基于空间双曲斜交双层网壳结构的双曲造型设计

基于空间双曲斜交双层网壳结构的双曲造型设计

1项目总结1.1训练馆建设模型该项目位于陕西省榆阳区桂林职业技术学校校园西南角，由三个个体组成。如图1所示，有三个体育室：竞赛室、体育训练室和游泳训练室。总建筑面积29188.35m²，其中竞赛馆和热身训练馆屋盖为空间非对称Nurbs双曲斜交单层网壳结构，本文以竞赛馆为例进行介绍。1.2d900mm25mm网壳出气管网竞赛馆屋盖网壳杆件均为矩形管截面，截面高度400mm～1000mm不等，外圈为D900mm×25mm圆管。网壳起始点标高为+10.900m，最高点标高为+42.167m。竞赛馆屋盖支撑钢柱呈椭圆形布置，其外轮廓尺寸为78.6×98m，最大悬挑为16.367m，如图2所示。2施工方案2.1加折板弯扭节点设计竞赛馆屋盖是由箱型钢梁组成的空间网壳结构，经纬线方向上的梁在每个节点位置通过空间上不断旋转而达到建筑效果。由于屋面网壳为非对称结构，其经线及纬线上的梁也为非线性变化，因此导致在几千个经纬线节点交叉的位置，箱型钢梁均需要不断地扭转角度。钢结构从室内看均为外露，为达到建筑效果，要求每个节点位置的四根箱型杆件底面均指向球心，整体弯扭无疑是最好的实现方式，但相应的加工成本及工期会受到很大的影响。为此本文根据项目特点，提出了以标准直杆件加折板弯扭节点来实现空间双曲造型，该方法的核心技术是找到四根杆件的拟合法线以及折板弯扭节点的设计。当两根直杆件相交时，相邻的两根箱型梁存在截面扭转，所以必须在每个节点位置设计一个过渡节点，过渡节点深化加工成弯扭杆件，每一根弯扭构件由4块弯扭钢板组合而成2.2加工焊接过程构件加工最大的难度在于过渡节点的加工及主杆件的组拼，过渡节点起到承上启下的作用，本工程通过四块钢板的折弯来实现过渡节点的制作。箱型截面的四块钢板均有不同角度的折弯，在加工过程中需仔细记录，在拼装过程中也必须严格按照零件编号组装，如图4所示。过渡节点之间均为直杆件，为减少现场施工工作量，在工厂内将过渡节点和直杆件组拼成长度约12m的主杆件，主杆件具体分段位置需根据现场支撑胎架的布置而定。因构件是通过折弯过渡节点来实现双曲，根据其结构特点，采取合理的拼装顺序在焊接前复测杆件顶部各个角点坐标，确认无误后开始焊接。单根杆件焊接量非常大，应从焊接顺序上最大限度释放焊接应力，降低焊接变形对构件几何尺寸的影响。单根杆件焊接时采用两名焊工同时对称施焊，整个施焊过程保证焊接电流、电压及焊接速度尽量一致，先焊接过渡节点与主杆件腹板焊缝，然后焊接翼缘板焊缝，如图6所示，最后焊接次梁与过渡节点焊缝。焊接完成后，用全站仪对两端部控制点进行复测，复测无误后方可脱胎。2.3补档次杆件安装采用分片拼装及吊装的方式进行安装构件上胎前，首先用水准仪对胎架进行抄测，保证平台的平整度主杆件定位结束后开始安装补档次杆件，由于补档次杆均与过渡节点相连接，同时其底面存在一定角度的倾斜度，故在过渡节点加工过程中，根据补档次杆件的具体位置设置定位孔，现场安装时以定位孔为控制点，提前焊接角钢作为限位及临时支托，如图9、图10所示。2.4施工难点竞赛馆屋盖造型类似草帽，在帽前端跨度较大，为方便现场施工，整个竞赛馆内圈布置三圈半胎架，每个胎架顶部设置两个支撑点，分别支撑在两根主杆件下部，胎架最宽的为4m，最窄的为1.5m，给现场施工带来了一定的难度。外圈悬挑布置一圈支撑胎架，如图11所示。支撑胎架用杆件沿环向水平连接，形成环形支撑体系，增加临时支撑胎架的整体稳定性，同时抵抗安装过程中因结构自重增加产生的水平推力。单钩吊装的构件均为双曲造型，因此同一个胎架上的两个支撑点存在较大的高差，考虑到胎架自身的安全性，将胎架顶部设计成台阶型胎帽，卸载装置布置在胎帽顶部的转换梁上，并通过型钢将卸载装置固定在胎帽上。卸载装置顶部设计为凹槽型支撑装置，安装时该支撑装置刚好支撑在箱型截面主杆件的角部，以控制其位移及空间角度，如图12所示。2.5确定压力环的安装方向和要求整个竞赛馆为螺旋体交叉上升，构件分两个方向倾斜，最大倾斜度分别为71°、63°，在最后封顶安装时难度极大。吊装单元单钩重约25t，安装时采用四点吊装，配置三个10t导链调平，每个导链均设置一根保险绳。吊装前计算好每根钢丝绳的长度，在地面将构件调整至安装状态，并复测每根主杆件之间的高差，调整好角度后即可起吊安装，如图13所示。第一圈构件安装时，一端搭设在支撑胎架上，另一端通过卡板固定在环梁上，调整完成后对靠环梁位置侧焊缝及时进行焊接，焊接时由两人对称进行施焊，避免因焊接的不对称变形而导致端头的控制点发生改变。在安装过程中，因杆件自身受力变形，在松钩后会导致其空间位置发生一定的变化，故在第一榀构件松钩前后用全站仪对箱型主杆件端头顶部中心点坐标进行测量比较，总结其变形规律，以便在下一榀安装时进行适当的预偏校正。第二圈安装时仍以其端头顶部中心点坐标作为控制点，从而将误差消化在圈与圈之间的接头位置，以避免累计误差。补档次杆件为倾斜状态，地面主杆件拼装好后即在侧边焊好限位支托，以方便高空补档次杆件的快速准确就位。次杆件吊装时需配置两个导链来调整其倾斜度，如图14所示。顶部压力环因内部杆件牛腿多达48个且倾斜度非常大，故支撑点无法布置在胎架中心，只能布置在胎架的一个侧边，胎架截面规格为2m×2m。压力环构件出厂前在工厂内需进行预拼装，现场地面分组拼装好后，在压力环的每个牛腿角点位置贴设反光片，用以高空控制斜牛腿的空间定位，如图15所示。竞赛馆内圈结构安装完成后开始支撑胎架的卸载，卸载完成后进行外圈悬挑结构安装，最大悬挑长度为16.367m。其中，整体吊装部分在地面拼装成整体，然后进行安装，散装的杆件在地面拼装成梯子型，然后进行安装，其安装方法与内圈构件安装一致。为方便安装，在每根悬挑梁底部布置一个胎架，如图16所示。2.6试验馆屋盖卸环境分析及过程模拟过程屋盖安装过程中受力与设计状态完全不一样，整个结构体系是一个逐步建立的过程，因此对施工过程中的若干关键工况进行计算，对可能发生的不利因素进行提前预警，以保证结构施工的安全运用Midas有限元软件对胎架卸载施工过程进行模拟分析，得出内圈屋盖卸载完成后变形值最大达到161mm。因竞赛馆胎架卸载值较大，支撑点较多，故本项目采用分区分级同步卸载竞赛馆屋盖悬挑位置卸载方式与内圈一致，卸载值根据计算而定，每一级卸载值为2cm。卸载前先在支撑点上方的箱型杆件上贴设反光片并测量其三维坐标，同时在H型钢支撑杆上每2cm画一道标记线，卸载时严格按照标记线进行切割。在卸载过程中通过观测反光片实时监测，以判断钢结构在卸载过程中与理论计算值的偏差情况，每卸载一步都要有详细的监测记录。整个支撑胎架卸载完成后将实际变形值与理论计算值进行对比，最终卸载完成后实际变形与理论计算值基本一致，如图17所示（变形最大处理论计算值为161mm，实际变形值为169mm）。3单层网壳屋盖施工技术本文以榆林市职业技术学院体育馆项目竞赛馆的空间非对称nurbs双曲斜交单层网壳屋盖为研究对象，从详图深化、地面拼装、高空散装、卸载等全方位地介绍了单层网壳屋盖的施工技术，并形成了一系列的创新点，解决了施工过程中的各种难题，优化了施工措施，降低了施