超半球雙層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)吊裝方案比選及力學(xué)分析

超半球雙層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)吊裝方案比選及力學(xué)分析

1角形單元結(jié)構(gòu)杭州國際博覽中心的單層面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是杭州國際博覽中心鋼結(jié)構(gòu)面的重要組成部分。城市大廳的殼體結(jié)構(gòu)為直徑約59m的球形單巢網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，在中國很少見。它延伸到44米高的主體結(jié)構(gòu)中，超過75.043m。這是由三向網(wǎng)格組成的平面網(wǎng)格（k8cow）。圖1a是以80個(gè)截面的形式排列在一起的單層球殼。單層球殼底部通過環(huán)形桁架支承于主體結(jié)構(gòu),解決了因下部主體結(jié)構(gòu)剛度不均勻和因溫度變化對單層球殼的影響。球殼桿件采用H型鋼和方管柱組成,型鋼規(guī)格為H150×150×6×8,H150×150×8×10,H250×150×12×16,H250×200×16×25,方管規(guī)格主要為□500×400×25×25,□750×600×20×20,□1650×500×25×25,球殼內(nèi)部節(jié)點(diǎn)采用空心鋼圓筒與桿件焊接連接的節(jié)點(diǎn)形式(見圖1b)。2施工方案和單元?jiǎng)澐?.1整體吊裝優(yōu)缺點(diǎn)目前球殼的安裝方法有很多,結(jié)構(gòu)的安裝施工,需要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)要求和環(huán)境條件,選擇合適的施工方法。幾種常見施工方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較:(1)高空散裝法優(yōu)點(diǎn):將散件直接在設(shè)計(jì)位置進(jìn)行總拼,施工方便;散件單體質(zhì)量小,對起重設(shè)備起重量要求低;技術(shù)難度低,施工安全可靠;質(zhì)量較易保證。缺點(diǎn):本工程單體面積大、安裝高度高,滿堂腳手架的搭、拆工程量巨大;高空作業(yè)多、時(shí)間長,施工效率低,工期、質(zhì)量不易保證;總體費(fèi)用較高。(2)整體吊裝優(yōu)點(diǎn):網(wǎng)架完全地面拼裝,幾乎無高空作業(yè);施工精度及焊接質(zhì)量較高。缺點(diǎn):對起重設(shè)備要求高。(3)分條分塊安裝法加大工廠和地面拼裝量,減少高空焊接量和高空作業(yè);提高了勞動(dòng)效率,加快了施工進(jìn)度;便于施工,保證了施工質(zhì)量;總體成本低。缺點(diǎn):大型吊裝機(jī)械需求增大;對工廠制作的質(zhì)量要求提高。單層球殼是典型的缺陷敏感結(jié)構(gòu),對施工過程中的變形和誤差要求十分嚴(yán)格,對結(jié)構(gòu)的成型精度控制要求很高。比較幾種施工方案的優(yōu)缺點(diǎn),并結(jié)合相應(yīng)的工期安排,杭州國際博覽中心單層球殼結(jié)構(gòu)可采取“分條或分塊安裝”施工法進(jìn)行安裝,相對于高空散裝,該法可以有效地加大工廠和地面拼裝量,減少高空焊接量和高空作業(yè)。2.2吊裝單元結(jié)構(gòu)劃分“分條或分塊安裝”需要將結(jié)構(gòu)根據(jù)起重機(jī)起重量及施工環(huán)境分為多種標(biāo)準(zhǔn)的吊裝單元,杭州國際博覽中心根據(jù)施工區(qū)域的不同,初步將結(jié)構(gòu)劃分為4種主要單元,如圖2所示。以下將主要針對4種吊裝單元進(jìn)行吊裝過程中的力學(xué)分析,獲得單元吊裝過程中的力學(xué)響應(yīng)狀態(tài),評估吊裝方案的合理性。3安裝分析3.1吊點(diǎn)位置的確定由于吊裝過程中單元移動(dòng)速度緩慢,可近似認(rèn)為單元處于靜力平衡狀態(tài),可以采用靜力計(jì)算方法對其吊裝過程中的狀態(tài)進(jìn)行分析,且由于自重作用,單元在吊裝平穩(wěn)狀態(tài)下,吊點(diǎn)與單元重心在豎直方向上重合,因此通過靜力計(jì)算單元吊裝狀態(tài)首先要確定不規(guī)則單元的重心位置,以便確定吊裝平穩(wěn)狀態(tài)的吊索匯交點(diǎn)位置。重心位置可根據(jù)總體彎矩平衡原理確定,即首先對單元的各個(gè)角點(diǎn)進(jìn)行三向約束,分別施加任意兩個(gè)方向的重力加速度進(jìn)行計(jì)算,求出相應(yīng)反力,根據(jù)總反力對重心的彎矩平衡可以得出相應(yīng)平面上的重心位置,進(jìn)而確定單元重心的空間位置。在確定單元重心位置之后,根據(jù)單元在吊裝平穩(wěn)狀態(tài)下,吊點(diǎn)與單元重心在豎直方向上重合的原理可以確定計(jì)算吊點(diǎn)的位置,建立調(diào)轉(zhuǎn)分析的幾何模型。吊裝分析采用ANSYS軟件進(jìn)行,根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力特點(diǎn),單層球面網(wǎng)殼型鋼構(gòu)件采用beam188單元進(jìn)行模擬,該單元具有自定義截面、應(yīng)力剛化、彈塑性、大變形和單元生、死等功能,符合結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、滿足施工仿真要求,吊索采用具有雙線性剛度矩陣的link10單元進(jìn)行模擬,該單元不包括彎曲剛度,具有應(yīng)力剛化、大變形功能和單元生、死功能,打開只受拉不受壓特性后可以有效地模擬預(yù)應(yīng)力施工中的拉索構(gòu)件。計(jì)算時(shí)考慮起吊時(shí)動(dòng)力效應(yīng),內(nèi)力計(jì)算時(shí)考慮1.4倍的動(dòng)力系數(shù),位移響應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算。3.2吊索長度的確定頂部吊裝單元如圖3所示,吊裝方案采用2臺汽車式起重機(jī)同時(shí)對稱起吊,共設(shè)置4個(gè)吊點(diǎn),整體吊裝至指定位置。根據(jù)吊索長度的不同分別取12m和8m兩種方案。表1給出了兩種方案相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,可以看出,方案1單元變形及所需吊裝索力均較小,但是所需索長較長,兩種方案吊裝過程結(jié)構(gòu)應(yīng)力比均較小,變形均在彈性范圍內(nèi),滿足施工安全要求,可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況選擇一種方案進(jìn)行吊裝。3.3吊索長度的確定中部吊裝單元如圖4所示,采用1臺汽車式起重機(jī),共設(shè)置4個(gè)吊點(diǎn),根據(jù)吊裝過程中單元的姿態(tài)和吊索的長度,對兩種吊裝方案進(jìn)行分析:方案1為平調(diào),吊裝單元水平放置,吊索長度分別為8,7.06m;方案2為斜吊,吊裝過程中吊裝單元姿態(tài)和安裝就位后的姿態(tài)一致,吊索長度分別為10,5.36m。表2給出了兩種方案相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,可以看出,整體上兩種方案吊裝過程結(jié)構(gòu)應(yīng)力比均較小,變形均在彈性范圍內(nèi),滿足施工安全要求,但是方案2即斜吊的單元變形及所需吊裝索力均比方案1小,這是因?yàn)樾钡鯐r(shí),單元在豎直方向接近于面內(nèi)受力,面外受力效應(yīng)變小,單元受力更加合理,且拼裝時(shí)結(jié)構(gòu)姿態(tài)調(diào)整較少,施工更加便捷,因此條件允許情況下,建議采用方案2吊裝方案。3.4吊裝方案優(yōu)化根據(jù)吊裝總體方案,底部吊裝單元分為兩種(見圖5),底部單元吊裝采用1臺汽車式起重機(jī),共設(shè)置4個(gè)吊點(diǎn),根據(jù)上述分析結(jié)果,并考慮到底部吊裝單元比較狹長,可采用斜吊方案,增加吊裝的穩(wěn)定性,吊裝過程中單元為就位時(shí)姿態(tài),有利于吊裝單元的安裝。表3給出了兩種吊裝單元的吊裝分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果,結(jié)果表明采用斜吊方案吊裝過程中,結(jié)構(gòu)應(yīng)力比較小,變形均在彈性范圍內(nèi),底部單元吊裝方案滿足施工安全要求,實(shí)際施工可以按照所分析方案進(jìn)行底部單元吊裝。4結(jié)構(gòu)吊裝分析模型1)對杭州國際博覽中心超半球單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工方案進(jìn)行了比選,確定采用“分條分塊安裝”方案施工,并對單元吊裝進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)的吊裝單元?jiǎng)澐帧?)建立了單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)吊裝分析模型,根據(jù)吊裝平衡狀態(tài)下吊點(diǎn)與單元重心在豎直方向上重合原則建立了結(jié)構(gòu)吊裝分析模型,給出了結(jié)構(gòu)吊裝分析的靜力計(jì)算方法。3)通過頂部、中部及底部4種吊裝單元的吊裝方案分析,給出了吊點(diǎn)的設(shè)置、吊索下料長度