大跨度空间钢结构合拢研究.docx
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大跨度空间钢结构合拢研究
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
摘要:
近年来,大跨度空间钢结构施工过程表现出诸多力学及技术问题,引起各国钢结构专家的高度重视,成为研究的热点,各种计算理论、方法相继出现。
国内许多学者专家针对大跨度钢结构,包括钢结构大型体育场、机场、会展中心等设施的设计、施工也提出了许多新设想、新理论,并在实际工程中做了大量的试验辅以论证,取得了一些成果,解决了部分实际工程问题。
本文对大跨度空间钢结构合拢技术进行了深入研究,系统阐述了大跨度空间钢结构相关的一些概念、施工方法、施工步骤、施工工艺、合拢线选择、合拢温度确定、温度检测技术、物理降温技术、合拢段长度和合拢口间隙确定方法、合拢段安装工艺、合拢焊接技术、合拢时间控制。
并以典型的工程——国家体育场为实例,详细阐述了大跨度钢结构合拢技术理论实际运用。
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力施工应力温度检测物理降温合拢间隙合拢焊接合拢时间卡马
Researchesonclosureconstructiontechnologyoflarge-spanspatialsteelstructure
Specialty:
Civilengineering
Masterstudent:
SongLin
Researchsupervisor:
ProfessorSuMingzhou
Abstract:
Inrecentyears,manyproblemsofmechanicsandtechnologyhaveappearedintheconstructionoflarge-spanspatialsteelstructure,andhavecaughttheeyeofexpertsallovertheworldtobecomeafocusofstudy;allkindsoftheoriesofcomputationandcomputationalmethodscomeforthoneaftertheother.Manyexpertsinourcountryalsoputforwardalotofnewideasandtheoriesrelatingtolarge-spansteelstructure,includingthedesignandconstructionofthesteelstructureintheprojectoflargestadium,airportandconferencecenter;theyhavedonelotsofexperimentsintheactualprojectstodemonstratetheirtheories;bydoingthat,theygotsomeresearchfindingsandresolvedsomeactualproblemsexistingintheprojects.Thisarticleresearchedtheclosuretechnologyoflarge-spanspatialsteelstructureindepth;andilluminatedsystematicallysomeconcepts,constructionmethods,constructionprocedure,constructionprocess,closureline,temperatureselectionwhenclosing,temperaturetestingtechnology,physicalcoolingtechnology,methodfordeterminingthelengthofclosuresectionandthegapofclosurejoint,installationtechnologyofclosuresection,closureweldingtechnology,controlofclosuretimerelatingtothelarge-spanspatialsteelstructure.Inaddition,thisarticletookthenationalstadiumprojectforexampletoilluminatetheapplicationoftheclosuretechnologyandtheoryoflarge-spansteelstructure.
Keywords:
large-spanspatialsteelstructure,closure,closuretemperature,closureline,temperaturedeformation,temperaturestress,constructionstress,temperaturecontrolling,physicalcooling,closuregap,closurewelding,closuretime,Karma
第一章前言
1.1国内外空间钢结构发展现状
1.1.1国内空间钢结构发展现状
当前,我国建筑业发展的总目标是:
提高建筑业的整体素质、生产工业与技术装备水平,达到在国际建筑市场中具有较强的竞争能力,并充分发挥建筑业在带动国民经济增长和结构调整中的先导产业地位,到2010年使建筑业成为名副其实的国民经济支柱产业。
建筑业要带动相关产业发展,加快发展钢结构工程是一个很重要的方面。
钢结构体系具有自重轻、安装容易、施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少等综合优势,与钢筋混凝土结构相比,更具有在“高、大、轻”三个方面发展的独特优势。
近年来,随着国民经济的飞速发展,计算机的普及和有限元分析方法的广泛运用,空间钢结构的得到了空前高速发展,空间钢结构造型越来越新颖,结构体系越来越复杂,采用了许多新材料和新技术,发展了许多新的空间结构形式,如空间网格结构(网壳结构、平板网架)、张力结构(悬索结构、双曲抛物面索网结构、膜结构或索-膜结构、整体张拉式索一膜结构、可开合结构),许多宏伟而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,为双跨,进深90m)[1],南宁国际会展中心展厅[2]、国家体育场、南京奥林匹克体育场[3]、郑州国际会展中心、北京首都国际机场新航站楼、广州新白云国际机场、广州新火车站、苏州国际博览中心、厦门海峡交流中心、烟台国际会展中心、中山博览中心、苏州国际博览中心、淮安市国际会展中心、湖南国际会展中心、郑州新郑国际机场、常熟体育场[4]等等已成为当地的地标和著名的人文景观。
可以这样说,空间钢结构技术的发展状况已成为代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。
国内在空间结构的研究方面也有近50年的历史,近20年来发展较快,特别是近十年来简直就是突飞猛进,空间钢结构在工程建设中得到空前的应用,如:
(1)国家体育场(图1-1)
国家体育场钢结构主要由三个部分组成,主结构(48个主桁架及24根组合柱)、屋顶次结构、立面次结构,主桁架围绕屋盖中心的开口呈放射形布置,与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25.8m2,钢结构量42000吨。
图1-1
(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接两拱脚的“弦”组成的大双“弓”,跨越南北看台前沿上空的跨度140m的悬索状钢管,覆盖整个看台上空的104根平行箱形梁及其间支撑形成的马鞍型壳和箱形梁后端的V形支撑共同组成的空间钢结构体系。
建筑面积约13万m2,钢结构总量12000吨。
图1-2
(3)郑州国际会展中心(图1-3)
钢屋盖为大跨度钢结构,由高度达到110米的钢桅杆与半径达到89.5米的圆形屋面共同构成,主桁架共有12榀,跨距为84米,整个钢结构中的重要受力节点均采用铸钢件,总建筑面积18.3m2,钢结构总量达7000吨。
图1-3
(4)北京首都国际机场新航站楼(图1-4)
本工程钢屋盖为大面积、大跨度双曲面抽空三角锥拴焊钢网壳结构,总用钢量8570吨,全长958m,宽度方向775m,屋顶最高标高42m,平面投影呈“人”字形,面积13万m2,按布局划分为指廊、主体、两翼三大部分,并在指廊和主体之间设有一道伸缩缝。
图1-4
(5)广州新白云国际机场(图1-5)
广州新白云国际机场主楼长325M,宽235M,其中平面又二片反向的圆弧形带组成,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上升到中间的41.9M。
主楼采用三角形钢管桁架结构,跨度为76.9M,桁架高度为5M,总用钢量2.1万吨。
图1-5
(6)广州新火车站(图1-6)
新火车站总投资130亿元(不含地铁),整体建筑包括主站房、站台无柱雨棚、高架车场、站台下停车场以及生产用房等,总建筑面积37.76万m2,其中客运用房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。
图1-6
(7)苏州国际博览中心(图1-7)
苏州国际博览中心屋盖为大跨度钢桁架结构,主桁架跨度90米,长129米,单榀重240吨,总建筑面积32.6万m2,钢结构量41000吨。
图1-7
(8)厦门海峡交流中心(图1-8)
建筑总面积为140036m2,钢结构跨度为44米,其中地下建筑面积28101m2,地上建筑面积111934m2。
具体包括A区会议中心,B区宴会厅、C区酒店、D区音乐厅以及其它建筑。
图1-8
(9)烟台国际会展中心(图1-9)
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间倒三角形拱架结构,支点高33米,宽75米,总建筑面积8.9万m2,钢结构量1.2万吨。
图1-9
(10)中山博览中心(图1-10)
中山博览中心由常年展厅、综合展厅、会议中心组成,建筑面积约为120000m2,钢管桁架最大跨度90米,建筑高度约为28米,钢结构量约18000t。
图1-10
(11)淮安市国际会展中心(图1-11)
本工程地上主体结构形式为带局部夹层的单层大跨空间钢结构,建筑最大长向尺寸有188m,最大宽度约160m。
建筑中部单层大空间部分为主展厅,高度约24m左右,跨度75m,主展厅四周布置有2个夹层,功能为商业、会议和设备机房,钢结构量约7000t。
图1-11
(12)湖南国际会展中心(图1-12)
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;钢结构量18900吨。
图1-12
(13)郑州新郑国际机场(图1-13)
郑州新郑国际机场屋面钢结构采用了四跨连续空间拉索(桁架)--拱梁组合结构方案。
其中第一跨为空间管桁架,第2、3、4跨采用空间拉索—拱梁,下弦拉索(桁架下弦)为上凹曲线,钢结构量5000吨。
图1-13
(14)国家大剧院(图1-14)
该工程中心建筑为一超级椭圆形半球壳体,壳体四周环绕巨大水池,使壳体犹如椭圆形珍珠半浮于水面。
壳体长轴为212.20m,短轴为143.64m,半竖轴为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成。
钢结构量6750吨。
图1-14
(15)常熟体育中心体育场(图1-15)
常熟体育中心体育场位于常熟市文化片区,该项目也是常熟市文化片区的主体工程和标志性建筑,体育场建筑面积46815m2,平面采用四心椭圆,南北向长轴190m,东西向短轴153.334m。
该体育场设计为管桁架结构,其中单片桁架最长达47米,最大悬挑达37米,钢结构总量为3500吨。
(图1-15)
1.1.2国外大跨度空间钢结构发展现状
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以上。
如1994年建成的美国亚特兰大“佐治亚穹顶”采用张拉整体的索穹顶[6],屋面采用膜材,跨度为240m×193m,施工安装极为简便;建成于1973年的美国新奥尔良“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世界上最大的网壳穹顶;建成于1988年的日本后乐园的大跨度充气穹顶结构,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情况。
这些大跨度结构的结构形式、计算分析方法、材料与施工技术都有相当高的水平。
1.2国内大跨度空间钢结构合拢技术研究历史与现状
随着各种新型复杂大跨度空间钢结构建设项目的增多,人们对大跨度空间钢结构的施工技术及施工过程中表现出的诸多施工技术问题愈来愈重视,国内的知名高校如清华大学、东南大学、同济大学、西安建筑科技大学等,协会如中国钢结构协会、空间结构协会、中国土木工程协会等,研究院如中国建筑科学研究院、中国建筑技术研究院等,大型钢结构企业如上海宝冶集团有限公司、江苏沪宁钢机股份有限公司、长江精工钢结构(集团)有限公司、中建三局股份钢结构公司等对大跨度空间钢结构的施工技术进行了一系列的研究和总结,从沈阳博览中心钢结构施工技术[7]、新家坡MEGA会展中心大跨度钢结构施工技术[8]、广州新白云国际机场大型机库钢屋盖结构的整体提升技术及提升设计[9]、国家大剧院特大型壳体钢结构安装施工技术[10]、南京奥体中心主体育场钢屋盖安装关键性技术研究[11]、首都机场T3A航站楼超大型网架结构施工技术[12]、沈阳奥林匹克体育中心体育场工程钢结构施工技术[13]、济南奥体中心体育场罩棚钢结构工程制作安装施工技术[14]、中山博览中心综合展厅大跨度钢结构施工技术[15]、上海浦东国际机场二期主楼钢屋盖系统安装工艺研究[16]、现代大跨度空间钢结构施工技术[17]等,愈来愈多的设计和施工人员已认识到安装技术及施工技术的重要性。
但大跨度空间钢结构合拢技术研究在最近3年才真正的开始,如温度变化对CCTV新台址主楼大悬臂合拢的影响[18]、大跨钢结构合拢与卸载研究[19]、国家体育场钢结构合拢施工技术研究[20]、国家体育场钢结构本体温度自动测试及分析报告(合龙阶段)[21]、国家体育场大跨度钢结构温度场分析与合龙温度研究[22]、国家体育场(鸟巢工程)主体结构合拢温度变形及内力模拟计算[23]、国家体育场钢结构合拢焊接整体降温预可研分析及方案[24]等,但均未对大跨度空间钢结构合拢技术进行系统的研究和总结,使得大跨度空间钢结构合拢技术滞后于工程实践。
1.3研究的目的意义
本文通过对大跨度空间钢结构合拢技术系统的总结和研究,期望能对大跨度空间钢结构合拢技术研究起到抛砖引玉的作用,并能指导实际工程,使得大跨度空间钢结构施工更加安全、高效和经济。
第二章大跨度空间钢结构合拢关键技术
2.1大跨度空间钢结构概念
所谓“空间结构”是对“平面结构”相对而言,我们日常所采用的梁、桁架、拱⋯⋯都属平面结构,一般说来,它所承受的荷载以及由此而产生的内力和变形都被考虑为二维,即在一个平面内,而空间结构的荷载与内力、变形则是三维的,即作用在空间内,它的结构分析也要考虑空间作用,用一般二维的假设无法得到准确的解答。
由于以上的特点,空间结构可以做到高效、经济、美观,它问世以来得到了迅速的发展。
空间结构的构件大部分都采用钢材,采用钢材作为建筑材料的空间结构叫空间钢结构。
空间钢结构通常包括空间网格结构和张拉结构两大类[25]。
空间网格结构是以多根杆件按照一定规律通过节点连接成三角形、方形、菱形等网格。
如果是平板形的就是网架结构,它包括两个平面的网格状杆件构成互相平行的上弦与下弦,中间以竖杆和腹杆相连接。
所有网架的节点均假定为铰接,即不能承受弯矩,网架的杆件也只能承受轴向拉力或压力,一般都采用型钢或钢管。
如果以多根杆件组成网格但形成曲线形就成为网壳结构。
它的曲面既可以是单曲的,如圆柱面,也可以是双曲的,如圆球面或双曲抛物面。
网壳可以与网架一样做成双层的,这时节点为铰接,杆件仅承受轴向力。
此外,由于具有曲率,网壳也可以做成单层,这时就需要刚接的节点,杆件也可以承受附加的弯矩或扭矩。
网壳所采用的材料与截面基本上与网架相同,虽然大小不一、形状各异,但杆件与节点却都是同样的类型并可重复使用,这种有利条件促使了许多标准化网格结构体系的开发与应用,并形成了工业化生产。
张拉结构包括悬索与膜结构,它们共同的特点是构件只能受拉。
悬索结构是以一系列钢索作为主要承重构件来形成不同曲面的空间结构。
钢索只能承受沿截面均匀分布的拉力,因此一般悬索屋盖的抗弯刚度很小,要依靠调整几何外形,对钢索施加预应力等措施来增强其承载力。
高强钢丝索、钢铰线或钢丝绳都可用来做成索,由于这些高强钢丝的强度大约是一般钢材的六倍,钢索的截面相对说来也要小得多。
膜结构是用薄而轻的建筑织物形成既承重又围护的曲线形空间结构。
在跨度较大时,膜都要用钢索加劲,它既可以用空气支承,也可以用一般的桅杆、框架或拱等钢结构支承,膜本身被绷紧而受拉。
如同悬索结构一样,膜结构只能依靠具有曲率的外形与施加预应力来承重。
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(两种或两种以上不同建筑材料组成)和杂交结构(两种或两种以上不同结构形式构成)。
这是一类结构跨度大、受力合理、刚度大、重量轻、杆件单一、制作安装方便的空间结构体系,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。
预应力大跨度空间钢结构[29]是把现代预应力技术应用到例如网架、网壳等网格结构、索、杆组成的张力结构、立体桁架结构等一类大跨度结构,从而形成一类新型的、杂交的预应力大跨度空间钢结构体系,其推广应用和发展前景是无比广阔的[30~32]。
预应力空间钢结构[33]一般可分为四类:
第一类是指双曲面悬索结构,第二类是指在传统的大跨度钢结构上施加预应力籍以改善其受力状态,扩大利用材料强度幅值,第三类是指利用钢索吊挂传统空间结构以对其形成中间弹性支座,改善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体系(如亚特兰大乔治亚长圆穹顶[35])。
预应力空间钢结构[29]包括有预应力网格结构、斜拉网格结构、索穹顶结构、张弦梁结构、弓式预应力钢结构等。
大跨度,目前国际国内还没有专门的定义,随着建筑新技术、新材料、新结构、新工艺的不断运用对大跨度的定义及理解也在不断的变化,本文中大跨度指跨度在50m及以上。
大跨度空间钢结构是指跨度在50m及以上的空间钢结构。
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
一方面,大跨度空间钢结构建筑为了保持钢骨艺术效果,钢构件往往直接暴露于室外或部分暴露于室外,一般不做保温隔热材料;在我国大部分地区属于温带大陆性气候,季节气温变化很大,冬季时钢构件的温度与室外气温基本相同,夏季时,在强太阳光的照射下,构件温度显著升高,冬、夏两季构件本体温度相差悬殊,随着温度的变化,结构本身将产生伸缩变形,但是由于大跨度空间钢结构结构体系的复杂性,这种变形往往受到外界边界条件的制约,于是这种变形就变成所谓的拘束变形和拘束应力,也就是我们通常所说的温度变形和温度应力;同时,由于大跨度空间结构平面尺度、跨度和工程量很大,结构安装一般需经历较长的时间跨度,大幅度的温度变化将在结构中引起很大的内力和变形。
另一方面,钢结构安装过程不可避免的存在安装误差,这种误差的累计对于大跨度空间钢结构而言必须通过对称安装、分块安装等施工工艺来消除,否则将对结构产生非常大的施工附加应力,严重影响工程质量,甚至发生大的安全事故。
因此,为控制施工过程的变形,减少结构安装过程中的安装应力、焊接内应力和温度应力等,在结构安装过程中,一般采用分块或分区段安装法,即先将各分段构件在高空依次拼接为若干个对称、均匀布置的独立板块或区段,然后再将各独立板块或区段连成一个整体,这一分块或区段连成整体的过程就叫做合拢。
2.3合拢关键技术
大跨度钢结构在施工过程中结合钢结构特点、现场空间平面具体布置、吊装资源及其性能参数等,确定总体施工工艺方案,从而确定是否采用合拢安装。
大跨度空间钢结构合拢关键技术包括(但不限于):
(1)合拢线选择;
(2)合拢温度确定;
(3)温度检测技术;
(4)物理降温技术;
(5)合拢段长度和合拢口间隙;
(6)合拢段安装工艺;
(7)合拢焊接技术;
(8)合拢时间控制。
2.4合拢线选择
在确定合拢线时,不但要考虑结构本身的受力和变形情况,同时还应考虑钢结构的整体安装顺序和主桁架(或主钢梁)的安装分段情况,尽量减少合拢点的数量,特别是合拢口的数量,以方便施工,减少合拢时的人员、设备及其它资源的投入,并确保施工过程的安全,保证工程质量。
对于由大跨度钢桁架拱组成的空间钢结构,一般合拢线可放在拱的跨中或1/3位置处;对于大跨度空间钢结构建筑,一般合拢线选择在建筑对称线处;且合拢段可采用散装方式进行安装。
2.5合拢温度设计
2.5.1合拢温度的概念
钢构件合拢时的平均温度即为合拢温度,它有别于合拢时的大气温度,它是结构使用过程中温度的基准点。
为降低结构使用过程中的极限温差,通常情况下,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。
2.5.2合拢温度确定原则
合拢温度确定原则如下:
(1)根据工程所在地附近气象台的历史监测记录确定极限最低与最高温度的取值。
(2)考虑全球气温变暖趋势,将极限最高、最低气温稍加提高。
由于全球气温变化是一个持续的过程,且气温变化存在区域性,不同的地点和地理位置具有不同的气温。
(3)根据工程设计实际情况,冬季结构本体的温度取室外大气温度,夏季按结构本体温度高于大气温度20℃考虑。
(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(也称为安装校准温度)。
在确定结构的初始温度时,首先需要考虑当地的气象条件,使初始温度接近年平均气温,使可进行施工的天数较多;其次要考虑施工进度计划与可能出现的变化,预留一定的允许温度偏差范围;三是结构合拢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。
2.5.3合拢温度的选取
通过对温度差异引起结构的内力效应、太阳辐射吸收系数ρ的影响因素以及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,从而确定了结构各区域内构件的辐射温度,明确提出大跨度结构的合拢与合拢温度要求,并根据历史气象温度
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