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当期目录

2020年  第35卷  第10期

施工技术
杭州奥体中心亚运三馆体育游泳馆施工关键技术
周观根, 谢董恩, 游桂模, 赵国伟
2020, 35(10): 1-8. doi: 10.13206/j.gjgS20060303
摘要:
杭州奥体中心亚运三馆的体育游泳馆为2022年杭州亚运会比赛主场馆,场馆分为体育馆功能区、中央大厅和游泳馆功能区,整个屋盖通过中央大厅将两大功能区屋盖连成整体。其中体育游泳馆钢屋盖采用斜交斜放双曲双层网壳结构,中央大厅屋盖为斜交斜放异形曲面单层网壳结构,体育馆和游泳馆的东西两侧各设有一个单层悬挑网壳结构,其中游泳馆和体育馆屋盖又可分为双层网壳、单层网壳、分界桁架、门拱桁架等。钢屋盖构件形式多样、节点复杂,主要由"L"形截面的弯扭异形截面梁、变截面箱体弯扭构件以及"鼓"节点等组成。钢屋盖具有造型复杂、跨度大的特点,同时项目施工周期紧、专业繁多、质量要求高。
介绍了钢屋盖在深化设计、加工制作、现场安装及数字化信息管理等各阶段的施工重难点,即整个结构在施工过程中施工环境复杂、构件和节点深化加工难度大、安装位形控制难、高空作业多和焊接质量要求高。重点阐述了双曲网壳屋盖施工阶段的关键施工技术及方法。采用"信息化组织管理,过程穿插、限时限地"的施工组织解决了大型体育场馆各专业交叉施工难点;"大型行走式塔吊分块吊装,结合局部液压整体提升"的双重施工方案,解决了项目工期紧、质量要求高的难点,同时实现了大吨位塔吊在楼面作业、楼面弧形行走的关键技术;"楼面多点拼装、高空局部对接"的作业方法解决了全焊接结构的应力过于集中,确保结构的高质量及安全的低风险性;异形曲面结构测量定位及安装技术,实现了由弯扭构件组成的全焊接连接单层异形曲面屋面的安装精度;有限元分析软件对结构安装、合龙及卸载全过程的仿真分析所得出的数据,为施工过程控制提供了充分的科学依据,通过对模拟理论数据与实测数据进行对比分析,验证施工技术的可行性。所阐述的施工关键技术通过理论与实践相结合,解决了杭州奥体中心亚运三馆体育游泳馆钢屋盖施工技术难题,结果表明施工安全可靠,质量满足规范和设计要求,实现了"绿色、智能、节俭、文明"的办会理念。
杭州奥体中心亚运三馆体育游泳馆施工过程分析
游桂模, 谢董恩, 周观根, 郭丁鑫
2020, 35(10): 9-14. doi: 10.13206/j.gjgS20060302
摘要:
杭州奥体中心亚运三馆体育游泳馆钢屋盖可分为游泳馆屋盖、中央大厅屋盖和体育馆屋盖三个部分,采用大跨度斜交斜放单层和双层网壳结构体系,其中游泳馆和体育馆屋盖又可分为双层网壳、单层网壳、分界桁架、门拱桁架等,中央大厅屋盖可分为单层网壳和2个斗形体结构。钢结构屋盖跨度大、造型复杂,钢结构构件以箱型弯扭构件为主,钢屋盖安装采用"大型行走式塔吊分块吊装与局部液压整体提升"的施工方案来完成钢结构屋盖的施工。
首先介绍了钢结构安装的总体思路,将钢结构分为三大区和5个施工分区,吊装区和提升区进行交叉施工并最后进行分区卸载。其次应用MIDAS软件中的累计模型分析方法,变截面构件采用梁分段模拟,对钢结构安装和拆撑卸载进行全过程仿真分析,重点阐述各施工分区安装和卸载过程的控制工况的应力和变形,分析了各阶段的最大应力和最大变形,并与设计状态下的应力和变形进行比较,钢结构在卸载安装完成后其应力和变形满足JGJ 7-2010《空间网格结构技术规程》的要求,能够保证施工过程的安全。然后通过选择游泳馆、体育馆和中央大厅跨中弦杆作为应力的控制单元,以及1/2跨和1/4跨的结点作为竖向变形的控制点,对施工过程中应力和变形进行全过程分析,发现游泳馆、体育馆以及中央大厅控制单元的应力和控制点的变形在拆撑卸载过程中变化较大,其余施工阶段对它们影响较小。最后对体育馆和游泳馆中间提升区域的提升施工进行分析,发现:杆件应力比较大的区域发生在提升点附近,当拆撑卸载后其应力比降低,满足施工安全要求。施工全过程仿真分析结果验证了施工方法的可行性,整个施工过程的应力和位移响应均满足施工的安全要求。由于游泳馆、中央大厅以及体育馆三个单体的结构边界刚度较大,施工过程相互影响较小,验证了分区安装和分区卸载的施工方法可行性。
杭州奥体中心综合训练馆钢结构施工关键技术
何伟, 谢董恩, 郭振华, 周观根
2020, 35(10): 15-21. doi: 10.13206/j.gjgS20060304
摘要:
杭州奥体中心综合训练馆为2022年第19届杭州亚运会场馆之一。其地下钢结构具有构件重、截面形状特殊、施工条件复杂等特点;地上主楼外筒采用与地面呈56.3°交叉编织的斜交钢管网格柱,网格柱直径大、数量多、构件重、现场定位难度大,特别是斜交网格节点的构造和受力复杂,存在较多的隐蔽焊缝和小夹角相贯焊缝,给加工焊接和现场安装带来很大困难。
结合其结构形式、工程重难点与施工现场实际情况,详细阐述了施工过程中的重难点及相应的解决措施。通过与土建施工密切配合、优化土建钢筋排布而减少钢结构与土建钢筋的干涉、合理组织施工顺序等措施解决了多专业交叉施工的影响;在复杂的施工环境中开辟了满足施工要求的环形施工道路;运用科学的吊装方法和稳定的临时措施保证结构在施工过程中的安全;采用了"计算机辅助全站仪"的数字化测量技术控制构件安装精度;在深化设计过程中通过大量的分析试验和研究,对斜交网格节点的焊接要求做了创新性的优化,并通过有限元分析验证了优化方案的可行性;利用计算分析软件对钢结构施工过程进行了有限元仿真分析,根据仿真分析结果,确定钢结构施工过程中需重点监测的部位与环节,根据施工过程中悬挑部位构件的应力和位移,确定了以优先拆卸最不利支撑的原则逐点分级拆卸悬挑支撑。上述方法成功运用在该项目上,为类似钢结构工程提供了一定的参考和借鉴。
大跨度马鞍形单层正交索网结构定长索施工设计与安装技术
张晋勋, 高树栋, 王泽强, 王中录, 张怡, 张雷, 冀智
2020, 35(10): 22-28. doi: 10.13206/j.gjgS20032702
摘要:
国家速滑馆工程大跨度马鞍形单层正交索网结构是目前世界上类似工程中跨度和规模最大的索网结构,拉索规格和内力都较大,承重索和稳定索均采用双索设计,拉索提升、张拉难度大;另外,拉索提升、张拉过程中,环桁架支座只有竖向约束,水平可滑动,环桁架外圈幕墙索被动张拉,施工设计与控制难度大。如何解决这种可变边界条件下大跨度马鞍形单层正交索网结构提升、张拉施工,是国家速滑馆工程施工的关键,直接关系到工程能否按时竣工。
针对这一现状,从拉索定长设计、安装误差消纳、索网编织方法、施工过程仿真分析、提升与张拉施工等方面进行了系统研究,提出拉索定长安装、索网提升初期可适当放宽同步性要求、索网张拉阶段采用等位移同步张拉成形等理念,研究总结出包括拉索定长设计方法、可调节套筒安装误差消纳方法、支座预偏值设计、施工仿真分析、地面编网和分阶段、分步骤、等位移整体提升张拉成形等技术的大跨度马鞍形单层正交索网结构成套施工设计与安装技术。该技术破解了索网结构对施工误差特别敏感的技术难题,成功指导了国家速滑馆索网工程施工,保证了国家速滑馆工程的顺利进行。
科研
张弦结构健康监测传感器布置优化方法
亓玉台, 许庆
2020, 35(10): 29-33. doi: 10.13206/j.gjgS20032701
摘要:
传感器布置方案设计是结构健康监测中最为基础性和关键性的环节,好的传感器布置方案,既要满足结构健康监测的要求,尽可能地减小噪声等误差因素的影响来得到结构的真实响应,又要满足现场环境的要求,还需要尽可能地降低成本。
针对此问题,提出了一种基于模态置信矩阵的传感器优化布置方法。根据结构的模态振型矩阵,计算得到结构的模态置信度矩阵。基于模态可观测原则,选取模态置信矩阵中非对角元最大值作为评价标准,采用迭代的方法对传感器的布置方案进行优化。具体操作步骤为:1)确定结构健康监测所需要识别的模态数以及所需传感器的数目,根据现场环境确定所有可采取的测点位置;2)选取一组初始传感器测点布置。初始传感器测点布置方案可根据经验确定,初始传感器个数应略少于待识别模态数。计算该组测点所对应的模态置信矩阵并记录其对应的最大非对角元的值;3)在剩余可选测点中选取一个测点增加到当前测点布置方案中,计算新测点方案对应的模态置信矩阵,同时记录模态置信矩阵中的最大非对角元;4)更换所选取的待选测点,重复模态置信矩阵的计算步骤并记录最大非对角元。重复此步骤直至所有待选测点都被计算过。对比所有备选测点所对应的模态置信矩阵最大非大对角元,选择最小的模态置信矩阵最大非对角元对应的测点加入到当前测点布置方案;5)重复3)、4)步骤,直至传感器测点数及模态置信矩阵的最大非对角元满足要求。对一些复杂结构,模态置信矩阵最大非对角元小于0.25。
根据以上方法,以张弦梁结构为例建立数值模型,并模拟实际工程环境,进行了传感器优化布置的试算。经试算,该方法的收敛性较好,计算可行性高;该方法可以有效降低传感器布置的经济成本,降低误差因素的影响,提高模态识别的有效性和准确性。同时根据该算例的试算,提出建议:逐步累加法的迭代过程可分为快速下降段、平稳阶段和迭代末段三个阶段,实际传感器的布置方案宜在平稳阶段过程中选取,尽量避免采用迭代末段的结果。
大跨度钢桁梁桥的斜拉法提载加固分析
何滨池, 李睿, 刘迪, 何永伟, 李定美
2020, 35(10): 34-42. doi: 10.13206/j.gjgS20072301
摘要:
随着世界经济的快速发展,各地的交通量增大,荷载等级不断提高,部分大跨度钢桁梁桥由于原设计荷载等级较低,无法满足现有的交通荷载,在现有荷载等级作用下出现了过大的下挠和应力,承载力不能满足当前的使用需求,需要通过加固来提高其承载能力,延长结构使用寿命。对钢桁梁桥的加固,可以通过增设斜拉索法、增设悬索法以及体外预应力法来对桥梁进行提载加固,在以上三种方法中又以增设斜拉索法效果最好。
针对这种现象,以位于埃塞俄比亚奥莫河上一座128 m的钢桁梁桥为研究对象,拟采用增设斜拉索法进行提载加固。考虑到钢桁梁桥的跨径,拟选取16 m的矮塔和26、30 m的常规塔高,采用分析桥梁受力时常用的有限元方法建立大跨度钢桁梁桥模型。在三种荷载工况下,分别从刚度、承载能力以及稳定性三个方面来分析对比不同的索塔高度对加固效果的影响。在工况1(活载作用)下,分析钢桁梁桥加固前和不同塔高加固后的挠度变化;在工况2(正常使用极限状态标准荷载组合1.0恒载+1.0活载)下,分析三种塔高下斜拉索加固后桥梁的整体稳定性,即进行屈曲分析;在工况3(承载能力极限状态基本组合1.25恒载+1.75活载)下,分析加固前后上弦杆应力分布、下弦杆应力分布以及斜杆的应力分布。节点板是钢桁梁中的关键部位,其构造复杂,并且受力时存在应力分布不均匀的现象。针对这种情况,同样采用有限元方法,对钢桁梁桥受力复杂的节点建立实体模型,根据节点各构件力的传递主要通过焊接连接和摩擦型高强螺栓提供的摩擦力的特点,选择加固前、后内力最大的节点板进行模拟,将各杆件的轴力和面内、外弯矩加到相应的杆件上,对加固前、后的内外侧节点板应力、内外侧斜杆螺栓应力以及内外侧连接板螺栓应力进行分析,了解其应力分布特点。
综合考虑以上分析得出结论:单独考虑加固效果时,26 m塔高斜拉索加固后的加固效果最好;16 m塔高斜拉索加固后效果较26 m塔高斜拉索加固效果稍次之;30 m塔高斜拉索加固效果最差。结合工程经济效益考虑后,建议将16 m塔高斜拉索加固作为奥莫河大桥的加固方案。
加工制作
飞雁式异形钢箱拱制作线形控制关键技术研究
郭延飞, 刘山洪, 王国炜, 马瑞明
2020, 35(10): 43-50. doi: 10.13206/j.gjgS20042301
摘要:
钢结构桥梁采用大节段分段施工,工厂化预制,板块线形的精确放样是钢结构制作线形精准控制的关键因素。飞雁式异形钢结构拱肋曲线复杂,拱肋截面高度随拱轴线线性变化,给钢结构制作加工带来很大困难。桥梁拱肋设计成桥线形和预拱度线形的理论求解可为后续解决钢结构拱肋顶、底板加工制作,板块精确放样提供理论支持,为成桥后钢结构拱肋受力稳定提供保障。预制钢箱拱拱肋理论制作线形是确保偏态抛物线异形变截面钢箱拱桥顺利安装和桥梁服役阶段受力合理的重要技术指标。
通过设计计算软件MIDAS建立桥梁理论计算模型,采用正装分析计算的方法计算出张拉预应力系杆、拆除拱肋安装支架、张拉吊杆、卸除主梁桥下支架、二次张拉吊杆等施工工序转换对拱肋成桥线形的影响,得到钢拱肋在施工、架设期间体系转换的理论预拱度值。再结合设计图纸给出的异形钢箱拱肋拱轴线计算方程式,通过坐标转换的方法,建立拱轴线上任一点O点的坐标系1和拱轴线上无限接近O点的相邻点B的坐标系2,以及全桥原始坐标系三者之间的联系。通过原始坐标系中O点位置坐标(x1z1),B点位置坐标(x2z2)以及O点处的截面高度H之间的关系,结合坐标系1和坐标系2确定出三者之间的三角形相似关联,从而求得成桥状态下异形钢箱拱肋制作的顶、底板,横隔板及吊杆与拱轴线计算方程式之间的几何关系,确定出钢箱拱拱肋顶、底板独立的成桥线形的计算方程式。
运用此计算式求出的拱肋成桥曲线与设计院给出的设计线形吻合良好,当x2-x1=0.5 m时计算线形与成桥线形的最大偏差为2 mm,证明了此种方式的正确性。再通过成桥状态下的计算式,结合MIDAS模型计算出的拱肋曲线各点的预拱度值,求解出钢结构拱肋无应力状态下顶、底板,横隔板;吊杆的计算方程式。此计算方程式确定出的曲线状态就是钢拱肋无应力状态下线形,运用此计算结果求得的无应力状态曲线比成桥设计线形长出80 mm。此计算方法有效地解决了异形钢箱拱肋工厂预制过程中无应力状态板块线形精确放样的难题。
钢结构热点探析
顶层局部框架要算刚度比吗?
邹安宇
2020, 35(10): 51-51.
摘要: