分阶段卸载在连体提升施工中的应用分析

连体结构在连体与塔楼间采用刚性连接时,该连接段受力复杂,特别是在考虑提升施工的影响后,连接段杆件受力与设计一次成型的杆件受力有显著区别。由此提出可通过分阶段卸载的方式使连接段内力与设计状态对应内力接近。分阶段卸载的分析可归纳为3个关键步骤:首先根据施工方案、现场环境等客观因素确定卸载方案;再采用有限元软件获取每个阶段(含多次卸载及拆杆)的杆件内力变化情况;最后通过优化理论可获得单次阶段最佳的卸载量分析。以杭州云门钢结构为例,进行分阶段卸载的方案探讨、计算假定的验证以及结构空间效应分析,结果表明分阶段卸载极大提高了施工后与设计一体成型的连接段结构内力的一致性。

基于整体提升施工技术的高层连体结构塔楼复位研究

连体结构建造技术中,整体提升是一种经济、高效的施工方法,其在工程中应用广泛。然而实际提升施工中,连体与塔楼对接精度低,其中一个关键原因是提升荷载会使塔楼产生显著的水平变形。就此类问题,提出采用塔楼复位的方法解决,并详细介绍了塔楼复位的实施方案与设计优化分析方法。塔楼复位方法的核心思想为通过对塔楼施加水平荷载,消除塔楼附加水平变形从而使其回复至接近设计状态。此后,以杭州云门钢结构项目为例,结合结构形式与施工方案提出两种塔楼复位方案,完整分析塔楼复位的可行性、有效性并给出复位方案的优化方法。最后给出了实际实施后的塔楼复位效果。

基于分块组合法的多孔板塑性极限状态分析

由于装配式建筑和单边螺栓的快速发展,端板连接节点在结构中得到了广泛应用。这类节点承载能力的计算主要是基于塑性铰线理论,该理论依赖于屈服模式的假定。然而对同一节点而言,可能的屈服模式较多,且屈服模式易受到节点尺寸、构造等因素的影响,使其难以适用于不同的节点。因此应用该理论时计算过程繁琐。该文提出了分块组合法,为端板连接受拉区承载能力的计算提供了一种较为便捷、通用的方法。主要思想是将多孔板件(柱壁、端板等)划分成若干块矩形单孔板,分别计算每一块单孔板的屈服承载力,最后组合叠加得到整块板件的屈服承载力。通过该方法计算屈服承载力时,可降低对板件屈服模式的依赖,并且能够得到准确计算结果。板件承载力的计算考虑了开孔板尺寸,边界条件,孔径大小,孔的位置等因素的影响,通过有限元模型和已有的相关试验验证了该方法的准确性与可靠性。

环境温度对高层连体结构整体提升施工技术的影响分析

施工过程是保证结构使用性能可靠、质量达标的重要阶段,并且伴随社会经济的发展,对施工质量要求也逐渐提高。环境温度是影响施工精度、保证施工质量的关键因素,其在铁路、桥梁等大跨超长结构中广受关注,但在建筑结构的施工阶段研究较少。随着建筑结构设计日益复杂,体量日益增大,环境温度对施工的影响也开始显现。针对高层连体结构中常用的整体提升施工技术,探讨了环境温度在连体拼装以及连体提升这两个重要施工阶段的影响:1)拼装阶段,连体结构受到下部拼装胎架、支撑架等措施的约束,使得其在温度作用下产生附加内力及变形,下部措施结构分别按极小水平约束与刚接两个极端条件考虑。2)提升阶段,连体结构无水平约束,水平方向可自由变形,因而会显著影响连体在高空与塔楼结构对接精度的影响。为此提出将温度变形与施工变形进行叠加,从而综合考虑温度对连体提升精度的影响。分析中,以有限元模拟为基础,通过线性拟合获取关键对接点变形与温度的关系,进一步计算温度与对接错口量关系,从而得到错口量最小时的温度差,以此温差指导提升施工的时间安排。最后,以杭州云门钢结构工程为例,分析了环境温度在该项目中的影响。拼装阶段若不考虑胎架的水平约束,环境温度对结构的附加应力小。反之则会引起较大的附加应力,甚至超过钢材的屈服应力,该计算结果是基于极端情况下的计算,即温差变化大,约束强,实际工程条件出现的概率低。因此,建议应力分析中应根据工程项目的真实环境、措施使用等情况,选择合理的温差和边界条件进行分析,从而判断温差对结构附加应力的影响。对于云门钢结构的提升阶段,分析结果表明,当提升时的环境温度低于拼装时27.6℃时,连体与塔楼错口量最低。由于该温差太大,不可能在真实环境中出现,由此可知,随着环境温度的降低,提升时的连体与塔楼错口量降低,从而有利于施工精度保证,因此建议应尽可能选择在清晨或傍晚进行合龙对接。

基于最优化理论的大跨异形曲面结构单轴旋转法

近十年来,国内兴建了大量的机场、高铁站、会展中心等工程,具有建筑造型新颖、平面尺寸大(超大面宽、超大进深和较大高差)等特点,一般采用原位拼装提升或累积提升的施工工艺。由于上述施工方法存在拼装高度较高、高空作业量大、工艺复杂等问题,导致施工效率低、安全风险大、质量控制难。虽然旋转提升法对于降低拼装高度有显著的效果,但是多应用于跨度小、结构规整、提升吊点数量少的结构中,同时旋转过程中同步性较差,经常导致提升器窝缸甚至局部杆件受力过大而弯曲破坏的现象,针对大跨曲面屋盖钢结构施工仍处于技术空白期,存在适用局限性。依托杭州西站项目,系统介绍了大跨异形曲面结构确定旋转轴及旋转角度的两种方法,即双轴反复旋转法和基于最优化理论的单轴旋转法,并从经济性、安全性、实操性方面对两种方法及原位拼装提升法进行了对比:1)经济方面,基于最优化理论的单轴旋转法较双轴反复旋转法节省胎架用量5.8%,较原位拼装提升节省胎架用量406.8%。2)安全方面,采用单轴旋转施工与原位拼装提升施工结构杆件应力比差值不到0.05,而双轴旋转施工(换杆前)与原位拼装提升施工结构杆件应力比差值达1.31,这是由于采用双轴旋转施工,结构需分别绕两个方向旋转,旋转过程态与结构设计态位形差异较大,导致杆件内力分布不均匀,从而导致部分构件应力比较大,虽然可通过换杆加固的方式解决,但设计施工成本会相应增加。结构施工过程中虽然单轴旋转法的构件应力比与原位拼装提升法的差别不大,但是原位拼装提升法所设胎架高度高,存在大面积高空作业,工人施工安全性较差。3)实操方面,采用旋转提升可有效解决原位拼装提升带来的拼装胎架安装高度高、高空作业多等施工复杂性问题。而基于最优化理论的单轴旋转法相较于双轴反复旋转法,其可通过自编程序一步得到旋转提升参数的最优解,省时省力。且由于其确定的旋转轴及旋转角度是唯一的,施工时结构仅需绕单轴进行旋转,操作更为简便。结果表明:基于最优化理论的单轴旋转法更佳,其较好地弥补了原位拼装提升法、双轴反复旋转法在大跨异形曲面屋盖钢结构应用中的技术缺陷和不足,为以后类似曲面屋盖结构的施工提供参鉴。

杭州西站站房钢屋盖复杂铸钢节点的性能分析

杭州西站站房钢屋盖是一种网架-桁架结合的复杂空间结构体系,因此在该结构中存在大量多杆交汇的连接问题,对这类复杂连接部分通常采用铸钢件的形式予以解决。由于此类节点交汇杆件多、受力复杂,造成分析难度大。通过有限元与试验研究的方法对杭州西站钢屋盖中的复杂铸钢节点进行分析,以此判别该铸钢节点设计的安全性与可靠性。采用有限元分析方法时,对节点在设计荷载与极限荷载两种工况下分别进行计算,设计荷载取为节点的最不利荷载工况,极限荷载为设计荷载的3倍。通过有限元分析发现:在设计荷载下节点应力水平均低于材料的屈服强度,最大应力为179.088 MPa,等效塑性应变为0;在极限荷载作用下,节点部分区域应力超过材料屈服强度,但整体荷载-位移曲线仍为线性。此后,对该铸钢节点进行材性试验及足尺试验研究。在足尺试验中,试验最大荷载为设计荷载的1.3倍,加载时,由0至最大加载力均分为26级,试验从开始至结束均未观察到试件出现明显的变形,试验过程中各应变片所采集的数据显示铸钢节点最大应变为1036×10^(-6)。将试验结果与有限元计算结果对比,吻合程度良好,表明:有限元计算结果较可靠;铸钢节点在设计荷载下处于完全弹性状态,在极限荷载作用下,尽管铸钢节点出现部分塑性,但未对节点整体力学性能产生影响,由此可判断所研究的节点是安全、可靠的,为未来相关工程的铸钢节点设计提供参考。