圆柱面巨型网格结构施工技术

圆柱面巨型网格结构施工技术

为了解决传统网格结构向全球转移的问题，以及长杆和大倾角的全球稳定性，提出了一种新的结构体系。这是一个巨大的网格结构体系。图1所示为圆柱面巨型网格结构,是由立体桁架交叉形成大网格的主体结构,然后在大网格中布置平板网架子结构而构成的一种新型结构体系。1主体结构下弦固定铰支结构假定图1主体结构跨度80m,矢跨比0.3;结构大网格数为4×4,杆件规格为ue788140×4.5,正放四角锥网架子结构的上弦网格数为9×9,高度1.2m,杆件规格ue78876×3,子结构以周边支承方式支承于主体结构上,设计确定的主体结构永久支座为两纵边上下弦固定铰支。该类结构的基本特点是:①主体结构可以作为独立结构承受外力,因此在施工过程中,可以考虑先对主体结构施工完毕后再施工子结构,也可以主体结构和子结构同时交叉施工。②圆柱面网格结构为对边支承,所以结构呈现单向受力状态,即上、下弦杆件基本上以受压为主,网格跨度方向杆件内力较大,而纵向杆件内力较小。1.1临时农业支架设置方式综合考虑脚手架的使用量及吊装设备的起吊能力,这里把结构中各立体桁架拱分2段进行地面组装,然后同时起吊左右段,在高空对接完成主桁架的安装;子结构采用分块吊装法进行安装。施工过程中,结构一般是先支承在临时支承上;另外,可将需设置的结构永久支座当临时支承看待。因此,施工中可考虑如下临时支承设置方式:①仅主体结构两纵边大节点区设置固定铰支座(见图2a);②主体结构两纵边大节点区设置固定铰支座,再在端部第1榀立体桁架拱大节点处设置平面外临时水平支承(见图2b);③主体结构两纵边大节点区设置固定铰支座,再在各立体桁架拱顶上弦点设置临时竖向支承(见图2c);④在图2b所示方案基础上,再在各立体桁架拱顶上弦设置竖向临时支承(见图2d)。1.2主体结构的安装顺序1)施工方案1吊装第1榀立体桁架拱;吊装第2榀立体桁架拱,同时安装1,2榀立体桁架拱之间的纵向立体桁架梁;依次吊装完成第3~5榀立体桁架拱和纵向立体桁架梁。在主体结构安装完成后,安装各分块子结构,施工顺序由内至外,安装顺序如图3所示。2)施工方案2主体结构施工顺序同方案1,子结构采用由外至内的顺序安装。具体次序为:1,4,5,8,9,12,13,16,2,3,6,7,10,11,14,15(子结构编号见图2a)。3)施工方案3主体结构施工顺序同方案1,子结构的安装次序为:1,2,5,6,9,10,13,14,3,4,7,8,11,12,15,16。即先安装完右半跨,再安装左半跨。4)施工方案4主体与子结构交替安装,即先安装1,2榀立体桁架拱和其间的纵向立体桁架,接着在其上安装子结构,然后交替依次完成整个结构的安装。2施工阶段的稳定性分析初始参考荷载为结构自重和施工活荷载,综合取1.2倍结构自重。2.1结构施工情况线性屈曲分析最终归结为式(1)所示的广义特征值问题,其特征值和对应的特征向量分别表征各阶临界荷载的大小及其相应的屈曲模态。式中:[K],[S]分别为结构弹性刚度矩阵与应力刚度矩阵;{φ}为位移特征向量(即屈曲模态);λ为特征值,即通常意义上的荷载因子。为寻求最简单的临时支承布置方式,先考虑仅设置主体结构两纵边上弦固定铰支。图4列出了此支承条件下,按方案2施工得到的结构几个关键阶段一阶屈曲模态。特征值屈曲模态可以大致反映结构稳定薄弱环节,通过图4中屈曲模态对比可知。1)在主体结构施工第1阶段即第1榀立体桁架拱安装阶段,立体桁架拱发生大的侧偏屈曲,最大侧偏发生在拱顶,两边对称(见图4a),临界荷载仅为3.45kN/m2,稳定性较差。因此在该阶段,宜增加立体桁架拱的平面外支承,防止平面外屈曲。2)在主体结构施工第2阶段即安装完2榀立体桁架拱和2榀桁架拱之间的4道纵向立体桁架梁,这时主要发生立体桁架拱平面内的、以拱顶为反对称的屈曲,即一边下凹、另一边上凸的屈曲;同时在桁架拱平面外发生小位移的侧偏屈曲(见图4b)。说明纵向立体桁架的安装,为立体桁架拱提供了平面外支承,提高了结构的稳定性,此时结构的屈曲临界荷载为16.45kN/m2,比第1阶段提高了约4.5倍。3)在主体结构施工第3~5阶段,结构失稳模态基本一致,主要以立体桁架拱平面内凹凸屈曲为主,几乎没有拱平面外的侧偏现象(见图4c),说明随着更多立体桁架拱和纵向桁架梁的安装,整个结构拱平面外的刚度越来越大,稳定性越来越好。各阶段屈曲临界荷载值也说明了这一点。4)当主体结构施工完毕,在子结构施工的6~8阶段,结构失稳模态以立体桁架拱平面内凹凸为主,不存在主体结构的侧偏屈曲,同时出现大节点区的扭转及立体桁架梁的扭转现象(见图4d);说明由于子结构的安装,相当于给主体结构立体桁架拱加入了许多中间约束,稳定性进一步提高,同时由于添加的部分子结构对立体桁架拱的影响,使整个主体结构中的桁架拱产生了不同步的平面内的凹凸屈曲,使得大节点区及立体桁架梁出现了扭转现象。而在子结构施工的9~13阶段,结构失稳模态完全一致,不再出现大节点区及立体桁架梁的扭转现象,说明由于内圈子结构安装完毕后,整个结构的刚度已经非常大,外圈子结构的安装不再对结构的稳定性有较大影响。2.2立体桁架拱受力分析沿用《网壳结构技术规程》JGJ61-2003的建议,仅考虑几何非线性,取全过程分析中第1次失稳对应的载荷为结构极限载荷。另外,本文结构非完全意义的单层网壳,因此这里不考虑初始几何缺陷的影响。分析可知,在同样的临时支承条件下,结构施工各阶段非线性失稳模态和图4所示一阶线性屈曲模态类似,这里不再列出。荷载-位移曲线可反映结构全过程受力性能,本文将以结构最大位移点为代表来考察其稳定性能。施工中第1阶段主要发生大位移的侧偏屈曲,而其他阶段以拱平面内的凹凸屈曲为主,所以第1阶段的全过程曲线取被安装立体桁架拱的顶点荷载-水平位移曲线,其他阶段则取结构最大竖向位移点为代表。图5为按方案3的顺序施工得到的结构施工过程中有代表性的6个阶段(主体结构安装阶段3个,子结构阶段3个)的荷载-位移全过程曲线。由图5可看出,在加载初期,荷载-位移接近线性变化,当荷载达到极限时(图中第1个临界点对应的荷载值),结构开始失稳。而且在不同施工阶段失稳时,结构极限荷载及其对应的屈曲位移相差很大:在施工开始阶段,结构的极限荷载很小而对应的屈曲变形很大,随着安装的进行,极限荷载逐步增大,且对应的屈曲位移越来越小,到安装完成的时候,结构竖向节点最大位移仅为15cm。因此,在施工初期,要加强临时支承的设置,特别是第1阶段,为了防止产生过大的水平位移,应该在立体桁架拱适当位置设置临时水平支承(见图2b);而在施工第2~4阶段,可考虑在桁架拱顶设置临时竖向支承。另外,在主体结构安装各阶段,达到极限状态后位移迅速加大,但曲线基本没有出现下降段(见图5a~5c),反而有一定的上升,说明在没有安装子结构的情况下,主体结构不会出现突然地跳跃失稳破坏。而随着子结构的进一步安装,结构达到极限状态后曲线出现了明显的下降段(见图5d~5f),说明子结构的安装使结构的刚度增大,一旦达到极限状态,结构将很难维持平衡,失稳时将出现突然破坏(但此时结构的极限承载力已很高)。2.3结构非线性稳定性分析施工中临时支承方式不同,结构的稳定性必然不同。本文先考虑设置以下几种主体结构临时支承方式:①两纵边上弦固定铰支;②两纵边下弦固定铰支;③两纵边上、下弦固定铰支。通过特征值分析及非线性全过程分析得到主体结构施工阶段临界荷载如表1所示。从表1可以看出,仅设置两纵边上弦支座,极限荷载最小,稳定性最差,而第3类支承形式极限荷载值最大,稳定性最好。在主体结构安装开始阶段,极限荷载最小,而随着施工的逐步进行,结构的极限荷载逐渐增大,稳定性逐步提高。另外,非线性极限荷载仅为线性屈曲临界荷载的80%左右,说明结构非线性性能较显著,有必要进行非线性稳定分析。结合图4,5及表1可知,主体结构施工第1阶段(第1榀立体桁架拱的吊装)结构的极限荷载很小,而且产生了很大的侧向屈曲位移,因此需给第1榀立体桁架拱设置一定的平面外水平侧向支承,才能保证其必要的稳定性,确保后续安装继续进行。考虑施工中可能情况,对第1榀拱结构设置几种平面外临时水平侧向支承,并进行稳定计算,结果如表2所示。其中,支承条件A为无临时侧向支承;B为在拱1/4跨处上弦设置2道水平侧向支承;C为在1/4跨及跨中上弦等距离设置3道水平侧向支承。各情况下拱端均采用上弦固定铰支。从表2结果可见,水平侧向支承的加入,使第1榀拱的极限荷载及稳定性大幅度提高。当在1/4跨及中间上弦节点等距离设置3道水平侧向支承时,拱的稳定性基本和施工第2阶段两平行拱及两拱之间的纵向桁架已安装时的稳定性相当,是最佳的拱平面外临时支承布置方式。但考虑到立体桁架拱顶节点距离地面太高,可不在拱顶(跨中)而仅在1/4跨设置2道水平侧向支承,结构稳定性基本能满足安装要求。另外,从分析结果可见,第2~5阶段结构的稳定承载力相当高,因此施工各阶段可不考虑在拱顶(跨中)设置临时竖向支承。2.4根据施工情况,各施工阶段的极限荷载值按方案2.同样在主体结构两纵边上弦固定铰支的临时支承条件下,在主体结构安装完后,依照前面的施工方案,考虑3种不同子结构安装顺序,计算得各施工阶段的极限荷载值,如表3所示。从表3可以看出,在同样的主体结构临时支承条件下,子结构按方案3的顺序施工时极限荷载值最小,施工过程中,各施工阶段的稳定性都最差。而按方案2的顺序施工,极限荷载值最大,施工过程中,各施工阶段的稳定性都最好,对结构施工最有利。因此,宜先对称安装靠近拱脚处的子结构、再对称逐步往上至拱顶依次安装其他子结构。3安装时的稳定性控制1)施工中,在主体结构两纵边设置上、下弦固定铰支座时,结构稳定性比只单独设置上弦或下弦支座有较大提高。2)相同临时支承情况下,在主体结构安装完毕后,不同的子结构安装顺序对施工中的结构性能有比较明显的影响,宜先对称安装靠近拱脚处的子结构、再对称逐步往上至拱顶依次安装其他子结构。3)施工过程中的结构非线性极限承载力仅为线性屈曲临界荷载的80%左右,几何非线性相差显著,因此需