideasconstructionofthesteelstructureintheprojectoflargestadium,airportandilluminatedsystematicallysomeconcepts,constructionmethods,constructionprocedure,constructionprocess,closureline,temperatureclosing,temperaturetestingtechnology,physicalcoolingtechnology,methodinstallationtechnologyofclosuresection,closureweldingtechnology,controlclosureline,temperaturedeformation,富有特色的大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑如北京首都機(jī)場(chǎng)的四機(jī)位機(jī)庫(kù)（跨度153m，為雙屋面及立面的次結(jié)構(gòu)一起形“鳥(niǎo)巢”的特殊建筑造型。國(guó)家體育場(chǎng)建筑面積約（2）南京奧體中心體育場(chǎng)（圖1－2）南京奧體中心體育場(chǎng)屋頂組合鋼結(jié)構(gòu)為由跨越東西看臺(tái)上空的變斷面三角桁架拱（跨度372.40m,矢高64m，與水平面傾斜45o）及穿越比賽場(chǎng)地的地下連帶組成，主樓的屋蓋為近似的幾何球形，巨形柱的柱頂高度又東西二端的21M房17.93萬(wàn)m2，站臺(tái)無(wú)柱雨棚19.85萬(wàn)m2。新客站的建筑總高度約為50多米，中部有一個(gè)64米大跨拱形結(jié)構(gòu)。煙臺(tái)國(guó)際會(huì)展中心屋蓋鋼結(jié)構(gòu)是由弧形鋼管桁架與圓管支撐桿件組成的空湖南國(guó)際會(huì)展中心上部屋蓋結(jié)構(gòu)形式為巨型空間管拱架及空間檁架加型鋼檁條的形式，下部為大跨度鋼框架結(jié)構(gòu)。主要結(jié)構(gòu)件為鋼柱、平臺(tái)梁、桁架梁、拱架、檁架等?？偨ㄖ娣e95638m2；鋼結(jié)構(gòu)（13）鄭州新鄭國(guó)際機(jī)場(chǎng)（圖1－13）46.285m。外殼體系為全鋼結(jié)構(gòu)，由中心環(huán)梁、梁架、斜撐和環(huán)向連桿等構(gòu)件組國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在大跨度空間結(jié)構(gòu)方面發(fā)展較快,結(jié)構(gòu)形式豐富(包括張拉整體結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及各種結(jié)構(gòu)的雜交形式),而且跨度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜[5]。美國(guó)、日本等有不少網(wǎng)殼和薄膜結(jié)構(gòu)跨度已達(dá)200m國(guó)新奧爾良“超級(jí)穹頂”采用球面雙層網(wǎng)殼,跨度達(dá)207m,該網(wǎng)殼穹頂至今仍為其直徑達(dá)204m,該充氣穹頂采用了一系列高科技控制手段以適應(yīng)各種外部天氣1.2國(guó)內(nèi)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)合攏技術(shù)研究歷史與現(xiàn)狀 結(jié)構(gòu)形式的多樣化[26]應(yīng)該是空間結(jié)構(gòu)最突出的優(yōu)點(diǎn)之一，空間結(jié)構(gòu)能以其豐富的外形來(lái)滿足使用功能與建筑功能的要求。大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)[27]主要是指網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及其組合結(jié)構(gòu)(兩種或兩種以構(gòu)體系，但文獻(xiàn)[28]指出，根據(jù)中國(guó)的經(jīng)驗(yàn)，采用中間支承的雜交體系懸索屋蓋有時(shí)不一定經(jīng)濟(jì)，其耗鋼量和造價(jià)都比較高。承重結(jié)構(gòu)的邊界條件（如慕尼黑奧林匹克公園滑冰館[34]第四類是指整體張拉本文所指的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)包括董石麟院士所指的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)外還包括預(yù)應(yīng)力大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)。2.2合攏的概念合攏段可采用散裝方式進(jìn)行安裝。2.5合攏溫度設(shè)計(jì)合攏溫度取結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中的極限最高溫度與極限最低溫度的中間值。（2）考慮全球氣溫變暖趨勢(shì)，將極限最高、最低氣溫稍加提高。由于全球（4）對(duì)于大跨度結(jié)構(gòu)，通常將主體結(jié)構(gòu)合攏時(shí)的溫度作為結(jié)構(gòu)的初始溫度盡量設(shè)定在結(jié)構(gòu)可能達(dá)到的最高溫度與最低溫度之間，使結(jié)構(gòu)受力比較合理。降低太陽(yáng)輻射溫升的措施進(jìn)行了分析，統(tǒng)計(jì)得到結(jié)構(gòu)各區(qū)域構(gòu)件的太陽(yáng)輻射照度，合理地確定了溫度場(chǎng)計(jì)算采用的各種參數(shù)及室內(nèi)外風(fēng)速及相應(yīng)的熱傳導(dǎo)計(jì)算邊界條件。采用有限元法計(jì)算了構(gòu)件各表面的輻射溫度與構(gòu)件的平均輻射溫升，溫度應(yīng)力的計(jì)算是大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題[36]，因此，施工過(guò)程中實(shí)采用干濕式溫度計(jì)測(cè)量大氣溫度和濕度，紅外線測(cè)溫儀測(cè)量鋼結(jié)構(gòu)本體溫-5℃~+120℃,測(cè)試精度為±1℃。自動(dòng)測(cè)溫系統(tǒng)一般由三個(gè)子系統(tǒng)組成，即：4200J/kgK。鋼材的比熱約為水的11％。數(shù)據(jù)表明，每約（4）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工過(guò)程跟蹤模擬計(jì)算[37],分析不同的溫度分段以及由不（3）為確保合攏口在施工過(guò)程中因溫度變化而自由伸縮，合攏口采用卡馬桿截面為1200mm×1200mm～1000mm×1000mm，下弦桿截面為1000mm×1200mm~設(shè)計(jì)要求，主桁架的合攏溫度為14℃±4℃,立面結(jié)構(gòu)與頂面次結(jié)構(gòu)的合攏溫度相當(dāng)于15℃~23℃;（2）次結(jié)構(gòu)合攏溫度：19℃-8℃~19℃+4℃,相當(dāng)于11℃~23℃;（3）設(shè)計(jì)合攏溫度為鋼結(jié)構(gòu)的平均溫度，在合攏時(shí)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量做到溫對(duì)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程，結(jié)構(gòu)本身因自重和溫度變化均會(huì)產(chǎn)生一定程度的北（2）分段安裝24根桁架柱、立面次結(jié)構(gòu)及立面樓梯，并采取有效措施保證合攏線確定如下:（1）主桁架沿屋蓋環(huán)向設(shè)置四條合攏線，主桁架的合攏線充分利用鋼結(jié)構(gòu)（2）為保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的合攏，立面結(jié)構(gòu)與頂面次結(jié)構(gòu)沿屋蓋環(huán)向在與主體鋼結(jié)構(gòu)合攏斷面相應(yīng)的位置設(shè)置四條合攏線。（3）安裝時(shí)，合攏線處所有鋼結(jié)構(gòu)桿件均斷開(kāi)，采用卡馬臨年極端最低氣溫為-27.4℃;年平均最高氣溫為30.8℃,年極端最高氣溫為（3）對(duì)于大跨度結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)安裝完成后，環(huán)境溫度變化將在結(jié)構(gòu)中引起內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)初始溫度（鋼結(jié)構(gòu)合攏溫度）：14.0℃±4℃,相當(dāng)于10℃~18℃。由于國(guó)家體育場(chǎng)設(shè)計(jì)聯(lián)合體在進(jìn)行國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)修改初步設(shè)計(jì)與施工圖設(shè)計(jì)過(guò)程中，均將《國(guó)家體育場(chǎng)（2008年奧運(yùn)會(huì)主體育場(chǎng)）建筑概念設(shè)計(jì)方的氣候及氣象條件作為設(shè)計(jì)條件，而并非國(guó)家體育場(chǎng)周邊地區(qū)的氣候與氣象條高氣溫調(diào)整為41.6℃,并將鋼結(jié)構(gòu)合攏溫度與要求相應(yīng)調(diào)整如下：19℃-8℃~19℃+4℃,相當(dāng)于11℃~23℃。系，測(cè)試點(diǎn)的布設(shè)盡量分布于整個(gè)屋蓋區(qū)域。溫度測(cè)試共布設(shè)60個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中：頂面桁架36個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別布置于T5A、測(cè)試數(shù)據(jù)表明，鋼結(jié)構(gòu)本體在三天合攏日的溫度平均值分別于夜間22:00氣溫標(biāo)準(zhǔn)線1標(biāo)準(zhǔn)線2平均值氣溫平均值標(biāo)準(zhǔn)線1標(biāo)準(zhǔn)線2頂面結(jié)構(gòu)溫度曲線圖卡馬加勁板卡馬加勁板根據(jù)安裝和合攏過(guò)程中卡馬的最不利受力情況，卡馬設(shè)置（圖3－8）要求緣的卡馬焊接固定在已裝主桁架牛腿上外，其它卡馬均焊接固定在合攏段端口加勁板加勁板合攏段卡馬卡馬已裝主桁架卡馬雨量和氣溫的高低變化情況都做出了非常準(zhǔn)確進(jìn)行合攏相關(guān)工作的檢查和確認(rèn)，如合攏準(zhǔn)備工作的檢查與合攏時(shí)段的確認(rèn)。（1）溫度監(jiān)測(cè)單位提交溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果，鋼結(jié)構(gòu)分（3）初步合攏時(shí)間確定后，各相關(guān)人員各就各（4）對(duì)于立面次結(jié)構(gòu)和主桁架，因同一垂直位置上存在多點(diǎn)焊接現(xiàn)象，為（2）卡馬割除時(shí)，先統(tǒng)一割其中一端，然后再統(tǒng)一割另一端。先割除上下翼緣圖3－9合攏計(jì)算時(shí)采用的主結(jié)構(gòu)計(jì)算模型圖3－10合攏計(jì)算時(shí)采用的主結(jié)構(gòu)計(jì)算模型(左視圖)圖3－11合攏計(jì)算時(shí)采用的主結(jié)構(gòu)計(jì)算模型(前視圖)圖3－12合攏計(jì)算時(shí)采用的主結(jié)構(gòu)計(jì)算模型(軸測(cè)圖)模型，其剛度采用塔架的軸向剛度EA/l。2)采用懸臂梁模型，梁的面積與慣性圖3－13支撐塔架的等剛度單桿模型(不同顏色代表不同的截面)圖3－14支撐塔架的懸臂柱模型(帶聯(lián)系桁架)圖3－15支撐塔架的整體計(jì)算模型圖3－16三個(gè)階段的平均安裝溫度節(jié)無(wú)支撐，接口無(wú)連接圖3－17有支撐且接口Z向耦合時(shí)的接口相對(duì)變形情況(變形單位為m，變形放大60倍)溫度應(yīng)該是高溫40℃、低溫18℃,引起的變形最大?？紤]到實(shí)際上要與恒載工(表中帶*號(hào)部分)。第三階段第三階段25.5~27.6℃-9.6℃-8.6℃-7.6℃-6.6℃-5.6℃安裝階段安裝溫度升溫溫差低溫溫差第二階段-2℃-1℃第一階段39℃40℃*18℃*19℃20℃21℃支撐塔架的計(jì)算模型主要采用懸臂柱模型，但首先將在最不利的溫差情況下，對(duì)前兩種支撐塔架模型（圖3－19、圖3－20）進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比時(shí)將僅圖3－19支撐塔架采用單桿時(shí)的整體計(jì)算模型高溫比較(高溫比較(mm)低溫比較(mm)單桿模型懸壁柱模型單桿模型懸壁柱模型-56.2124.1161.16-20.1824.5831.802.125.946.31-3.274.255.3612.3633.8236.0015.3216.5622.56-2.511.622.99-3.756.04-43.8446.88-19.0525.032.663.12-2.974.71-25.28-3.4627.646.68-1.786.91-0.96-9.31-15.84-2.16-3.644.232.72-4.50-3.64-24.71-5.896.13-1.23-0.65-13.05-37.35-16.44-19.0125.14-2.474.254.41-6.718.03-10.65-38.53-17.42-32.7537.102.66-5.315.943.98-14.91-23.1961.80-24.16-1.38-5.485.653.06-5.206.03-11.29-41.0142.53-21.07-23.2831.402.11-4.254.744.01-14.20-9.26-43.2344.21-18.25-23.6529.874.79-4.756.744.19-9.16-12.93-37.31-15.38-22.3227.11-2.293.954.21-6.20-23.0962.39-27.68-1.52-5.365.573.11-4.79-1.72-23.20-5.50-24.6925.293.854.202.410.482.45-35.4563.53-33.64-1.63-3.794.133.60-4.996.15-20.86-23.47-21.74-25.34-3.876.09-0.45-9.539.5448.35-10.6349.50-23.93-1.75-3.063.522.70-4.28-26.34-20.6525.009.163.009.642.36-3.794.4746.50-9.88-5.53-5.35-6.298.25-4.714.55-26.02-6.026.31-2.320.122.33-1.45-4.334.56-1.16-1.54-25.77-4.0328.286.75-1.776.98-1.412.14-13.15-15.35-9.45-3.47-2.522.99-43.3444.96-17.6929.652.182.66-2.894.40-56.8061.71-18.9334.112.225.736.14-3.32-50.8063.82-20.8740.952.414.304.93-3.86-34.43-25.8243.03-12.27-5.075.3533.64-8.239.69-1.342.823.12-3.63-2.663.16-3.606.5740.9841.10-4.474.196.13-3.688.349.1141.0541.18-4.484.906.64-3.52-51.5963.47-21.9736.282.344.505.07-3.746.314.5227.85-8.099.608.758.87-15.28-16.18-9.57-3.36-2.564.04-24.40-19.3824.429.292.879.732.41-3.794.49-14.32-36.91-22.19-24.66-2.002.30-0.68-9.9763.47-28.55-1.53-4.044.323.50-6.226243-8.34-44.5945.37-16.64-21.4827.175.26-5.897.894.20-10.36-1.37-4.444.64-1.16-1.782.126283-34.09-15.92-12.83-0.4241.10-9.96-5.72-5.49-5.918.066323-1.92-23.38-2.21-23.8523.954.19均值0.99-1.85-0.6527.680.33-0.396.240.10-0.506.7163.8240.95最小-56.80-44.59-22.19-33.64-9.96-8.232.30-5.49-14.91圖3－23溫度變形情況(截面模型)圖3－24接口單元的溫度變形情況選取一個(gè)合攏區(qū)域的上弦和另一合攏區(qū)域的下弦，將其單元的內(nèi)力列表如力矩(力矩(kNm)-4.6-4.6-38.7-1.675.0-20.4-6.4-6.4-65.25.8-3.1-10.6 -6.0-6.0-308.95.6-0.3-17.0-20.7-20.7-118.1-35.3-4.09.9-3.9-3.9-86.4-95.022.42軸力N-1309.3-1309.3-1844.8-1844.8-1178.5-1178.5-1302.7-1302.7-264.7-264.7-1320.2-1320.2-1155.9-1155.9-575.5-575.5-661.2-661.2-152.6-152.6-9.9-3.0-2.8-107.6-26.4-2.6-2.6-9.9-3.0-2.8-107.6-26.4-2.6-2.6-22.5-3.3-24.9-1.4-4.7-22.5-8.7-3.3-24.9-1.4-4.7典型單元max力(kN)minmin-1855.9-1855.9-24.9-24.9-107.6-107.6-20.7-20.7-308.9-96.8-122.0-44.4maxmin起點(diǎn)終點(diǎn)起點(diǎn)終點(diǎn)起點(diǎn)終點(diǎn)起點(diǎn)終點(diǎn)起點(diǎn)終點(diǎn)起-29.74-29.740.020.02-0.16-0.160.040.040.540.05-0.02-0.08-23.25-23.25-0.40-0.40-0.05-0.050.030.030.220.06-0.990.23-26.35-26.350.070.07-0.04-0.04-0.02-0.020.240.030.470.11-15.03-15.030.050.050.140.140.080.08-0.280.030.00-0.11-20.88-20.880.180.180.070.07-0.04-0.04-0.31-0.010.59-0.16-4.70-4.700.030.030.300.30-0.06-0.06-0.570.05-0.03-0.09-21.16-21.160.010.010.250.250.020.02-0.530.07-0.06-0.10-18.52-18.52-0.14-0.140.010.010.010.01-0.08-0.04-0.490.093.163.160.040.040.810.81-0.02-0.02-1.000.020.00-0.06-5.38-5.38-0.03-0.030.180.18-0.06-0.06-0.37-0.11-0.010.032.862.86-0.26-0.26-1.10-1.100.040.040.90-0.19-0.39-0.14-4.41-4.410.390.390.100.100.050.05-0.34-0.220.44-0.048.238.23-0.02-0.02-0.34-0.340.050.050.260.11-0.14-0.139.589.58-0.06-0.060.160.160.040.040.130.20-0.030.002.142.140.000.00-0.02-0.02-0.01-0.01-0.24-0.260.060.06-1.95-1.950.020.02-0.03-0.03-0.03-0.030.060.000.250.20-29.7-29.7-0.4-0.4-1.1-1.1-0.1-0.1-1.0-0.3-1.0-0.2力(力(kN)力矩(kNm)起點(diǎn)終點(diǎn)起點(diǎn)終點(diǎn)起點(diǎn)終點(diǎn)起點(diǎn)終點(diǎn)-5.1-2.860.527.5-6.7-6.7-263.4-3.9-1.033.2-12.4-7.2-7.2-27.245.3-15.71.3-8.4-6.748.74.41.8ELEM軸力N7895-411.0-409.17906-38.0-35.4-6.1-6.0-7.6-2.1-2.1-8.2-9.6-21.8-47.6-9.5-9.5-1.9-46.3-2.6-1.6-2.9-4.8-4.8-173.5-21.8-2.8-1.6-20.8-51.3-104.7-21.9-6.1-11.3-25.5-51.0-3.6-3.6-5.0-0.09-1.6-0.2-6.8-6.8-0.2-11.6-3.4-22.1-31.5-5.5-5.6-0.8-3.7-22.7-45.9-54.8-20.7起點(diǎn)終點(diǎn)起點(diǎn)終點(diǎn)起點(diǎn)終點(diǎn)起點(diǎn)終點(diǎn)起點(diǎn)終點(diǎn)2.762.79-0.08-0.040.970.44-0.05-0.05-2.080.10-0.21-0.01-7.30-7.270.040.090.760.230.000.00-1.350.160.210.02-0.54-0.51-0.12-0.010.950.09-0.01-0.01-2.000.76-0.230.121.461.38-0.05-0.010.42-0.16-0.03-0.033.052.97-0.13-0.110.780.070.010.01-1.240.50.630.59-0.11-0.110.21-0.14-0.02-0.020.060.140.020.233.823.79-0.13-0.15-0.35-0.76-0.08-0.081.33-0.02-0.37-0.022.342.28-0.03-0.050.810.10-0.04-0.04-1.370.50-0.17-0.022.202.170.090.07-0.020.320.010.010.040.23-0.071.071.040.020.010.360.010.181.501.520.170.19-0.26-0.521.181.200.000.020.440.130.3.403.41-0.020.000.160.03-0.03-0.030.200.246.816.800.000.00-0.15-0.040.030.03-0.09-0.13-0.02-0.020.600.580.040.020.340.060.100.100.000.210.021.421.360.080.08-0.290.250.01-7.3-7.3-0.1-0.2-0.3-0.8-0.1-0.1-2.1-0.2-0.4-0.2單元maxminELEM起點(diǎn)終點(diǎn)起點(diǎn)終點(diǎn)起點(diǎn)終點(diǎn)起點(diǎn)終點(diǎn)7888-1649.5-1647.1-5.0-2.2-2.7-2.7-248.3-34.4-11.67895-1802.5-1800.2-19.9-16.5-84.57906-1890.4-1887.3-5.6-4.3-4.3-290.67941-1040.7-1048.8-1.0-3.8-20.0-25.07968-1074.6-1080.4-2.5-2.5-226.5-12.37982-222.0-224.5-5.5-5.4-8.9-8.9-56.3-0.98053-1034.3-1036.7-9.0-10.7-10.7-41.6-63.7-15.48076-980.4-985.5-10.6-12.2-4.8-4.8-217.7-87.8-1.3-1.3-294.9-25.2-78.69462-438.0-442.4-1.2-2.547.847.8-243.7-61.7-11.3-3.69587454.0456.1-5.3-2.4-138.2-168.8-63.8-15.6-3.69634-448.2-444.982.982.9-102.3-9.7-3.4-1.7-11.8-23.4-29.8-26.0-4.4-5.0-1.3-13.4-7.541.541.5-87.5-1.69873-19.1-24.6-29.9-4.4-4.4-39.1-66.9min-1890.4-1887.3-19.9-16.5-138.2-168.8-8.9-8.9-294.9-66.9-87.8-78.6起點(diǎn)終點(diǎn)起點(diǎn)終點(diǎn)起點(diǎn)終點(diǎn)起點(diǎn)終點(diǎn)起點(diǎn)終點(diǎn)-26.43-26.40-0.08-0.041.010.37-0.02-0.02-1.960.17-0.27-0.09-32.01-31.97-0.35-0.290.850.230.020.02-1.400.25-0.740.25-27.01-26.96-0.080.061.100.07-0.03-0.03-2.170.940.200.25-13.27-13.38-0.010.030.65-0.050.040.04-0.410.25-0.08-0.10-17.22-17.310.020.051.010.16-0.02-0.02-1.790.630.05-0.10-3.94-3.99-0.10-0.100.560.14-0.08-0.08-0.490.22-0.010.19-16.58-16.61-0.14-0.17-0.17-0.67-0.07-0.071.070.05-0.50-0.12-15.71-15.79-0.17-0.200.980.12-0.04-0.04-1.720.56-0.690.075.815.770.150.130.791.190.000.00-0.950.29-0.-4.09-4.13-0.01-0.020.620.190.150.15-0.75-0.19-0.03-0.014.664.68-0.05-0.02-1.42-1.730.030.031.34-0.21-0.05-0.01-2.99-2.97