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2022年 第37卷 第12期
2022, 37(12): 1-9.
doi: 10.13206/j.gjgS22081402
摘要
PDF (14021KB)
摘要:
提出了一种用于曲面网壳结构的新型扇形组合装配式节点,该节点主要由扇形子构件、中心区域肋板以及高强螺栓三部分组成。区别于传统的焊接节点,该节点主要部件由工厂预制,现场使用高强螺栓进行组装,不仅减少了焊接工作量,也避免了高空焊接,降低了施工难度和风险。此外,节点中心区域采用无盖板连接,充分体现了其半刚性特征,同时也便于后期检修。为探究该节点的受力特性,设计并完成了装配式节点试件和焊接节点试件的静力对比试验。试验针对两类节点的6个足尺试件,采取轴向、偏心以及横向加压三种加载方式,对比分析两类节点各关键部位应变分布规律、荷载-位移曲线、弯矩-转角曲线及破坏模式,考察了装配式节点的单向受压和弯曲性能,并得出其薄弱部位以及偏压作用的影响。采用有限元方法分析了各节点在单向受压和弯曲作用下的受力特性演化过程,并与试验结果进行对比。通过对扇形组合装配式节点和传统焊接节点进行试验和有限元分析,可以得到以下结论:在单向受压荷载下,扇形组合装配式节点表现出与焊接节点相同性能,即受力可靠且变形较小;加载全过程中,扇形组合装配式节点的轴向刚度与焊接节点非常接近;在轴向偏心荷载下,扇形组合装配式节点的轴向刚度明显下降,因此在实际工程运用中应考虑压弯组合作用对节点的影响;弯曲试验中,扇形组合装配式节点破坏过程分三个阶段:1)弹性阶段。弯矩小于81.5 kN·m时,节点表现出良好的抗弯性能;2)弹-塑性阶段。弯矩在81.5~142.6 kN·m时,抗弯刚度存在明显退化现象;3)塑性失效阶段。弯矩大于143 kN·m,高强螺栓受剪脆断,试件宣告破坏,因此提高此节点抗弯刚度的关键在于提高螺栓的抗剪能力。扇形组合装配式节点的有限元模拟和试验最终破坏形式相符,且应力分布规律以及弯矩-转角曲线整体均具有较高的吻合度。
提出了一种用于曲面网壳结构的新型扇形组合装配式节点,该节点主要由扇形子构件、中心区域肋板以及高强螺栓三部分组成。区别于传统的焊接节点,该节点主要部件由工厂预制,现场使用高强螺栓进行组装,不仅减少了焊接工作量,也避免了高空焊接,降低了施工难度和风险。此外,节点中心区域采用无盖板连接,充分体现了其半刚性特征,同时也便于后期检修。为探究该节点的受力特性,设计并完成了装配式节点试件和焊接节点试件的静力对比试验。试验针对两类节点的6个足尺试件,采取轴向、偏心以及横向加压三种加载方式,对比分析两类节点各关键部位应变分布规律、荷载-位移曲线、弯矩-转角曲线及破坏模式,考察了装配式节点的单向受压和弯曲性能,并得出其薄弱部位以及偏压作用的影响。采用有限元方法分析了各节点在单向受压和弯曲作用下的受力特性演化过程,并与试验结果进行对比。通过对扇形组合装配式节点和传统焊接节点进行试验和有限元分析,可以得到以下结论:在单向受压荷载下,扇形组合装配式节点表现出与焊接节点相同性能,即受力可靠且变形较小;加载全过程中,扇形组合装配式节点的轴向刚度与焊接节点非常接近;在轴向偏心荷载下,扇形组合装配式节点的轴向刚度明显下降,因此在实际工程运用中应考虑压弯组合作用对节点的影响;弯曲试验中,扇形组合装配式节点破坏过程分三个阶段:1)弹性阶段。弯矩小于81.5 kN·m时,节点表现出良好的抗弯性能;2)弹-塑性阶段。弯矩在81.5~142.6 kN·m时,抗弯刚度存在明显退化现象;3)塑性失效阶段。弯矩大于143 kN·m,高强螺栓受剪脆断,试件宣告破坏,因此提高此节点抗弯刚度的关键在于提高螺栓的抗剪能力。扇形组合装配式节点的有限元模拟和试验最终破坏形式相符,且应力分布规律以及弯矩-转角曲线整体均具有较高的吻合度。
2022, 37(12): 10-17.
doi: 10.13206/j.gjgS22032502
摘要:
由于影响冷弯薄壁卷边槽钢构件弹塑性屈曲荷载的因素较多,故截面形式与承载力之间无法用精确的解析式表达。为开展截面形式优化,提高槽钢的屈曲承载力,将基因表达式编程(GEP)算法和粒子群(PSO)算法结合开展截面形式优化研究。利用Python编程对ABAQUS进行二次开发,对文献中的15个试验构件进行批量有限元计算,通过与试验值对比验证了数值计算精度;选取其中1组构件为样本开展抗屈曲截面优化,采用批量有限元计算生成包含不同截面尺寸和对应屈曲荷载的样本数据共97组;采用基因表达式编程算法对数据集样本进行数据拟合,构建截面优化目标函数的代理模型;利用粒子群优化算法得到冷弯薄壁卷边槽钢弹塑性屈曲最大承载力对应的最优截面尺寸。与优化前相比,截面优化后构件的屈曲承载力提升了30.4%。研究表明,将有限元、机器学习和传统优化方法相结合,能够有效开展薄壁槽钢的截面形式优化。
由于影响冷弯薄壁卷边槽钢构件弹塑性屈曲荷载的因素较多,故截面形式与承载力之间无法用精确的解析式表达。为开展截面形式优化,提高槽钢的屈曲承载力,将基因表达式编程(GEP)算法和粒子群(PSO)算法结合开展截面形式优化研究。利用Python编程对ABAQUS进行二次开发,对文献中的15个试验构件进行批量有限元计算,通过与试验值对比验证了数值计算精度;选取其中1组构件为样本开展抗屈曲截面优化,采用批量有限元计算生成包含不同截面尺寸和对应屈曲荷载的样本数据共97组;采用基因表达式编程算法对数据集样本进行数据拟合,构建截面优化目标函数的代理模型;利用粒子群优化算法得到冷弯薄壁卷边槽钢弹塑性屈曲最大承载力对应的最优截面尺寸。与优化前相比,截面优化后构件的屈曲承载力提升了30.4%。研究表明,将有限元、机器学习和传统优化方法相结合,能够有效开展薄壁槽钢的截面形式优化。
2022, 37(12): 18-23.
doi: 10.13206/j.gjgS22051001
摘要:
桥梁建设水平的长足发展导致桥梁施工体量和施工风险动态评估需求增大,大型桥梁架设过程中主桥线形监测至关重要,可保证主桥线形按照设计线形延伸。广州明珠湾大桥为六跨中承式连续钢桁架结构,架设过程中用全悬臂式施工法,悬臂长超过200 m的架设工况占比大,且大多数杆件在节点外采用高强螺栓拼接,杆件调整自由度大,在风、温度等多种自然因素影响下架设线形难以控制,而三维激光扫描技术能通过快速扫描获取海量结构物表面的坐标信息,实现结构中多个关键点位快速实时监测。以明珠湾大桥主桥架设过程为工程背景,采用三维激光扫描技术开展了钢桁架拱桥架设线形的监测研究。通过合理布置扫描仪监测位置,监测了主桥架设过程中主拱梁架设、主拱合龙、主梁合龙三个关键工况,重点在主梁悬臂端周围和塔吊周边开展多次结构扫描。监测过程中,运用后方交会法获取扫描仪架设位置坐标,推算监测目标的点云坐标信息,并采用点云处理软件Cyclone通过噪点消除、点云联合实现主桥点云整体模型拼接,进而结合点云数据处理技术提取多个线形监测指标进行分析,同时用全站仪获取相同点位坐标进行验证。结果表明:对于三维激光扫描和全站仪测量方法,主拱梁杆件悬臂端的桁间相对距离的平均差值为19 mm,在JTG/T F50—2011《公路桥涵施工技术规范》所容许的相邻点间相对点位测量误差内,说明基于三维激光扫描的线形监测方法可满足工程应用要求;塔吊节间垂直度指标总体在±3‰内,因此塔吊底部未达到极限弯矩,不会出现结构失效,但主拱梁大悬臂情况下塔吊上部结构出现了较大垂直度偏移,故仍需在主桥架设过程中加强监控;主拱和主梁的监测线形与设计线形基本吻合,横向、标高偏离指标的均值为2.9、16.6 mm,符合JTG/T F50—2011中钢拱桥纵轴与高差的偏位阈值,且主拱和主梁两侧悬臂杆在架设过程中不断趋近设计值,说明主桥架设线形控制良好,满足合龙需求。
桥梁建设水平的长足发展导致桥梁施工体量和施工风险动态评估需求增大,大型桥梁架设过程中主桥线形监测至关重要,可保证主桥线形按照设计线形延伸。广州明珠湾大桥为六跨中承式连续钢桁架结构,架设过程中用全悬臂式施工法,悬臂长超过200 m的架设工况占比大,且大多数杆件在节点外采用高强螺栓拼接,杆件调整自由度大,在风、温度等多种自然因素影响下架设线形难以控制,而三维激光扫描技术能通过快速扫描获取海量结构物表面的坐标信息,实现结构中多个关键点位快速实时监测。以明珠湾大桥主桥架设过程为工程背景,采用三维激光扫描技术开展了钢桁架拱桥架设线形的监测研究。通过合理布置扫描仪监测位置,监测了主桥架设过程中主拱梁架设、主拱合龙、主梁合龙三个关键工况,重点在主梁悬臂端周围和塔吊周边开展多次结构扫描。监测过程中,运用后方交会法获取扫描仪架设位置坐标,推算监测目标的点云坐标信息,并采用点云处理软件Cyclone通过噪点消除、点云联合实现主桥点云整体模型拼接,进而结合点云数据处理技术提取多个线形监测指标进行分析,同时用全站仪获取相同点位坐标进行验证。结果表明:对于三维激光扫描和全站仪测量方法,主拱梁杆件悬臂端的桁间相对距离的平均差值为19 mm,在JTG/T F50—2011《公路桥涵施工技术规范》所容许的相邻点间相对点位测量误差内,说明基于三维激光扫描的线形监测方法可满足工程应用要求;塔吊节间垂直度指标总体在±3‰内,因此塔吊底部未达到极限弯矩,不会出现结构失效,但主拱梁大悬臂情况下塔吊上部结构出现了较大垂直度偏移,故仍需在主桥架设过程中加强监控;主拱和主梁的监测线形与设计线形基本吻合,横向、标高偏离指标的均值为2.9、16.6 mm,符合JTG/T F50—2011中钢拱桥纵轴与高差的偏位阈值,且主拱和主梁两侧悬臂杆在架设过程中不断趋近设计值,说明主桥架设线形控制良好,满足合龙需求。
2022, 37(12): 24-30.
doi: 10.13206/j.gjgS22071601
摘要:
近年来随着科技的飞速发展,工程测量技术也在不断创新,由原来的经纬仪、全站仪到GPS再到现在的三维激光扫描技术,都为建筑行业的跨越式发展做出了重要贡献。其中三维激光扫描技术在工程中的应用解决了之前因技术或设备落后导致的测量效率低、施工偏差大等问题。昆山足球场项目采用的屋顶钢桁架和索膜结构,造型复杂、跨度大、拼装难度大、加工精度高、施工工艺复杂,面临着一系列施工难题。为了解决项目施工难题,分别对足球场施工过程中的钢结构现场拼装精度控制、吊装精确定位控制、钢桁架变形控制、K型混凝土柱成型质量控制、膜结构形态控制等难点进行了充分的研究,利用三维激光扫描技术的优势解决以下难点:1)在钢结构现场拼装过程中,因构件较大,需采用支撑胎架进行现场拼装。为控制其拼装精度,采用三维激光扫描仪对现场所有拼装构件进行扫描,扫描出来的点云数据,通过软件分析与BIM模型进行重叠并做对比分析,对于产生的拼装偏差及时进行整改,确保结构整体精度满足要求。考虑到屋顶钢桁架受荷载影响,其端部下挠,需对其进行预起拱安装,再进行分级卸载,利用三维激光扫描技术及时对各阶段的屋面钢桁架形态进行监测,通过对比仿真模拟数据,把控过程施工状态,确保结构安全。2)K型柱混凝土结构构件复杂,高度达43.9 m,内有C型钢骨柱,其倾斜角为55.57°。为保证K型柱三维空间定位的精准度,需采用三维激光扫描技术对其进行三维扫描,并与BIM模型数据进行对比分析,对所产生的结构偏差及时整改。3)本项目膜单元跨度大,安装张拉完成后由于膜材自重会产生下挠问题,中间部位会出现相对平缓区域,对膜整体形态造成影响,甚至会出现积水的现象。对于此问题,在三维模型中模拟设定最高点坐标,对膜材张拉应力进行控制,以保证达到张拉应力的设计值。现场实施时通过三维激光扫描技术对每块单元膜进行三维扫描,对所采集出来的点云数据进行模型分析,确保点位控制在允许范围内,保证了安装精度。
近年来随着科技的飞速发展,工程测量技术也在不断创新,由原来的经纬仪、全站仪到GPS再到现在的三维激光扫描技术,都为建筑行业的跨越式发展做出了重要贡献。其中三维激光扫描技术在工程中的应用解决了之前因技术或设备落后导致的测量效率低、施工偏差大等问题。昆山足球场项目采用的屋顶钢桁架和索膜结构,造型复杂、跨度大、拼装难度大、加工精度高、施工工艺复杂,面临着一系列施工难题。为了解决项目施工难题,分别对足球场施工过程中的钢结构现场拼装精度控制、吊装精确定位控制、钢桁架变形控制、K型混凝土柱成型质量控制、膜结构形态控制等难点进行了充分的研究,利用三维激光扫描技术的优势解决以下难点:1)在钢结构现场拼装过程中,因构件较大,需采用支撑胎架进行现场拼装。为控制其拼装精度,采用三维激光扫描仪对现场所有拼装构件进行扫描,扫描出来的点云数据,通过软件分析与BIM模型进行重叠并做对比分析,对于产生的拼装偏差及时进行整改,确保结构整体精度满足要求。考虑到屋顶钢桁架受荷载影响,其端部下挠,需对其进行预起拱安装,再进行分级卸载,利用三维激光扫描技术及时对各阶段的屋面钢桁架形态进行监测,通过对比仿真模拟数据,把控过程施工状态,确保结构安全。2)K型柱混凝土结构构件复杂,高度达43.9 m,内有C型钢骨柱,其倾斜角为55.57°。为保证K型柱三维空间定位的精准度,需采用三维激光扫描技术对其进行三维扫描,并与BIM模型数据进行对比分析,对所产生的结构偏差及时整改。3)本项目膜单元跨度大,安装张拉完成后由于膜材自重会产生下挠问题,中间部位会出现相对平缓区域,对膜整体形态造成影响,甚至会出现积水的现象。对于此问题,在三维模型中模拟设定最高点坐标,对膜材张拉应力进行控制,以保证达到张拉应力的设计值。现场实施时通过三维激光扫描技术对每块单元膜进行三维扫描,对所采集出来的点云数据进行模型分析,确保点位控制在允许范围内,保证了安装精度。
2022, 37(12): 31-36.
doi: 10.13206/j.gjgS22041801
摘要:
潇河国际会展中心中间组团项目屋盖结构是最为复杂的部分,属于非连续大跨度正交斜放空间管桁架结构,分四个角顶、十字交通走廊玻璃顶、中心圆顶三部分,每个角顶钢桁架投影面积为6 575 m2,跨度为63 m,角顶斜向桁架最大跨度达88.7 m,为四边不等高造型,整个桁架节点复杂,存在钢管桁架(单曲弧度、双曲弧度)、变径、焊接球、箱形悬挑等多种形式,且高空作业量大、施工周期短、各专业交叉作业频繁。为有效降低施工难度和安全风险,保证施工质量及进度,采用“楼面(地面)拼装,分块整体累计提升+局部区域楼面原位高空直接散装”相结合的方法进行安装。为实现对大跨度正交斜放空间管桁架结构提升施工精度的控制,首先对地面拼装前预拱度设置进行研究,采用SAP 2000软件对分区错层提升、合拢、卸载进行模拟分析,精准计算提升过程变形值,同时采用非线性有限元模拟软件simufact welding对每榀桁架焊接变形进行分析,通过提升变形和焊接变形数据考虑预拱度;其次在地面拼装过程中采用三维激光扫描技术进行虚拟预拼装实现过程精度控制;最后在提升过程中对提升同步性进行实时控制,实现从地面拼装焊接及提升全过程控制精度,屋盖结构的施工精度达到了毫米级,有效地避免了施工作业返工,保证整个屋盖空间管桁架结构满足设计要求。
潇河国际会展中心中间组团项目屋盖结构是最为复杂的部分,属于非连续大跨度正交斜放空间管桁架结构,分四个角顶、十字交通走廊玻璃顶、中心圆顶三部分,每个角顶钢桁架投影面积为6 575 m2,跨度为63 m,角顶斜向桁架最大跨度达88.7 m,为四边不等高造型,整个桁架节点复杂,存在钢管桁架(单曲弧度、双曲弧度)、变径、焊接球、箱形悬挑等多种形式,且高空作业量大、施工周期短、各专业交叉作业频繁。为有效降低施工难度和安全风险,保证施工质量及进度,采用“楼面(地面)拼装,分块整体累计提升+局部区域楼面原位高空直接散装”相结合的方法进行安装。为实现对大跨度正交斜放空间管桁架结构提升施工精度的控制,首先对地面拼装前预拱度设置进行研究,采用SAP 2000软件对分区错层提升、合拢、卸载进行模拟分析,精准计算提升过程变形值,同时采用非线性有限元模拟软件simufact welding对每榀桁架焊接变形进行分析,通过提升变形和焊接变形数据考虑预拱度;其次在地面拼装过程中采用三维激光扫描技术进行虚拟预拼装实现过程精度控制;最后在提升过程中对提升同步性进行实时控制,实现从地面拼装焊接及提升全过程控制精度,屋盖结构的施工精度达到了毫米级,有效地避免了施工作业返工,保证整个屋盖空间管桁架结构满足设计要求。
2022, 37(12): 37-44.
doi: 10.13206/j.gjgS22032301
摘要:
雄安超算云项目结构造型新颖,空间关系复杂,屋盖下部楼板错层,安装方案的选择和支撑布置难度大,需选择合理支撑卸载顺序保证结构卸载安全。屋盖钢结构采用斜向交叉网格桁架结构体系,桁架弦杆相互斜交,网格桁架西侧呈弧形向下延伸交于封边梁,再通过变截面弧形弯扭V型支撑将屋盖荷载传递给下部框架,网格桁架东侧与立体拱桁架连接,跨中布置少量的圆钢管柱,形成大跨空间结构。运用深化设计技术对大跨结构进行节点优化设计,使弯扭V型支撑加工后满足结构传力及建筑造型的需求。根据项目结构体系及布置特点,通过对提升方案、滑移方案和吊装方案等三种方案的支撑体系、施工难易程度、安全管理难度、进度及施工成本的横向对比分析,选择最优的分段原位吊装方案。东侧立体拱桁架根据结构构造,将拱形桁架合理拆分成上下两榀桁架,下一榀桁架设置支撑分段安装定位,同时下一榀桁架提供支点支撑上一榀桁架,解决了拱形桁架高度高、重量大而难以安装的施工难题。对大跨斜交网格桁架进行合理分段划分,设置多跨门式支撑体系,采用塔吊分段安装屋盖交叉网格桁架,并采用交叉稳定杆进行结构安装过程中的临时固定,解决了网格桁架单片安装过程中的平面外稳定的施工难题,保证了桁架结构安装精度。多台塔吊从屋盖结构角部向核心区推进的安装顺序,既解决了每一步安装均能形成临时稳定体系确保施工安全,又能多机同步安装提高施工进度,为其他大跨桁架结构安装提供参考。运用有限元分析软件MIDAS/Gen,计算温度应力对大跨交叉网格结构卸载的影响,对大跨交叉桁架是否考虑温度应力和卸载方向的不同组合进行多工况卸载模拟分析对比,分析结构最大应力与最大变形的应力、应变云图。通过模拟计算研究表明,多支点大跨交叉桁架卸载需要考虑温度应力的作用,并采取从变形较大的跨中向支座卸载的顺序,卸载时结构温度应与结构安装时温度接近,减小结构施工温度变化引起的应力,保证结构施工安全。
雄安超算云项目结构造型新颖,空间关系复杂,屋盖下部楼板错层,安装方案的选择和支撑布置难度大,需选择合理支撑卸载顺序保证结构卸载安全。屋盖钢结构采用斜向交叉网格桁架结构体系,桁架弦杆相互斜交,网格桁架西侧呈弧形向下延伸交于封边梁,再通过变截面弧形弯扭V型支撑将屋盖荷载传递给下部框架,网格桁架东侧与立体拱桁架连接,跨中布置少量的圆钢管柱,形成大跨空间结构。运用深化设计技术对大跨结构进行节点优化设计,使弯扭V型支撑加工后满足结构传力及建筑造型的需求。根据项目结构体系及布置特点,通过对提升方案、滑移方案和吊装方案等三种方案的支撑体系、施工难易程度、安全管理难度、进度及施工成本的横向对比分析,选择最优的分段原位吊装方案。东侧立体拱桁架根据结构构造,将拱形桁架合理拆分成上下两榀桁架,下一榀桁架设置支撑分段安装定位,同时下一榀桁架提供支点支撑上一榀桁架,解决了拱形桁架高度高、重量大而难以安装的施工难题。对大跨斜交网格桁架进行合理分段划分,设置多跨门式支撑体系,采用塔吊分段安装屋盖交叉网格桁架,并采用交叉稳定杆进行结构安装过程中的临时固定,解决了网格桁架单片安装过程中的平面外稳定的施工难题,保证了桁架结构安装精度。多台塔吊从屋盖结构角部向核心区推进的安装顺序,既解决了每一步安装均能形成临时稳定体系确保施工安全,又能多机同步安装提高施工进度,为其他大跨桁架结构安装提供参考。运用有限元分析软件MIDAS/Gen,计算温度应力对大跨交叉网格结构卸载的影响,对大跨交叉桁架是否考虑温度应力和卸载方向的不同组合进行多工况卸载模拟分析对比,分析结构最大应力与最大变形的应力、应变云图。通过模拟计算研究表明,多支点大跨交叉桁架卸载需要考虑温度应力的作用,并采取从变形较大的跨中向支座卸载的顺序,卸载时结构温度应与结构安装时温度接近,减小结构施工温度变化引起的应力,保证结构施工安全。
2022, 37(12): 45-47.
doi: 10.13206/j.gjgS22101206
摘要:
介绍了独立支撑和相对支撑的概念,指出框架梁之间设置的隅撑是相对支撑,其发挥作用的前提是另一根构件有富余度,即隅撑作用具有不确定性。故建议采用离开柱面1.5倍梁高处设置加劲肋来避免框架梁的畸变屈曲,同时给出了不设隅撑的条件。
介绍了独立支撑和相对支撑的概念,指出框架梁之间设置的隅撑是相对支撑,其发挥作用的前提是另一根构件有富余度,即隅撑作用具有不确定性。故建议采用离开柱面1.5倍梁高处设置加劲肋来避免框架梁的畸变屈曲,同时给出了不设隅撑的条件。
