衢州西站综合交通枢纽项目结构设计

杭衢高铁衢州西站综合交通枢纽及配套项目由综合交通枢纽、站前广场及匝道组成。为解决工程中大跨度拱形钢箱梁、单层网壳+钢网格筒柱、双曲面混凝土屋面以及钢箱梁弯桥等设计重难点问题,设计中对拱形钢箱梁、拉杆拱弧形屋面、钢箱梁弯桥进行结构分析,并对单层网壳+钢网格筒柱进行整体结构缩尺试验及整体结构有限元分析,同时对重要的圆管节点进行足尺试验和有限元分析。结果表明:拱形钢箱梁结构整体刚度好,设计合理;拉杆拱结构自平衡可有效减小基础推力和基础尺寸;单箱双室钢箱梁弯桥强度、刚度、抗倾覆验算均满足设计要求;单层网壳+网格筒柱整体结构在2.0倍标准组合荷载下仍能保持弹性受力状态;通过节点试验和节点有限元分析,验证了大跨度自由曲面钢结构圆管焊接节点的力学可靠性。

空间自由曲面砌体拱壳的结构设计与试验研究

目前我国在薄壳砌体结构设计方面并无相应的指导标准,薄壳砌体结构的相关案例也较少,设计时无相应参考。重庆市黄桷坪涂鸦街美术廊为一个自由曲面壳体结构,为满足视觉要求,采用砖砌拱壳结构形式,为目前国内跨度最大的自由曲面无筋砌体拱壳结构,壳体采用多孔陶土砖和高延性混凝土砌筑。采用数值分析、材料试验、足尺荷载试验的方法,从结构的形态确立、材料试验、砌筑方式、静力分析、稳定性分析和足尺荷载试验等方面,全面介绍了项目中的关键问题。结果表明,本工程采用无筋砖砌拱壳结构是可行的,为后续类似工程提供了案例参考和设计思路。

大断面矩形顶管在已运营建筑内接收关键技术——以上海市嘉亭荟城市生活广场一、二期地下通道工程为例

以上海市嘉定区嘉亭荟城市生活广场一期与二期地下车库之间的地下连通道工程为背景,针对高敏感环境且无工作井接收条件下大断面矩形顶管法在城市地下联络通道工程中的应用进行了探讨,特别是在已运营建筑内进行顶管接收的关键技术。包括使用土压平衡式矩形顶管机、构建门形框架结构以连接接收端原结构外墙和围护结构、采用特殊的高压旋喷桩工艺进行肥槽加固,以及实施“弃壳”法进行顶管接收,此外还探究了如何处理预制管节与现浇段的连接节点,以保证顶管隧道的强度和止水性。结果表明,在复杂的城市环境中,大断面矩形顶管法在不影响接收端建筑正常运营的情况下可实现顶管的顺利接收。

基于双参数地基的隧道预支护拱棚壳体力学模型

隧道预支护技术作为重要施工辅助方法,除能够有效加固围岩外,还具有良好的承载、抑制变形作用。为了更好地模拟隧道预支护拱棚的真实受力,基于注浆管棚、水平旋喷拱棚所呈现出的壳体特性,首先,建立正交曲线坐标系,通过位移函数求解控制方程;然后,引入Pasternak地基模型,建立Pasternak双参数地基的拱棚壳体力学模型;最后,推导出拱棚挠度、内力、地基反力的解析解表达式。将所提模型进行案例计算和数值验证,再对预支护拱棚的变形、横纵向受力及地基接触反力进行分析,探讨了拱棚设计参数对旋喷拱棚变形的影响。与既有文献的分析方法对比表明,所提模型考虑了岩土体的连续性和注浆加固区整体性影响,相比传统方法理论上更贴近拱棚预支护真实受力状态;解析法和数值法得出的整体挠度曲线均呈勺形分布,结果吻合程度较好。力学分析表明:纵向上,拱棚能很好地调整压力分布,一定程度上使内部围岩处于免压状态;以开挖面为界,拱棚纵向弯矩、剪力的影响范围约为5倍开挖进尺。横向上,拱脚处剪应力起主导作用,拱顶处主要由正应力主导且容易发生材料破坏。不同参数对拱棚结构变形影响程度不同,总体表现为初始挠度>开挖进尺>桩径>开挖高度。

北京工人体育场大跨度开口单层拱壳钢结构施工关键技术

北京工人体育场改造复建工程屋顶为拱壳结构,平面为椭圆形,长轴271m、短轴205m,矢跨比1/9.3,最大悬挑宽度74m。针对该拱壳结构施工中面临的结构安装面积大、施工作业面广、高空作业量大、交叉作业多等难题,提出了带中心压力环大开口拱壳内外环同步安装施工方法:首先通过方案比选,确定了受压内环分段安装、主拱肋整根吊装的施工方案。其次对施工过程中的关键技术进行了介绍,详细说明了内、外环的分段原则和施工中的稳定性控制措施,并通过MIDAS Gen对主拱肋吊装进行了模拟验算、对钢结构合拢过程中的温度应力进行了分析。经过研究和现场实践证明,受压内环、受拉外环同时施工,吊装作业无交叉,提高了施工效率。采用地面分段拼装,超大吨位吊装的方式,减少了高空焊接作业工作量的同时,提高了安装精度。采用本方法组织施工,构件受力合理,施工安全可靠。

超高延性混凝土无筋拱壳结构设计与建造

2021年中国第十届花卉博览会竹藤馆展厅为异形拱壳形态,壳体厚度为75mm,采用无配筋超高延性混凝土(UHDC)材料及3D打印模板+喷射混凝土工艺建造而成。UHDC具有高抗拉强度、高延性,使得无配筋设计成为可能。本项目系国内首次在建筑结构中完全采用UHDC材料且无配筋建造的案例;3D打印模板技术配合喷射混凝土工艺,实现了异形拱壳结构的数字化精准建造。主要对展厅结构的设计与建造进行了简单介绍,并基于UHDC材料性能,对无配筋拱进行了有限元分析。结果表明:设计荷载下壳体应力小于材料的设计强度,满足无筋设计的要求;水平及竖向荷载下UHDC壳的极限承载力分别达到17倍和9倍设计基准荷载,且在水平及竖向极限承载力分析中,壳体表现出了良好的变形能力。

中国黄海湿地博物馆结构设计

中国黄海湿地博物馆在原盐城火车站基础上进行改建,下部结构采用框架+BRB结构,上部屋盖采用大跨度桁架加强网壳结构。对大跨度屋盖选型优化进行了简化模型对比分析,对格构柱底铰接、刚接方案进行了讨论,对超限判断和应对措施、钢屋盖整体稳定和抗连续倒塌能力、下部主体结构加固方案进行了介绍。结果表明:桁架加强网壳结构结合了桁架和网壳结构的优势,钢屋盖整体稳定性能和抗连续倒塌性能均较好。马鞍形屋面相比平屋面,竖向和水平刚度均大很多,结构设计时充分利用桁架加强网壳结构和马鞍形造型的优势,实现了用较小的结构高度实现大跨空间。

大跨度混凝土拱壳声屏障结构设计研究

北京朝阳站至五环路段(里程DK14+400~DK15+050)封闭式声屏障垂直轨线方向的结构跨度约40m,采用大跨度混凝土拱壳结构形式。结构拱形由斜线+圆弧+抛物线组成,满足建筑限高和景观要求;在拱顶抛物线段设置预应力平衡拉索,以平衡高位局部拱结构的推力,显著改善主拱结构和拱脚基础的受力状态。主拱之间的混凝土薄壳采用预制装配式壳板,通过优化SP预应力空心板和主拱结构的连接节点构造,提升主体结构施工效率的同时保证结构连接的可靠性。设计过程中,充分考虑施工组织方案,按照多个施工阶段进行包络设计;主拱结构各阶段的变形验算均满足规范要求,进行了拱结构的整体稳定性分析。主拱基础采用设反倾角的重力式混凝土条形基础形式,基础设计过程中充分考虑各种不利设计工况,充分保证基础设计的安全性。

大跨度局部自平衡混凝土拱壳结构专项分析研究

京沈客专在北京朝阳站段(里程DK14+400~DK15+050)封闭式声屏障采用结构跨度约40m的大跨度混凝土拱壳结构形式,主拱结构之间应用单向简支的SP预应力预制板,主拱高位设置预应力拉索形成局部自平衡体系。针对预制壳板安装和预应力拉索张拉的工序开展不同施工方案对比分析,对比不同施工方案对应的结构受力和配筋设计情况。利用规范公式近似计算主拱混凝土的收缩应变和徐变应变,开展考虑混凝土收缩徐变的施工模拟分析,对收缩徐变造成的结构受力状态变化进行详细的研究。利用考虑塑性铰的动力时程分析方法分别对结构单体中间跨和边跨进行断索专项分析,研究了主拱结构的抗连续倒塌能力以及拉索更换的可行性。研究表明:考虑混凝土的收缩徐变,预应力拉索会产生一定的索力松弛,跨中段主拱的轴力也会有所下降,但不影响主拱结构受力的安全性。中跨或边跨发生断索时主拱结构均不会发生倒塌破坏,通过设置连系梁,混凝土拱壳结构具有较高的安全冗余度。

带混凝土壳的复杂拱形钢框架结构分析设计

京沈客专在北京朝阳站段(里程DK16+700~DK16+800)封闭式声屏障采用带混凝土壳板的复杂拱形钢框架结构,通过合理的地上结构方案和桩基基础方案,在避让既有电缆管沟的条件下实现大跨度封闭式声屏障的功能要求。设计时对混凝土壳的模拟方式进行了详细研究,确定完全壳板刚度和折减壳板刚度包络设计的原则。对整体结构开展了稳定性分析和抗连续倒塌分析,确保结构具备足够的安全冗余度。针对声屏障的使用环境,分别从振动速度响应和构件疲劳应力方面评估了列车振动对声屏障结构的影响。针对超长混凝土壳板进行了温度工况专项分析,通过应用抗拔不抗剪栓钉有效控制了温度工况下的混凝土开裂问题。通过多项专项分析和设计措施,确保了声屏障结构设计的安全性和合理性。

拱形屋顶图书馆结构设计分析

阳江市某拱形屋顶图书馆主体结构为钢筋混凝土框架结构体系,上部屋盖为大跨度钢筋混凝土拱形结构。对拱形屋顶图书馆项目特点和结构布置原则进行了论述。利用盈建科YJK和MIDASGen两种分析软件对整体结构进行小震弹性计算和中震验算,以及小震弹塑性时程分析。对底部弧形剪力墙和楼板大开洞的楼板应力等关键构件进行专项的有限元软件分析。计算分析结果表明:整体结构的各项性能指标均满足要求,验证了结构体系的合理性,构件分析结果和承载力复核符合使用要求,设计安全可靠。

基于双曲拱结构的大跨度网壳分析研究

近年来,随着环保理念深入人心,经济技术不断发展,大跨度空间网壳结构得到了广泛应用。文章以湖南省某码头大跨度散货仓库为背景,在正放四角锥网壳的基础上优化创造了一种双曲拱网壳形式。通过对多组不同网壳厚度的两种网壳进行静力计算与整体稳定性计算,得出相比于正放四角锥网壳,双曲拱网壳具有单位面积用钢量小、结构侧向推力小,但挠度位移略大的特点,为今后同类工程的结构选型与设计提供了一种新的参考形式。

大倾角煤层开采大型三维可加载相似模拟试验

由于煤层赋存条件特殊,大倾角煤层开采采场围岩空间应力分布及演化、围岩运动特征复杂。现有三维模型试验平台存在模型加载、空间开采与监测等技术缺陷。通过采用新型三维可加载模型试验系统,实现模型均布加载、密闭空间开采模拟等技术创新,对枣泉煤矿120210工作面大倾角煤层开采进行大型三维可加载相似模拟试验研究,得出在工作面上部区域覆岩垮落充分、裂隙发育,关键域形成层位高,下部区域覆岩垮落不充分,关键域形成层位低,覆岩空间垮落呈非对称拱壳形态,上部区域应力值、来压强度、支承压力区应力集中系数等特征量明显大于下部区域。以上结果验证了大倾角煤层开采围岩空间结构形态和应力演化规律。

大倾角煤层长壁开采空间应力拱壳形态研究

大倾角煤层特殊的赋存条件,造成在大倾角煤层开采中顶板空间应力场的演化规律、顶板破断垮落后所形成的围岩结构等较缓倾斜煤层开采时异常复杂,导致维持顶板稳定性的难道加大。基于大倾角煤层开采物理相似材料模拟实验和数值仿真结果,分析了在大倾角煤层开采中围岩结构的基本特征和应力拱壳的基本特性,认为非对称空间应力拱壳是开采扰动破坏原岩应力平衡后,上覆岩层在自我组织能力作用下所形成的主应力迹线的空间展布形态,空间应力拱壳沿走向对称,沿倾向非对称,且当工作面推进距离远大于工作面长度时,空间应力拱壳中间区域沿倾向的形态基本保持不变。据此,在考虑冒落矸石非均匀充填效应的基础上,建立了沿倾向和沿走向的三铰拱力学模型,推导给出了沿倾向非对称拱和沿走向对称拱的轴线方程,并通过算例对研究结果进行验证。结果表明,文中给出的轴线方程能较好的描述采场空间应力拱壳的基本形态;当工作面推进距离远大于工作面长度时,空间应力拱壳沿走向两端对称区域的形态基本保持不变;沿走向对称应力拱的拱高和跨长在倾斜方向上呈先增大后减小的趋势;最大垮落高度在倾向方向的中上部区域,该区域走向应力拱的跨长和拱高也最大。

钢拱桥边跨三角区扁平钢箱梁剪力滞影响研究

为了研究扁平钢箱梁的剪力滞效应对大跨径钢拱桥边跨三角区刚度的影响,分别建立了梁单元模型和梁壳混合单元模型,结果表明:该扁平钢箱梁的剪力滞后导致边跨三角区刚度减小,使得钢箱梁和拱肋的挠度比按全截面有效的梁单元计算的结果大。

大倾角煤层长壁开采围岩宏观应力拱壳分析

基于大倾角煤层开采物理相似材料模拟、数值模拟结果,分析了围岩宏观应力拱壳的力学特征,认为应力拱壳是开采扰动破坏原岩应力平衡后,围岩在自组织作用下形成的起主要承载作用的高应力形态,是在某一强度准则下强度包络线的空间展布形态,具有几何形态非对称性和应力分布非均匀性。据此,建立了应力拱壳分析模型和坐标系统,推导出宏观应力拱壳的形态方程,给出应力拱壳的稳定性判别准则,其失稳关键部位失稳主要有壳顶拉伸破坏失稳、壳肩压剪破坏失稳、壳基复合失稳3种形式,根据应力拱壳关键部位失稳过程可将应力拱壳的失稳分为"壳基-壳顶(壳肩)"失稳模式和"壳顶(壳肩)-壳基"失稳模式。

大倾角煤层开采覆岩应力场形成及演化特征

针对大倾角煤层走向长壁工作面开采矿压显现和围岩破断活动的复杂性.基于对不同类型大倾角煤层走向长壁工作面开采数值计算分析,开展了大倾角煤层走向长壁开采覆岩应力场形成与演化研究.结果表明:大倾角煤层开采围岩内发生应力重新分布,应力传递路线发生偏移形成三维空间应力拱壳,其演化形态可由判别系数确定,随着工作面推进,应力拱壳逐渐向外围岩层扩展,且非对称特性显现程度增加,沿煤层走向应力拱扁平率逐渐增大,沿煤层倾向应力拱扁平率逐渐减小,且应力拱最大高度位置不断向回风巷道一侧偏移.以上研究结果为大倾角煤层安全高效开采提供了理论依据.

大倾角煤层长壁开采围岩应力传递路径时空演化特征

大倾角煤层开采中,受煤层倾角影响,采动应力在顶板岩层中的动态演化规律较一般煤层开采时复杂,发现并揭示采动应力的传递路径与宏观展布形态的演化特征是实现该类煤层安全高效开采的基石。以某矿25221工作面为工程背景,采用模拟实验、数值模拟、理论分析互馈的研究手段,在厘定围岩宏观结构演化规律的基础上,量化了围岩空间主应力包络面空间展布形态,揭示了围岩采动应力传递路径时空演化特征。研究结果表明:在大倾角煤层开采中,围岩破坏拱壳形态在高度上呈现先增大后趋于稳定的特征,倾向上、下端头位置处,壳基随着推进距离的增大而向深处煤体内偏移后趋于稳定;围岩应力包络拱壳呈现壳顶在工作面倾向中上部、壳基在采场四周煤体内的非对称拱壳体形态;围岩支承压力峰值的演化分为峰值增长区与稳定区;主应力受采动影响在煤壁前方呈现出先增大后减小的变化规律,而在采空区中部3者均下降且第一主应力下降幅度最大;第一主应力受采动影响,其应力传递路径可分为原岩应力区、应力增高区、应力降低区3个区域;应力增高区内,第一主应力在Z轴分量增加幅度最大,其方向自垂直于Y轴平面内旋转。研究结果揭示了顶板宏观应力拱壳与应力传递路径演化一般规律,丰富了大倾角煤层岩层控制理论。

大跨椭球面圆形钢拱结构的强度及稳定性分析

九寨沟甘海子国际会议度假中心温泉泳浴中心为一平面尺寸150m×65m的椭球形壳体。为满足建筑设计简洁通透的要求,该工程采用了沿椭球面短轴方向布置圆形钢拱结构为主要承载构件、拱间沿长轴方向布置矩形钢管作为檩条的结构方案。圆形钢拱则采用了一种新颖的上部∏形截面、下部圆管截面构成的组合截面形式。本文介绍了该结构的结构选型,分别给出了单拱结构、整体结构的内力分析、线性特征根屈曲分析及几何非线性分析的分析结果。分析表明,在升温条件下壳体结构出现很大的薄膜压应力,结构的稳定承载能力急剧下降。本文提出通过在结构中部设置伸缩缝的方法调整壳体屈曲前的薄膜应力状态,释放部分温度应力,从而达到提高结构整体稳定性的目的。

大倾角大采高工作面煤壁应力分布及变形特征研究

大倾角大采高工作面煤壁力学环境复杂,煤壁极易失稳,为更好防控煤壁失稳,亟待弄清工作面煤壁力学、形变特征。采用现场实测、数值计算、理论分析等方法对25221大倾角大采高工作面煤壁力学、形变特征进行分析。结果表明：超前支承压力在空间上以非对称拱壳形态作用于大倾角煤壁,在工作面走向以曲线形式逐渐降低;非均匀性超前支承压力使煤体发生非对称形变,水平位移量在工作面前方约0-13m范围内表现为中部〉下部〉上部,13m后则表现为中部〉上部〉下部,垂直位移在0-14.48m范围内表现为下部〉上部〉中部,14.48m之后位移量表现为中部〉下部〉上部,中部位移变形量最大,则中部区域煤壁失稳几率最大;采高增大,超前支承压力集中程度,煤体形变、位移量及大变形范围都会增大。