圓柱面巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

圓柱面巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

為了解決傳統(tǒng)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)向全球轉(zhuǎn)移的問題，以及長(zhǎng)桿和大傾角的全球穩(wěn)定性，提出了一種新的結(jié)構(gòu)體系。這是一個(gè)巨大的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系。圖1所示為圓柱面巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu),是由立體桁架交叉形成大網(wǎng)格的主體結(jié)構(gòu),然后在大網(wǎng)格中布置平板網(wǎng)架子結(jié)構(gòu)而構(gòu)成的一種新型結(jié)構(gòu)體系。1主體結(jié)構(gòu)下弦固定鉸支結(jié)構(gòu)假定圖1主體結(jié)構(gòu)跨度80m,矢跨比0.3;結(jié)構(gòu)大網(wǎng)格數(shù)為4×4,桿件規(guī)格為ue788140×4.5,正放四角錐網(wǎng)架子結(jié)構(gòu)的上弦網(wǎng)格數(shù)為9×9,高度1.2m,桿件規(guī)格ue78876×3,子結(jié)構(gòu)以周邊支承方式支承于主體結(jié)構(gòu)上,設(shè)計(jì)確定的主體結(jié)構(gòu)永久支座為兩縱邊上下弦固定鉸支。該類結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)是:①主體結(jié)構(gòu)可以作為獨(dú)立結(jié)構(gòu)承受外力,因此在施工過程中,可以考慮先對(duì)主體結(jié)構(gòu)施工完畢后再施工子結(jié)構(gòu),也可以主體結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)同時(shí)交叉施工。②圓柱面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)為對(duì)邊支承,所以結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)單向受力狀態(tài),即上、下弦桿件基本上以受壓為主,網(wǎng)格跨度方向桿件內(nèi)力較大,而縱向桿件內(nèi)力較小。1.1臨時(shí)農(nóng)業(yè)支架設(shè)置方式綜合考慮腳手架的使用量及吊裝設(shè)備的起吊能力,這里把結(jié)構(gòu)中各立體桁架拱分2段進(jìn)行地面組裝,然后同時(shí)起吊左右段,在高空對(duì)接完成主桁架的安裝;子結(jié)構(gòu)采用分塊吊裝法進(jìn)行安裝。施工過程中,結(jié)構(gòu)一般是先支承在臨時(shí)支承上;另外,可將需設(shè)置的結(jié)構(gòu)永久支座當(dāng)臨時(shí)支承看待。因此,施工中可考慮如下臨時(shí)支承設(shè)置方式:①僅主體結(jié)構(gòu)兩縱邊大節(jié)點(diǎn)區(qū)設(shè)置固定鉸支座(見圖2a);②主體結(jié)構(gòu)兩縱邊大節(jié)點(diǎn)區(qū)設(shè)置固定鉸支座,再在端部第1榀立體桁架拱大節(jié)點(diǎn)處設(shè)置平面外臨時(shí)水平支承(見圖2b);③主體結(jié)構(gòu)兩縱邊大節(jié)點(diǎn)區(qū)設(shè)置固定鉸支座,再在各立體桁架拱頂上弦點(diǎn)設(shè)置臨時(shí)豎向支承(見圖2c);④在圖2b所示方案基礎(chǔ)上,再在各立體桁架拱頂上弦設(shè)置豎向臨時(shí)支承(見圖2d)。1.2主體結(jié)構(gòu)的安裝順序1)施工方案1吊裝第1榀立體桁架拱;吊裝第2榀立體桁架拱,同時(shí)安裝1,2榀立體桁架拱之間的縱向立體桁架梁;依次吊裝完成第3~5榀立體桁架拱和縱向立體桁架梁。在主體結(jié)構(gòu)安裝完成后,安裝各分塊子結(jié)構(gòu),施工順序由內(nèi)至外,安裝順序如圖3所示。2)施工方案2主體結(jié)構(gòu)施工順序同方案1,子結(jié)構(gòu)采用由外至內(nèi)的順序安裝。具體次序?yàn)?1,4,5,8,9,12,13,16,2,3,6,7,10,11,14,15(子結(jié)構(gòu)編號(hào)見圖2a)。3)施工方案3主體結(jié)構(gòu)施工順序同方案1,子結(jié)構(gòu)的安裝次序?yàn)?1,2,5,6,9,10,13,14,3,4,7,8,11,12,15,16。即先安裝完右半跨,再安裝左半跨。4)施工方案4主體與子結(jié)構(gòu)交替安裝,即先安裝1,2榀立體桁架拱和其間的縱向立體桁架,接著在其上安裝子結(jié)構(gòu),然后交替依次完成整個(gè)結(jié)構(gòu)的安裝。2施工階段的穩(wěn)定性分析初始參考荷載為結(jié)構(gòu)自重和施工活荷載,綜合取1.2倍結(jié)構(gòu)自重。2.1結(jié)構(gòu)施工情況線性屈曲分析最終歸結(jié)為式(1)所示的廣義特征值問題,其特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量分別表征各階臨界荷載的大小及其相應(yīng)的屈曲模態(tài)。式中:[K],[S]分別為結(jié)構(gòu)彈性剛度矩陣與應(yīng)力剛度矩陣;{φ}為位移特征向量(即屈曲模態(tài));λ為特征值,即通常意義上的荷載因子。為尋求最簡(jiǎn)單的臨時(shí)支承布置方式,先考慮僅設(shè)置主體結(jié)構(gòu)兩縱邊上弦固定鉸支。圖4列出了此支承條件下,按方案2施工得到的結(jié)構(gòu)幾個(gè)關(guān)鍵階段一階屈曲模態(tài)。特征值屈曲模態(tài)可以大致反映結(jié)構(gòu)穩(wěn)定薄弱環(huán)節(jié),通過圖4中屈曲模態(tài)對(duì)比可知。1)在主體結(jié)構(gòu)施工第1階段即第1榀立體桁架拱安裝階段,立體桁架拱發(fā)生大的側(cè)偏屈曲,最大側(cè)偏發(fā)生在拱頂,兩邊對(duì)稱(見圖4a),臨界荷載僅為3.45kN/m2,穩(wěn)定性較差。因此在該階段,宜增加立體桁架拱的平面外支承,防止平面外屈曲。2)在主體結(jié)構(gòu)施工第2階段即安裝完2榀立體桁架拱和2榀桁架拱之間的4道縱向立體桁架梁,這時(shí)主要發(fā)生立體桁架拱平面內(nèi)的、以拱頂為反對(duì)稱的屈曲,即一邊下凹、另一邊上凸的屈曲;同時(shí)在桁架拱平面外發(fā)生小位移的側(cè)偏屈曲(見圖4b)。說明縱向立體桁架的安裝,為立體桁架拱提供了平面外支承,提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,此時(shí)結(jié)構(gòu)的屈曲臨界荷載為16.45kN/m2,比第1階段提高了約4.5倍。3)在主體結(jié)構(gòu)施工第3~5階段,結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)基本一致,主要以立體桁架拱平面內(nèi)凹凸屈曲為主,幾乎沒有拱平面外的側(cè)偏現(xiàn)象(見圖4c),說明隨著更多立體桁架拱和縱向桁架梁的安裝,整個(gè)結(jié)構(gòu)拱平面外的剛度越來越大,穩(wěn)定性越來越好。各階段屈曲臨界荷載值也說明了這一點(diǎn)。4)當(dāng)主體結(jié)構(gòu)施工完畢,在子結(jié)構(gòu)施工的6~8階段,結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)以立體桁架拱平面內(nèi)凹凸為主,不存在主體結(jié)構(gòu)的側(cè)偏屈曲,同時(shí)出現(xiàn)大節(jié)點(diǎn)區(qū)的扭轉(zhuǎn)及立體桁架梁的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象(見圖4d);說明由于子結(jié)構(gòu)的安裝,相當(dāng)于給主體結(jié)構(gòu)立體桁架拱加入了許多中間約束,穩(wěn)定性進(jìn)一步提高,同時(shí)由于添加的部分子結(jié)構(gòu)對(duì)立體桁架拱的影響,使整個(gè)主體結(jié)構(gòu)中的桁架拱產(chǎn)生了不同步的平面內(nèi)的凹凸屈曲,使得大節(jié)點(diǎn)區(qū)及立體桁架梁出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。而在子結(jié)構(gòu)施工的9~13階段,結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)完全一致,不再出現(xiàn)大節(jié)點(diǎn)區(qū)及立體桁架梁的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象,說明由于內(nèi)圈子結(jié)構(gòu)安裝完畢后,整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度已經(jīng)非常大,外圈子結(jié)構(gòu)的安裝不再對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有較大影響。2.2立體桁架拱受力分析沿用《網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ61-2003的建議,僅考慮幾何非線性,取全過程分析中第1次失穩(wěn)對(duì)應(yīng)的載荷為結(jié)構(gòu)極限載荷。另外,本文結(jié)構(gòu)非完全意義的單層網(wǎng)殼,因此這里不考慮初始幾何缺陷的影響。分析可知,在同樣的臨時(shí)支承條件下,結(jié)構(gòu)施工各階段非線性失穩(wěn)模態(tài)和圖4所示一階線性屈曲模態(tài)類似,這里不再列出。荷載-位移曲線可反映結(jié)構(gòu)全過程受力性能,本文將以結(jié)構(gòu)最大位移點(diǎn)為代表來考察其穩(wěn)定性能。施工中第1階段主要發(fā)生大位移的側(cè)偏屈曲,而其他階段以拱平面內(nèi)的凹凸屈曲為主,所以第1階段的全過程曲線取被安裝立體桁架拱的頂點(diǎn)荷載-水平位移曲線,其他階段則取結(jié)構(gòu)最大豎向位移點(diǎn)為代表。圖5為按方案3的順序施工得到的結(jié)構(gòu)施工過程中有代表性的6個(gè)階段(主體結(jié)構(gòu)安裝階段3個(gè),子結(jié)構(gòu)階段3個(gè))的荷載-位移全過程曲線。由圖5可看出,在加載初期,荷載-位移接近線性變化,當(dāng)荷載達(dá)到極限時(shí)(圖中第1個(gè)臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值),結(jié)構(gòu)開始失穩(wěn)。而且在不同施工階段失穩(wěn)時(shí),結(jié)構(gòu)極限荷載及其對(duì)應(yīng)的屈曲位移相差很大:在施工開始階段,結(jié)構(gòu)的極限荷載很小而對(duì)應(yīng)的屈曲變形很大,隨著安裝的進(jìn)行,極限荷載逐步增大,且對(duì)應(yīng)的屈曲位移越來越小,到安裝完成的時(shí)候,結(jié)構(gòu)豎向節(jié)點(diǎn)最大位移僅為15cm。因此,在施工初期,要加強(qiáng)臨時(shí)支承的設(shè)置,特別是第1階段,為了防止產(chǎn)生過大的水平位移,應(yīng)該在立體桁架拱適當(dāng)位置設(shè)置臨時(shí)水平支承(見圖2b);而在施工第2~4階段,可考慮在桁架拱頂設(shè)置臨時(shí)豎向支承。另外,在主體結(jié)構(gòu)安裝各階段,達(dá)到極限狀態(tài)后位移迅速加大,但曲線基本沒有出現(xiàn)下降段(見圖5a~5c),反而有一定的上升,說明在沒有安裝子結(jié)構(gòu)的情況下,主體結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)突然地跳躍失穩(wěn)破壞。而隨著子結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步安裝,結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)后曲線出現(xiàn)了明顯的下降段(見圖5d~5f),說明子結(jié)構(gòu)的安裝使結(jié)構(gòu)的剛度增大,一旦達(dá)到極限狀態(tài),結(jié)構(gòu)將很難維持平衡,失穩(wěn)時(shí)將出現(xiàn)突然破壞(但此時(shí)結(jié)構(gòu)的極限承載力已很高)。2.3結(jié)構(gòu)非線性穩(wěn)定性分析施工中臨時(shí)支承方式不同,結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性必然不同。本文先考慮設(shè)置以下幾種主體結(jié)構(gòu)臨時(shí)支承方式:①兩縱邊上弦固定鉸支;②兩縱邊下弦固定鉸支;③兩縱邊上、下弦固定鉸支。通過特征值分析及非線性全過程分析得到主體結(jié)構(gòu)施工階段臨界荷載如表1所示。從表1可以看出,僅設(shè)置兩縱邊上弦支座,極限荷載最小,穩(wěn)定性最差,而第3類支承形式極限荷載值最大,穩(wěn)定性最好。在主體結(jié)構(gòu)安裝開始階段,極限荷載最小,而隨著施工的逐步進(jìn)行,結(jié)構(gòu)的極限荷載逐漸增大,穩(wěn)定性逐步提高。另外,非線性極限荷載僅為線性屈曲臨界荷載的80%左右,說明結(jié)構(gòu)非線性性能較顯著,有必要進(jìn)行非線性穩(wěn)定分析。結(jié)合圖4,5及表1可知,主體結(jié)構(gòu)施工第1階段(第1榀立體桁架拱的吊裝)結(jié)構(gòu)的極限荷載很小,而且產(chǎn)生了很大的側(cè)向屈曲位移,因此需給第1榀立體桁架拱設(shè)置一定的平面外水平側(cè)向支承,才能保證其必要的穩(wěn)定性,確保后續(xù)安裝繼續(xù)進(jìn)行?？紤]施工中可能情況,對(duì)第1榀拱結(jié)構(gòu)設(shè)置幾種平面外臨時(shí)水平側(cè)向支承,并進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算,結(jié)果如表2所示。其中,支承條件A為無臨時(shí)側(cè)向支承;B為在拱1/4跨處上弦設(shè)置2道水平側(cè)向支承;C為在1/4跨及跨中上弦等距離設(shè)置3道水平側(cè)向支承。各情況下拱端均采用上弦固定鉸支。從表2結(jié)果可見,水平側(cè)向支承的加入,使第1榀拱的極限荷載及穩(wěn)定性大幅度提高。當(dāng)在1/4跨及中間上弦節(jié)點(diǎn)等距離設(shè)置3道水平側(cè)向支承時(shí),拱的穩(wěn)定性基本和施工第2階段兩平行拱及兩拱之間的縱向桁架已安裝時(shí)的穩(wěn)定性相當(dāng),是最佳的拱平面外臨時(shí)支承布置方式。但考慮到立體桁架拱頂節(jié)點(diǎn)距離地面太高,可不在拱頂(跨中)而僅在1/4跨設(shè)置2道水平側(cè)向支承,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性基本能滿足安裝要求。另外,從分析結(jié)果可見,第2~5階段結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力相當(dāng)高,因此施工各階段可不考慮在拱頂(跨中)設(shè)置臨時(shí)豎向支承。2.4根據(jù)施工情況,各施工階段的極限荷載值按方案2.同樣在主體結(jié)構(gòu)兩縱邊上弦固定鉸支的臨時(shí)支承條件下,在主體結(jié)構(gòu)安裝完后,依照前面的施工方案,考慮3種不同子結(jié)構(gòu)安裝順序,計(jì)算得各施工階段的極限荷載值,如表3所示。從表3可以看出,在同樣的主體結(jié)構(gòu)臨時(shí)支承條件下,子結(jié)構(gòu)按方案3的順序施工時(shí)極限荷載值最小,施工過程中,各施工階段的穩(wěn)定性都最差。而按方案2的順序施工,極限荷載值最大,施工過程中,各施工階段的穩(wěn)定性都最好,對(duì)結(jié)構(gòu)施工最有利。因此,宜先對(duì)稱安裝靠近拱腳處的子結(jié)構(gòu)、再對(duì)稱逐步往上至拱頂依次安裝其他子結(jié)構(gòu)。3安裝時(shí)的穩(wěn)定性控制1)施工中,在主體結(jié)構(gòu)兩縱邊設(shè)置上、下弦固定鉸支座時(shí),結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比只單獨(dú)設(shè)置上弦或下弦支座有較大提高。2)相同臨時(shí)支承情況下,在主體結(jié)構(gòu)安裝完畢后,不同的子結(jié)構(gòu)安裝順序?qū)κ┕ぶ械慕Y(jié)構(gòu)性能有比較明顯的影響,宜先對(duì)稱安裝靠近拱腳處的子結(jié)構(gòu)、再對(duì)稱逐步往上至拱頂依次安裝其他子結(jié)構(gòu)。3)施工過程中的結(jié)構(gòu)非線性極限承載力僅為線性屈曲臨界荷載的80%左右,幾何非線性相差顯著,因此需