大跨度空间钢结构合拢研究

5 第二章空间钢结构施工组织技术 3.4钢结构的基本施工顺序 空间钢结构合拢技术研究专业：建筑工程学生：岳洪滨指导教师：胡白香教授关键词：大跨度空间钢结构合拢合拢温度合拢线温度变形温度应caughttheeyeofexpertsallovertheworldtobecomeafocusofstudy;allkindsoftheoriesofcomputationandcomputationalmethodscomeforthoneaftertheother.Manyexpertsinourcountryalsoputforwardalotofnewideasconstructionofthesteelstructureintheprojectoflargestadium,airportandilluminatedsystematicallysomeconcepts,constructionmethods,constructionprocedure,constructionprocess,closureline,temperatureclosing,temperaturetestingtechnology,physicalcoolingtechnology,methodinstallationtechnologyofclosuresection,closureweldingtechnology,controlclosureline,temperaturedeformation,富有特色的大跨度钢结构建筑如北京首都机场的四机位机库（跨度153m，为双屋面及立面的次结构一起形“鸟巢”的特殊建筑造型。国家体育场建筑面积约（2）南京奥体中心体育场（图1－2）南京奥体中心体育场屋顶组合钢结构为由跨越东西看台上空的变断面三角桁架拱（跨度372.40m,矢高64m，与水平面倾斜45o）及穿越比赛场地的地下连带组成，主楼的屋盖为近似的几何球形，巨形柱的柱顶高度又东西二端的21M房17.93万m2，站台无柱雨棚19.85万m2。新客站的建筑总高度约为50多米，中部有一个64米大跨拱形结构。烟台国际会展中心屋盖钢结构是由弧形钢管桁架与圆管支撑杆件组成的空湖南国际会展中心上部屋盖结构形式为巨型空间管拱架及空间檩架加型钢檩条的形式，下部为大跨度钢框架结构。主要结构件为钢柱、平台梁、桁架梁、拱架、檩架等。总建筑面积95638m2；钢结构（13）郑州新郑国际机场（图1－13）46.285m。外壳体系为全钢结构，由中心环梁、梁架、斜撑和环向连杆等构件组国外发达国家在大跨度空间结构方面发展较快,结构形式丰富(包括张拉整体结构、薄膜结构、网壳结构、悬索结构、网架结构及各种结构的杂交形式),而且跨度大、结构复杂[5]。美国、日本等有不少网壳和薄膜结构跨度已达200m国新奥尔良“超级穹顶”采用球面双层网壳,跨度达207m,该网壳穹顶至今仍为其直径达204m,该充气穹顶采用了一系列高科技控制手段以适应各种外部天气1.2国内大跨度空间钢结构合拢技术研究历史与现状 结构形式的多样化[26]应该是空间结构最突出的优点之一，空间结构能以其丰富的外形来满足使用功能与建筑功能的要求。大跨度空间钢结构[27]主要是指网架、网壳结构及其组合结构(两种或两种以构体系，但文献[28]指出，根据中国的经验，采用中间支承的杂交体系悬索屋盖有时不一定经济，其耗钢量和造价都比较高。承重结构的边界条件（如慕尼黑奥林匹克公园滑冰馆[34]第四类是指整体张拉本文所指的大跨度空间钢结构包括董石麟院士所指的大跨度空间钢结构外还包括预应力大跨度空间钢结构。2.2合拢的概念合拢段可采用散装方式进行安装。2.5合拢温度设计合拢温度取结构使用过程中的极限最高温度与极限最低温度的中间值。（2）考虑全球气温变暖趋势，将极限最高、最低气温稍加提高。由于全球（4）对于大跨度结构，通常将主体结构合拢时的温度作为结构的初始温度尽量设定在结构可能达到的最高温度与最低温度之间，使结构受力比较合理。降低太阳辐射温升的措施进行了分析，统计得到结构各区域构件的太阳辐射照度，合理地确定了温度场计算采用的各种参数及室内外风速及相应的热传导计算边界条件。采用有限元法计算了构件各表面的辐射温度与构件的平均辐射温升，温度应力的计算是大跨度钢结构设计的核心问题[36]，因此，施工过程中实采用干湿式温度计测量大气温度和湿度，红外线测温仪测量钢结构本体温-5℃~+120℃,测试精度为±1℃。自动测温系统一般由三个子系统组成，即：4200J/kgK。钢材的比热约为水的11％。数据表明，每约（4）对结构进行施工过程跟踪模拟计算[37],分析不同的温度分段以及由不（3）为确保合拢口在施工过程中因温度变化而自由伸缩，合拢口采用卡马杆截面为1200mm×1200mm～1000mm×1000mm，下弦杆截面为1000mm×1200mm~设计要求，主桁架的合拢温度为14℃±4℃,立面结构与顶面次结构的合拢温度相当于15℃~23℃;（2）次结构合拢温度：19℃-8℃~19℃+4℃,相当于11℃~23℃;（3）设计合拢温度为钢结构的平均温度，在合拢时钢结构应尽量做到温对于大跨度钢结构工程，结构本身因自重和温度变化均会产生一定程度的北（2）分段安装24根桁架柱、立面次结构及立面楼梯，并采取有效措施保证合拢线确定如下:（1）主桁架沿屋盖环向设置四条合拢线，主桁架的合拢线充分利用钢结构（2）为保证整个结构的合拢，立面结构与顶面次结构沿屋盖环向在与主体钢结构合拢断面相应的位置设置四条合拢线。（3）安装时，合拢线处所有钢结构杆件均断开，采用卡马临年极端最低气温为-27.4℃;年平均最高气温为30.8℃,年极端最高气温为（3）对于大跨度结构，结构安装完成后，环境温度变化将在结构中引起内钢结构初始温度（钢结构合拢温度）：14.0℃±4℃,相当于10℃~18℃。由于国家体育场设计联合体在进行国家体育场钢结构修改初步设计与施工图设计过程中，均将《国家体育场（2008年奥运会主体育场）建筑概念设计方的气候及气象条件作为设计条件，而并非国家体育场周边地区的气候与气象条高气温调整为41.6℃,并将钢结构合拢温度与要求相应调整如下：19℃-8℃~19℃+4℃,相当于11℃~23℃。系，测试点的布设尽量分布于整个屋盖区域。温度测试共布设60个测点，其中：顶面桁架36个测点，分别布置于T5A、测试数据表明，钢结构本体在三天合拢日的温度平均值分别于夜间22:00气温标准线1标准线2平均值气温平均值标准线1标准线2顶面结构温度曲线图卡马加劲板卡马加劲板根据安装和合拢过程中卡马的最不利受力情况，卡马设置（图3－8）要求缘的卡马焊接固定在已装主桁架牛腿上外，其它卡马均焊接固定在合拢段端口加劲板加劲板合拢段卡马卡马已装主桁架卡马雨量和气温的高低变化情况都做出了非常准确进行合拢相关工作的检查和确认，如合拢准备工作的检查与合拢时段的确认。（1）温度监测单位提交温度监测结果，钢结构分（3）初步合拢时间确定后，各相关人员各就各（4）对于立面次结构和主桁架，因同一垂直位置上存在多点焊接现象，为（2）卡马割除时，先统一割其中一端，然后再统一割另一端。先割除上下翼缘图3－9合拢计算时采用的主结构计算模型图3－10合拢计算时采用的主结构计算模型(左视图)图3－11合拢计算时采用的主结构计算模型(前视图)图3－12合拢计算时采用的主结构计算模型(轴测图)模型，其刚度采用塔架的轴向刚度EA/l。2)采用悬臂梁模型，梁的面积与惯性图3－13支撑塔架的等刚度单杆模型(不同颜色代表不同的截面)图3－14支撑塔架的悬臂柱模型(带联系桁架)图3－15支撑塔架的整体计算模型图3－16三个阶段的平均安装温度节无支撑，接口无连接图3－17有支撑且接口Z向耦合时的接口相对变形情况(变形单位为m，变形放大60倍)温度应该是高温40℃、低温18℃,引起的变形最大。考虑到实际上要与恒载工(表中带*号部分)。第三阶段第三阶段25.5~27.6℃-9.6℃-8.6℃-7.6℃-6.6℃-5.6℃安装阶段安装温度升温温差低温温差第二阶段-2℃-1℃第一阶段39℃40℃*18℃*19℃20℃21℃支撑塔架的计算模型主要采用悬臂柱模型，但首先将在最不利的温差情况下，对前两种支撑塔架模型（图3－19、图3－20）进行对比，对比时将仅图3－19支撑塔架采用单杆时的整体计算模型高温比较(高温比较(mm)低温比较(mm)单杆模型悬壁柱模型单杆模型悬壁柱模型-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图3－23温度变形情况(截面模型)图3－24接口单元的温度变形情况选取一个合拢区域的上弦和另一合拢区域的下弦，将其单元的内力列表如力矩(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轴力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典型单元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起点终点起点终点起点终点起点终点起点终点起-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)起点终点起点终点起点终点起点终点-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轴力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起点终点起点终点起点终点起点终点起点终点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单元maxminELEM起点终点起点终点起点终点起点终点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起点终点起点终点起点终点起点终点起点终点-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