（工程力学专业论文）空间钢结构工程结构分析及安装施工仿真技术研究.pdf

合肥工业大学 i u li ii 1 111 11 1i 11iii y 18 8 6 3 5 5 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 主席： 委员： 导师： 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 清华大学 教授 必硇 国五洲工程设计院教授级高工 徽建筑工业学院 徽建筑工业学院 合肥工业大学 教授 教授 教授 合肥工业大学教授 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字2 气 签字醐例年4 月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金起王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金壁王些太堂可 以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) = 二聋 签字日期：矽年月幻日 导师签名： 签字日期：沙、1 年月习日 工作靴：冻绪多粒钎棚够概淞司电话：口阳一：7 6 “3 7 ； 通讯地址：甏艺硝嘲堙a 鹄7 。专 邮编：码。p 聊 空间钢结构工程结构分析及安装施工仿真技术研究 摘要 近年来，我国的基础大建设为空间钢结构的发展提供了良好的契机。空间 钢结构受力合理、跨度大、造型美观大方，符合现代人对于建筑结构的使用及 审美要求。大量空间钢结构的的涌现，促使空间结构的建筑结构形式不断发展， 对于建筑、结构方面的研究日益深入，设计水平也在不断提高，这也对空间钢 结构的施工提出了更高的要求。施工过程当中，主体结构承重体系尚未完全形 成，结构与临时支撑体系协同受力，施工建造过程中多种因素对结构受力和变 形的影响不容忽略，因此对空间钢结构施工过程进行力学分析和仿真模拟就显 得格外重要。 本文以新桥国际机场航站楼工程实例为依托，重点讨论了以下几个问题： 1 ) 空间钢结构施工方案的对比和选择。根据现在常用的几种施工方案，结合工 程的特点和现场实际情况，对空间钢结构施工过程所采用的主要安装方法做了 选择。2 ) 施工安装过程中的受力分析理论。重点介绍了时变结构理论和变量叠 加法，并结合空间钢结构施工仿真当中的特殊力学问题，为之后的施工仿真分 析做了理论铺垫。3 ) 确定新桥国际机场航站楼施工中的临时支撑体系。由于在 实际的施工当中存在高空拼接焊接，所以必须采用临时支撑辅助受力。临时支 撑体系是否科学合理决定了旌工过程的安全与效率。本文对临时支撑体系做了 合理性选择，并进行了安全性能的验算。4 ) 支撑体系卸载方案的施工仿真。基 于卸载过程仿真的几种理论，本文采用有限元软件m i d a s g e n 对航站楼五区 的一榀刚架进行了几种卸载方案的施工仿真分析。根据计算所得结果，对结构 的卸载方案进行优化选择，保证了施工卸载方案的合理性和可靠性。 空间钢结构的施工是一项复杂的系统工程，也越来越受到重视。针对空间 钢结构的施工方案、支撑和卸载等关键问题，本文利用有限元软件m i d a s g e n 做了一些研究和探索，为进一步进行施工安装过程仿真的研究提供了依据，也 为其他类似工程的施工提供了参考。 关键词，空间结构；钢结构；施工仿真；m i d a s g e n ；临时支撑；卸载 s p a t i a ls t e e ls t r u c t u r ea n a l y s i sa n ds t u d yo n s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yo fi n s t a l l a t i o n a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ei n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o n so fo u rc o u n t r yp r o v i d eag o o d o p p o r t u n i t yf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h es p a t i a ls t e e ls t r u c t u r e t h es p a t i a ls t e e l s t r u c t u r ei sr e a s o n a b l ys t r e s s e d ，i th a sal a r g es p a na n dt h ed e s i g ni s e x q u i s i t e c o n c e r n i n gw i t ht h ef u n c t i o no ft h es t r u c t u r ea n dt h ea e s t h e t i cr e q u i r e m e n t ，t h e s t r u c t u r ei sp o p u l a ra m o n gt h em o d e r np e o p l e b e c a u s eo ft h ee m e r g e n c eo fs p a t i a l s t e e ls t r u c t u r e ，t h ec o n s t r u c t i o nf o r mo fs p a t i a ls t r u c t u r ei sm a k i n gs t e a d yp r o g r e s s a l o n gw i t ht h ed e e p e rr e s e a r c h e so ft h ec o n s t r u c t i o na n ds t r u c t u r e ，t h ed e s i g nl e v e l i sa l s oi n c r e a s i n g l yp r o m o t e d a tt h es a m et i m e ，t h ec o n s t r u c t i o no fs p a t i a ls t e e l s t r u c t u r ei sh i g h l yr e q u i r e d i nt h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o n ，t h em a i ns t r u c t u r eo f l o a d - b e a r i n gs y s t e mi sn o ty e tc o m p l e t e l yf o r m e d ；t h es t r u c t u r ea n dt e m p o r a r y s u p p o r ts y s t e ms t r e s s a tt h es a m et i m e ，s os i m u l a t i o nb e c o m e sp a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t i nt h i sp a p e r ，t a k ex i n q i a oi n t e r n a t i o n a la i r p o r tt e r m i n a la sa ne n g i n e e r i n g e x a m p l e ，i tm a i n l yd i s c u s ss u c hp o i n t s ：1 ) a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n ts e v e r a lg e n e r a l c o n s t r u c t i o ns c h e m e ，c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r o je c t sa n df i e l d s i t u a t i o n ，t h ec o n s t r u c t i o no fs t e e ls t r u c t u r e su s e di nt h em a i ni n s t a l l a t i o np r o c e s s o fc o n s t r u c t i o nm e t h o d sm a d et h ec h o i c e 2 ) d e s c r i b e st h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o n a n di n s t a l l a t i o no fm e c h a n i c a l a n a l y s i st h e o r y f o c u so nt h e o r ya n dv a r i a b l e t i m e v a r y i n gs t r u c t u r es u p e r p o s i t i o nm e t h o d ，c o m b i n e dw i t hs i m u l a t i o no fs p a c e s t e e ls t r u c t u r ec o n s t r u c t i o no f s p e c i a l m e c h a n i c a l p r o b l e m sw h i c h ，f o r t h e c o n s t r u c t i o no fs i m u l a t i o na f t e rt h et h e o r e t i c a lg r o u n d w o r kt od o 3 ) t od e t e r m i n e t h et e m p o r a r ys u p p o r ts y s t e mt h ei n t e r n a t i o n a la i r p o r tt e r m i n a lo fi n s t a l l a t i o n a s t h e r ew e r ei nt h ea c t u a lh e i g h to ft h em o s a i cc o n s t r u c t i o nw e l d i n g ，t h et e m p o r a r y s u p p o r tm u s tb ea s s i s t e db yt h ef o r c e w h e t h e rt h et e m p o r a r ys u p p o r ts y s t e mi s s c i e n t i f i c a l l y , d e t e r m i n et h es a f e t ya n de f f i c i e n c yo ft h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s t h i s t e m p o r a r ys u p p o r ts y s t e mw a sm a d eo fr a t i o n a lc h o i c e ，a n dw a sa l r e a d yc h e c k e d 4 ) u n i n s t a l lt h ep r o g r a ms u p p o r ts y s t e mc o n s t r u c t i o ns i m u l a t i o n b a s e do ns e v e r a l u n i n s t a l lp r o c e s ss i m u l a t i o nt h e o r i e s ，t h i sp a p e ra n a l y z es e v e r a ls i m u l a t i o ni nf i v e a r e a so ft h et e r m i n a lf r a m eo fa p i n ，u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r em i d a s g e n a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t e dr e s u l t so fs t r e s sa n dt oo p t i m i z et h es t r u c t u r eo f s e l e c t e du n i n s t a l l p r o g r a m ，u n i n s t a l lt h ep r o g r a mt oe n s u r et h ec o n s t r u c t i o ni s r e a s o n a b l ea n dr e l i a b l e s t e e ls t r u c t u r ec o n s t r u c t i o ni sac o m p l i c a t e ds y s t e m a t i cp r o j e c t ，w h i c ha t t r a c t s m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s c o n s t r u c t io no fs t e e ls t r u c t u r e sf o rs p a c ep r o g r a m s ， s u p p o r ta n du n l o a d i n g a n do t h e rk e yi s s u e s ，w eu s ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e m i d a s g e nh a sd o n es o m er e s e a r c ha n de x p l o r a t i o n ，c o n s t r u c t i o na n di n s t a l l a t i o n f o rt h ef u r t h e rs t u d yo fp r o c e s ss i m u l a t i o nt op r o v i d eab a s i sf o ro t h e rs i m i l a r p r o je c t su n i n s t a l lc o n s t r u c t i o nt op r o v i d ear e f e r e n c e k e y w o r d s ：s p a t i a ls t r u c t u r e ；s t e e lc o n s t r u c t i o n ；s i m u l a t i o no fi n s t a l l a t i o n ； m i d a s g e n ；t e m p o r a r ys u p p o r t ；u n i n s t a l l 致谢 随着毕业论文的完成，我近三年的研究生生涯也将画上圆满的句号。回首 往事，许多难忘的瞬间都历历在目。还记得当时冒着倾盆大雨拖着行李箱到新 禧公寓入住，还记得进入0 8 级研2 1 班这个熟悉而又陌生的集体，还记得初到 6 0 1 的陌生，到逐渐的相熟相知。总之，有机会在合肥工业大学土木与水利工 程学院这个团结、上进的集体中生活成长，我倍感荣幸。 首先衷心感谢恩师完海鹰教授对于我研究生生涯以及论文写作的重要帮 助。完教授渊博的学识、严谨的治学、为人处世的生活态度都对我有莫大的启 迪和帮助。这里面不仅仅包括学习当中的悉心指导，更有工作生活当中的言传 身教。使我不光在理论学习中不断提高，更让我对工作和生活的意义有了新的 认识，很多看法和理念独到而深刻。再次向完老师表达诚挚的谢意，祝恩师身 体健康，万事顺意。 感谢我的父母，给予我生活上的关怀和照顾，学习上的帮助和支持。感谢 戴健、李涛、马霖、陈金林、杜小虎、刘志佳、李丹、王秀丽、王坤、仲杰、 叶中豹、张利等人，和你们在一起的生活多姿多彩，我毕生难忘。 一 本文依托 施工的第二个阶段： 【k 2 1 u 2 = p 2 ) n 2 = 【k 2 】【a 2 】 u 2 ) 施工的第n 个阶段： ( 【k l 】+ k 2 1 + + 【k n 】) u n = p n ) n n = 【k n 】 a n 】 u n ) 以上式中： 【k ，】第i 个施工阶段中i 单元块相对应的结构总体刚度矩阵 【k f 】一一第f 个施工阶段非完整结构的杆单元刚度矩阵 u 矗一一第f 个施工阶段非完整结构的位移向量 p ，) _ 一一第i 个施工阶段中f 单元块安装时的结构节点力向量 a d 一一第f 个施工阶段时非完整结构的几何矩阵 【n d 一一第f 个施工阶段非完整结构的杆件内力向量 结构的最终位移和内力为： 以上式中： u 节点位移向量 一 u = q 捂l 对 = m f 睾l n 一一结构杆件内力向量 传统的设计方法下有限元基本计算方程和内力计算方程【3 8 】为： k u = p n = k a u 以上式中： l 卜一整体结构总刚度矩阵 k - - 一杆单元刚度矩阵 p 一一整体结构的节点向量 a 整体结构的几何矩阵 由以上分析可知，变量叠加法更加符合实际的施工状况，所得结果也更加 科学合理。这种算法既可以一步步算出应力和位移等参数，合在一起就是施工 完毕时总的状态变量。 2 3 3 空间钢结构施工安装中的特殊力学问题 空间钢结构一般体量大，跨度和高度大，钢结构构件的就位问题是空间钢 结构在施工当中需要重点关注的问题。不过，现阶段对于施工过程吊装方面的 研究，主要集中在吊装过程中吊件的干涉问题和起重机具的受力分析两个方面 【3 9 】【4 0 1 ，而对于在吊装过程中钢结构构件的吊点位置优化、结构的强度、稳定性 的计算以及现场施工方案的应急处理预案等方面的研究还不多见。这种研究方 向表面上看是关注了在施工当中的力学分析，实际上还是没有把施工过程受力 和设计受力明显的区分开来。空间钢结构在施工阶段的受力分析与设计阶段有 以下几点不同： 1 、工况不同 在设计阶段，空间钢结构主要考虑的规范规定的设计荷载，设计师主要要 考虑如何发挥结构的受力性能问题；而在施工阶段，工况包括了结构自重、临 时的施工材料和工具重量、以及临时支撑体系与空降钢结构的协同受力关系。 2 、结构形式不同 设计阶段的结构是一个完整的空间受力体系，而在施工过程当中，构件并 没有完全参与受力，有的甚至还没有拼接，这时候就要考虑临时支撑体系的辅 助作用。 3 、起吊点或者临时支撑点的不同 设计阶段构件的支撑位置是就位以后的位置，而就位之前就需要对构件进 行吊装或者临时支撑，这个位置与设计不同，也需要考虑论证。 4 、结构的状态不同( 同步性控制问题) 虽然结构整体吊装的速度十分缓慢，但这毕竟是一个动态过程，在这一过 程中各吊点处提升力的不均匀使得结构的提升不同步，从而导致结构中各点的 相对位置发生变化。 从总体上说，空间钢结构由于其结构的整体刚度较小、节点形式复杂以及 结构施工安装方法的多样，施工过程对结构竣工时的造型精度和内力分布的影 响更加明显，因此根据实际施工阶段而进行的受力分析则显得非常关键。 空间钢结构是施工阶段的力学分析又有其特点，在施工过程和设计过程当 中存在很大差异。这决定了设计人员和施工方要充分沟通，设计人员要了解结 构施工方案，用设计手段消除不利的施工因素影响，完善设计，使结构的设计 科学合理；同时，施工人员也需要了解设计人员的设计意图，认真分析，细心 筹划，制定合理的施工方案和措施，保证施工按照设计的思路进行。只有两方 面的通力合作，才能保证空间钢结构在施工安装过程中安全高效。 2 3 4 施工仿真的应用 钢结构安装施工仿真技术即是以虚拟现实为基础，采用基于c a d 数据的 快速三维建模、三维实时动态仿真、有限元分析等关键技术，实现虚拟显现工 程钢结构安装现场环境，使观察者如身临其境，系统展现了安装工艺流程，大 型吊车布置、走向，临时支撑体系结构形式等以空间立体的观察角度和漫游方 式。使工程场景更能利用工程软件真实反映施工中的各种状态并具有动感。根 据施工模拟情况，评审方案的可行性，综合考虑施工组织和整体部署。并在计 算机上完成各种构件装配、吊装方案的多种试验和优化以及应力和变形分析等， 指导施工安装，确保施工安装顺利进行。安装施工仿真技术的应用过程如图2 1 - 所示。 图2 1 施工仿真应用过程示意图 器 第三章空间钢结构工程施工临时支撑体系 3 1 施工临时支撑体系及相关技术问题 3 1 1 临时支撑体系的特点 空间钢结构的施工是一项将设计方案转化成建筑实物的复杂的系统工程。 大型复杂建筑物或构筑物在自重荷载、施工荷载、风荷载、地震荷载的作用下， 会产生复杂的应力和变形，而复杂的应力、变形要求工程结构在施工过程中的 构件制作，安装就位等具有更大的精度，因而极大地增加了施工风险和施工难 度。为了保证工程施工的顺利进行，并使结构构件的安装质量和安装精度满足 设计、规范等要求，大型复杂工程施工过程中往往需要搭设临时结构，诸如： 施工平台、提升架、运输栈桥、支撑架、脚手架。附着升降脚手架和塔吊等， 以这些结构为平台或材料和构件的运输通道，从而进行施工组织和施工生产。 其中支撑体系主要用作现浇混凝土模板支撑或大跨度钢结构的整体提升。 整体顶升安装，既可采用扣件式钢管脚手架，也可采用碗扣式钢管脚手架。两 者皆可组成不同的组架密度和不同的组架高度，能承受多种形式的荷载。扣件 式成碗扣式支撑架已广泛应刚于现浇混凝土土墙、柱、梁、楼板、桥梁、箱涵、 人行通道等工程施工中和大跨度钢结构的安装中。 3 1 2 临时支撑体系设计原则 施工临时支撑体系设计采用分项系数表达的以概率理论为基础的极限状态 设计方法，设计应符合“安全、经济、技术合理、施工便捷、确保质量”的要 求。 本设计原则适用于整个临时支撑体系，组成结构的构件以及地基基础，适 用于施工临时支撑体系的施工阶段和使用阶段。 根据施工临时支撑体系的使用特点和使用年限，以及当地类似工程的相关 经验，合理确定临时支撑体系的设计基准期，作为临时支撑体系可靠度设计所 依据的时间参数。 施工临时支撑体系在规定的设计使用期限内应具有必要的可靠度，其结构 可靠度可采用以概率理沦为基础的极限状态设计方法分析确定。 施工临时支撑体系必须满足下列功能要求： 1 、在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用； 2 、在正常使用时，可满足施工各项性能要求； 3 、在设计规定的偶然事件发生时和发生后，能保持必需的整体稳定性。 为了保证施工临时支撑体系安全可靠，除应进行必要的设计计算外，还应 对结构材料性能、施工质量、使用与维护等进行相应的控制。当缺乏统计资料 时，施工临时支撑体系设计应根据可靠的工程经验进行。 极限状态可分为下列两类： 一、承载能力极限状态 承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或变形超限不 适于继续承载的状态。 当达到或者超过承载能力极限状态时，结构或结构构件会有如下之一的表 现： 1 、刚体结构或结构的部分刚体失衡( 如倾覆等) ； 2 、材料强度不足而导致结构构件或节点因的破坏，或变形过度而能满足结 构或者构件的使用要求； 3 、不变结构体系转变为可变体系； 4 、结构或结构构件平面内或者平面外失稳( 如压屈等) 。， 二、正常使用极限状态 正常使用极限状态是指结构或构件满足其正常使用需要的极限状态。当有 以下情况发生时，可以认为结构不满足正常使用极限状态： 1 、结构发生过大变形影响正常使用； 2 、结构发生局部损坏影响正常使用； 3 、结构出现其他影响正常使用的情况如振动等。 设计施工临时支撑体系应综合考虑各种工况从而选取相应的荷载最不利组 合进行设计。 l 、设计承载力极限状态时，需要根据荷载作用基本组合的情况进行设计并 采取相应措施以考虑突发荷载如撞击荷载的作用。 2 、对正常使用极限状态选用荷载组合时应根据结构实际情况分别采用以下 的荷载组合： ( 1 ) 荷载标准组合，适用于超越某正常使用极限状态时结构将发生整体的 严重的难以修复的损害。 ( 2 ) 荷载频遇组合，适用于超越某正常使用极限状态时结构发生影响正常 使用的局部较大变形或者出现振动 通过下述极限状态方程来描述并分析临时支撑体系的极限状态： g ( x l ，x 2 ，x n ) - - 0 式中g ( ) 一一结构的功能函数。 x i ( i = l ，2 ，n ) 为基本变量，它包括作用在结构上的荷载效应，结 构几何参数以及材料性能等要素，同样也可以把荷载作用效应和结构抗力作为 综合的基本变量来进行结构可靠度分析；该变量为随机变量。 临时支撑体系按极限状态设计应满足下列要求： g ( x l ，x 2 ，x n ) 0 当仅有作用效应和结构抗力两个基本变量时，临时支撑体系按极限状态设 计应符合下列要求： r s o 式中s 一一临时支撑体系的作用效应； r 一一临时支撑体系的抗力。 在设计施工临时支撑体系构件时所采用的可靠度指标应综合考虑临时支 撑体系构件的实际情况包括其施工场地，使用要求，施工周期，结构重要性等 因素，结合相关支撑体系的历史设计经验来制定可靠度指标。 3 1 3 临时支撑体系设计步骤和设计思路 1 、判断是否采用钢结构作为施工临时支撑体系材料 钢结构通常作为施工临时支撑体系的主要材料，这是因为钢结构材料本身 的力学性能比较适合于临时支撑体系所要求的低成本高质量以及施工方便。其 作为临时支撑体系的主要功能是为主体结构构建施工平台，为建筑机械和材料 提供安放场地，为设备运输提供运输线路，钢结构高强轻便的特点很适合于作 为上述施工临时结构的主要材料。而且钢结构构件有着规格统一、易于安装， 轻质高强的特点；在施工完成要拆除临时支撑体系时，钢结构构件也可以回收 再利用，从而在最大限度上降低施工临时支撑体系的成本。 2 、临时支撑体系结构布置与选型 在临时支撑体系设计的过程中应该综合各方面历史经验以及实际情况进行 结构设计，特别是要注意临时支撑体系的结构选型与实际布置。对于一些复杂 问题，很难通过现有规范做出十分精确的分析与定性，这时可以通过对整体结 构与局部结构之间的几何位置、受力机制、破坏机理以及通过对已有的实验理 论与历史工程经验的归纳而达到近似的合理的结构分析，从而控制结构的布置 及细部构造措施。其布置应根据体系特征、荷载分布情况及性质等综合确定， 要做到刚度均匀，力学模型清晰。在临时支撑体系设计中应通过历史经验，现 场状况与理论分析来比较不同结构方案，从而得出最适宜的结构方案，该方案 应该简洁明了，受力机制合理，这样可以简化可结构分析阶段的力学分析运算， 同时为方便设计者分析机算数据是否合理提供依据，在受力合理的基础上也应 该兼顾经济实用，避免临时支撑体系过度浪费。在临时支撑体系造型的过程中， 同样应分别分析选用不同结构形式时对实际工程情况包括施工环境，施工进度， 主体结构的影响，选择低成本且施工方便的结构形式。 3 、截面设计 完成施工临时支撑体系选型及布置后，还需要初步估算临时支撑体系中的 构件截面，主要是对梁、柱和支撑等的截面形状和尺寸进行估算。轧制或焊接 h 形钢、槽钢等截面都可用于梁。根据荷载大小及分布与所选节点连接，其高 宽比通常选为o 0 2 0 0 5 。梁翼缘宽度由梁间侧向支撑的间距按l b 的限值确定， 也可以在垂直于翼缘和腹板的两侧加设横向加劲肋和竖向加劲肋。在确定了钢 梁截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中关于局部稳定控制的构造规 定预估。 柱截面通过计算柱长细比入预估，通常为5 0 入 l5 0 。根据轴心受压、双向受 弯或单向受弯的不同，可选择钢管或h 形钢截面等。 施工临时支撑体系构件截面形式的选择没有固定的要求，设计者不应拘泥于常 用截面而应根据构件的实际受力情况，施工场地要求，荷载大小与分布来合理 选择承载力符合要求且经济的截面。值得一提的是规范对截面的构造要求在不 同的结构形式下也不尽相同。 4 、结构计算 在施工临时支撑体系的设计中，体系结构分析通常采用线弹性分析方法， 必要时考虑p 效应( 重力二阶效应) 。 当下流行的有限元软件如a n s y s ，a b a q u s 均可就几何非线性及材料非 线性性能进行分析，这为更精确的结构分析打下了基础。值得一提的是，临时 支撑结构应尽量做到简洁明了，受力性能明确，传力简捷，所以我们通常对于 普通的临时支撑体系通过手算或者翻查力学手册来进行分析，而对非常复杂手 。 算难以解决的临时支撑体系进行有限元软件分析。通过结构设计软件和有限元 分析程序建模，得到复杂支撑体系的详细的结构分析结果，再根据经验及部分 手算结果对分析结果进行工程判定，来判断分析结果的有效性和可靠性。 5 、适用情况 二 在施工临时支撑体系设计的过程中，由于场地或者施工，荷载的要求，有 时支撑体系难免较为复杂，此时设计者应能正确使用结构设计软件，并综合工 程经验与部分手算结果对有限元软件输出结果做出“工程判定 。例如施工周期、 结构内力和变形等并且依此来决定修改计算模型重新分析或者根据实际情况对 计算结果进行修正。 设计者应根据工程状况和支撑体系选型来选择使用的分析软件，因为不同 的软件所最适用的体系也有所不同。此外，有限元软件所做出的工程设计计算 是一种近似的模拟计算，得到的并不是如弹性力学的精确解，通过有限元分析j 得出的近似解往往与精确解存在一定的差距，这种差距可以通过单元形状的细 化和单元数目的变多而减小。但是实际设计过程中，为了行之有效和去除冗繁 的计算，也会选用一些简化分析的假定，这时就需要采用一些结构设计经验和 结构概念，加上一些构造方法来确保结构的安全性和可靠性。在临时支撑体系 设计中。这种关于“适用条件、结构概念及构造 的定性分析较之力学分析更 为重要。 6 、构件设计 临时支撑体系结构构件设计主要包括材料选择和截面设计。 选择适合的材料是临时支撑体系的构件设计中的第一步，在实际工程中使 用较多的钢材是q 2 3 5 和q 3 4 5 。两者所适用的工程情况分别是当强度起控制作 用时，选用q 3 4 5 钢，利用其高强度的力学特性满足承载力极限要求；当稳定 性起控制作用时时，宜使用q 2 3 5 钢，利用其高延性的材料性能满足正常使用 极限要求。构件设计的第二步是进行构件截面设计。利用结构设计软件截面验 算的后处理功能，即在设计中不满足承载力或者正常使用要求的构件，会在加 大截面的基础上再验算，直到达到最终结果，这样可以确保所选用截面处于正 常工作状态不至于出现承载力、刚度不足或者截面性能浪费的情况。我们使用 这种截面优化设计功能的同时也应注意到： ( 1 ) 进行构件截面验算时，构件计算长度系数的取值可能有较大误差，导 致计算结果出现失真。为了避免这种情况的发生，需要设计者注意各构件的计 算长度系数，特别是对复杂节点连接结构或者有变截面的构件更应充分检查。 ( 2 ) 当初步预估的构件截面不满足强度或者刚度要求时，应对这两种情况 分别考虑。 ( d 当构件强度不满足时，一般通过加大钢结构构件厚度解决。再进一步， 加大翼缘厚度可以提高构件抗弯能力，加大腹板厚度可以显著提高构件抗剪能 力； 当构件变形超限时，如果还是采用加大构件厚度的方法的话效果甚小， 通常采用在满足施工空间要求的基础上加大截面高度的方法。 这两种优化方法适合用人工完成，计算机软件还不能很好的区分以上两种 情况，一般在临时支撑体系的实际工程设计中并不采用结构设计软件的优化功 能而是仅将结构设计软件的结果作为参考，更重要的是根据实际情况和理论分 析综合确定结构构件的截面。 7 、节点设计 根据临时支撑体系特点的不同，钢结构节点可以分为刚性连接、铰接以及 半刚性连接。这也是临时支撑体系设计的重要内容。常见的连接方法有焊接、 铰接等连接。 8 、图纸编制 临时钢结构设计图分设计图和施工详图两部分。 ( 1 ) 设计图 设计图是提供制造厂编制施工详图的依据。深度及内容应完整但不冗余。 在设计图中，对于设计依据、荷载资料、技术数据、材料选用及材质要求、设 计要求( 包括制造和安装、焊缝质量检验的等级，涂装及运输等) ，结构布置， 构件截面选用以及结构的主要节点构造等均应表示清楚，以利于施工详图的顺 利编制，并能正确体现设计的意图【4 1 1 。主要材料应列表表示。 ( 2 ) 施工详图 一 施工详图又称加工图或放样图等，深度须能满足车间直接制造加i t 4 2 】。 3 1 4 临时支撑体系设计主要内容和注意事项 ( 1 ) 结构造型与结构布置 ： 根据不同结构形式的特点，综合考虑荷载分布情况及性质等，合理选择结 一 构形式，确定结构布置。一般来说，临时支撑体系布置应力求简洁、对称、刚 度均匀、刚心与质心重合；力学模型清晰；尽町能限制大荷载或移动荷载的影 响范围，使其以最直接的线路传递到基础。 ( 2 ) 构件材料确定与截面选型 施工临时支撑体系构件材料选择和截面选型的原则是，充分利用已有材料 和资源，依据“安全、经济、合理、施工便捷 的原则，进行选择确定。 ( 3 ) 节点设计 连接节点可采用焊接，螺栓连接、扣件连接和碗扣连接等，按照等强度和 实际受力两种方法设计。 ( 4 ) 结构分析 对于施工临时支撑体系设计，应根据其结构特点、空间尺寸、作用荷载大 小及重要性，合理选择结构分析方法和分析内容，并对分析结果进行“工程判 定 ，以保证结构分析安全可靠。 2 、临时支撑体系设计注意事项 由于施工临时支撑体系的特点和使用功能不同于普通结构，因此其设计不 同于普通结构设计。进行施工临时支撑体系设计时，应注意：一 ( 1 ) 根据施工临时支撑体系的特点和使用功能其设计应符合“安全、经 济、技术合理、施工便捷、确保质量 的要求； ( 2 ) 根据施工临时支撑体系的特点和使用功能，综合考虑经济因素，在确 保安全的基础上，合理选择和确定作用荷载和荷载组合； 一 ( 3 ) 根据施工临时支撑体系的实际使用期、现场及周围环境状况、使用季 节、施工方案和施工工艺，合理确定基本风压、基本雪压和温度荷载； ( 4 ) 根据“适用条件、结构概念及构造”对临时支撑体系设计结果进行工 程判定，保证临时支撑体系的安全。 3 1 5 临时支撑体系制作安装和质量控制要求 施工临时支撑体系材料和构件的质量可采用一个或多个质量特征表达，在 结构设计与施工中，应对材料和构件的力学性能、几何参数等质量特征提出明 确的要求。 为进行施工质量控制，在各工序内应实行质量自检，在各工序间应实行交 接质量检查。对工序操作和中间产品的质量应采用统计方法进行抽查；在结 构的关键部位应进行系统检查。 一 在施工临时支撑体系使用期间，应保证设计预定的使用条件，定期检查结 构状况，并进行必要的维修，当实际使用条件和设计预定的使用条件不同时， 应进行专门的验算和采取必要的措施。 施工临时支撑体系主体结构的整体垂直度和整体平面弯曲的允许偏差应符 合相应规范和施工工艺的规定。 建筑结构用钢材及焊接填充钢材的选用应符合设计图的要求，其化学成分、 力学性能和其他质量要求必须符合国家现行标准规定。当采用其他钢材和焊接 钢材替代设计选用的钢材时，必须经设计同意。 3 2 本工程施工中的临时支撑体系 在本文所研究的5 区当中，主要是在刚架梁的吊装过程当中存在临时支撑 体系，如图3 1 所示。刚架梁主要从刚架弯弧段开始，由于运输超限，该弯弧 段必须分段运输。当构件到达现场后，根据吊机的性能，空侧弯弧段首先在地 面拼装成一根，然后进行吊装。 图3 1 刚架分段及临时支撑设置示意图 针对这种情况，为稳妥固定刚架的底节柱，我们在两边的分段点下方，即 钢柱上端拉设揽风绳，并用圆管柱作为刚性压杆支撑。而刚架上节柱分段点在 刚架圆弧梁的下端，由于没有有效的揽风绳固定点，故考虑采用刚性压杆在斜 柱外侧进行临时顶撑。在深化阶段统筹考虑现场吊装要求，在本段钢柱重心位 置以上，设置临时耳板，用以连接压杆。压杆底部支撑在临时硬化点上，并加 垫钢板，以方便固定和调节压杆。在刚架平面外方向，拉设揽风绳进行固定。 压杆结合揽风绳能够确保刚架柱吊装的稳定性。 对于钢架梁的吊装，我们拟在h 轴钢柱顶设置四肢格构式支撑架，支撑架 下端与楼面采用膨胀螺栓进行固定，上部拉设揽风绳固定。通过计算机进行放 样，精确定位支撑架顶面标高，并附加考虑可能攒在的支撑架沉降值( 主要是 接头缝隙) 。 综合考虑施工安全、便利、节约材料等因素，新桥机场临时支撑体系采用 四肢格构式结构、圆管柱支撑体系以及缆风绳协调工作的方案。揽风绳主要作 用是临时定位和固定结构构件的位置满足设计和施工要求，并保证平面外的稳 定，在实际分析过程中，由于不牵涉到直接的受力，因此只要保证其具有一定 的拉力强度即可。格构式桁架结构有着用料省、刚度大、重量轻、便施工等优 点，主要作用是支撑上部主体结构的重力荷载和定位构件标高位置。而压杆则 选择圆管柱作为支撑。 支撑位置则是根据实际拼装的分段点来确定的。圆管柱支撑作用在两侧的 斜钢柱顶部；格构式桁架支撑在吊装上部横梁时完成，其目的主要是承担上部 横梁及其他屋面结构的自重，承受荷载很大，所以其底部要作用在竖向承载能 力很强的钢管混凝土柱顶上，考虑到施工、受力、工厂加工等因素，支撑架选 择放置在靠近空侧的柱顶上。 本工程中大量用到支撑架和圆管支撑，下面就采用手算和有限元模拟两种 方法对支撑进行验算。 。 3 2 1 四肢格构式支撑架的手算计算 本工程使用的支撑架，拟在现场加工。其规格如下：截面2 m x 2 m ，每节 高度6 m ；节间采用m 1 4 螺栓连接。柱肢采用l 1 0 0 1 0 角钢，缀条采用l 7 5 x 6 角钢，对顶端集中受力部位杆件采用2 l 1 0 0 x1 0 双角钢。标准节截面设计如 图3 2 所示，格构式支撑架现场图如图3 3 所示： 标准节立面图标准节单片尺寸 图3 2 标准节截面设计 图3 3 格构式支撑现场图 考虑本工程最大支撑重量2 2 吨，由单个支撑架承担。考虑其设计荷载n = i 2 2 2 0 k n - - 2 6 4 k n ，附加弯矩考虑5 0 k n m 。支撑架考虑两端铰接，高度3 0 m ， 材质为q 2 3 5 b 。对标准节部分进行计算如下( 偏于安全考虑忽略支撑架顶端节 差异) ，材料的属性如表3 1 所示： 表3 1 格构式支撑架材料截面属性 截面类型 回转半径i x r a m 截面积爿册m 2 惯性矩j l d x m m 4 l 1 0 0x1 03 0 51 9 3 01 7 9 0 0 0 0 l 7 5 62 3 18 8 04 6 9 1 0 四肢格构换算长细比： 九晟= 九母= 卜等= 裟堋4k j u ) ”鲁= 等硼4k j u ) a = 4 4 = 7 7 2 0 m m 2 九丘= = 9 9 3 查表得吼= o 5 5 9 去+ 尚n 厂 吼么形工卜瓦f x ) 。 y 取1 3 = 1 厶= 2 ( o x + a y 0 2 ) = 2 ( 1 7 9 0 0 0 0 + 1 9 3 0 x1 0 0 0 2 ) = 3 8 6x1 0 9 脚坍4 w i x = - r z = 3 8 6 1 0 6m 掰3 以；= ( 7 t 2 哥a ) 3 1 4 2 2 0 6 0 0 0 x 4 x1 9 3 0 1 1 九x 2 1 1 x 9 8 4 2 = 1 4 7 2 2 k n 故支撑架压弯整体稳定 三鱼兰q q q + ! 兰兰q ：兰! q ： ：= 7 5 2 m p a 2 1 5 m p f - a a - _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ - _ _ _ 一1 r 。_ _ i - _ _ _ - - _ _ - _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ 。- - - _ _ - _ _ 。! 一 c o 5 5 9 7 7 2 0 3 8 6 1 0 6 1 - 0 5 5 9 旦1 1 4 7 2 z 满足规范要求。 缀材剪力： 矿= 笪 8 5 = 4 x 8 8 0 x 2 1 5 = 8 9 k n = 一= 8 5 x t = 兰= 一8 9 0 0 = 1 0 1 l m p a ，：= 1 2 5 m p a a8 8 0 。 满足规范要求。 3 2 2 圆管柱支撑的手算过程 刚架斜柱在吊装时需设置刚性压杆作为临时支撑。支撑高度最大高度为 1 2 m ，两端可靠约束固定。最大支撑重量按2 0 吨计( 刚架最大分段重量3 0 吨) 。 拟采用2 9 9 x 8 直缝焊管，参数如下： 2 7 - 查得q = 0 4 5 8 一n = 三9 塑旦q = 5 9 7 m p a 2 1 5 m p a 叫0 4 5 8 7 3 1 4 所以，刚架吊装时候临时支撑采用2 9 9 x 8 直缝焊管作为刚性压杆是能够 满足安全要求的。 3 2 3 有限元软件对于支撑架的验算 除了采用传统的采用传统的手算算法对支撑架进行验算，我们还可以利用 有限元软件对支撑进行模拟计算。比起传统的算法，有限元软件可以直观的反 应出结构构件不同位置的位移变化以及内力的分布情况。 本文采用有限元软件m i d a s g e n 对临时支撑架进行受力分析。m i d a s g e n 是为了能够迅速完成对结构的结构分析与设计而开发的“建筑及土木结构通用 的结构分析与优化设计软件 。g e n 是“g e n e r a ls t r u c t u r ed e s i g ns y s t e mf o r w i n d o w s 的缩写。 m i d