基于整体提升的重型钢桁架施工期结构分析

来源: www.sblunwen.com 作者:lgg 发布时间:2016-07-07 论文字数:39172字
论文编号: sb2016070217205515749 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是土木工程论文,本文以绵阳科技馆东侧钢桁架整体提升为工程背景,采用 ANSYS 有限元软件对提升过程进行数值模拟分析,研究钢桁架采用 8 吊点、12 吊点及 16 吊点进行整体提升法施工,
1   绪   论  
 
1.1  引言 
自从改革开放以后,我国经济建设一直保持着高速发展,尤其最近几年,人们在建筑的美感、艺术性、可观赏性方面的追求和建筑理念建筑及施工技术的不断创新,导致各类工程的建设规模日益扩大。高耸结构、大跨结构、超高层结构以及一些复杂异形结构在工程项目中的应用也日益增多。建筑规模的扩大和施工技术的发展,促进了建筑设备制造与结构提升技术的发展与繁荣,全国各地相继建成一批建筑规模巨大、技术复杂的基础设施和诸如体育场馆、会展中心、机场建筑这类大型公共建筑,即展现了我国的综合国力,同时也在很大程度上改善和提高了广大人民的物质文化生活水平和城乡整体面貌,标志着我国的钢结构设计与安装技术水平又迈上了一个新台阶。工程项目结构越复杂必然会带来更多的施工技术难题,如若不能很好地解决这些难题,在工程建设规模迅速发展的同时,施工中的事故也会逐渐增多,这对人们的生命财产安全及工程建设进度都将会产生严重的影响。通常建筑物从开始施工到投入使用,再到维修阶段的整个生命周期中,施工阶段因材料的性质、结构承受荷载的复杂性和不确定性以及一些理论的不成熟性导致施工的风险率相对较高,尤其是大型复杂钢结构项目,其结构复杂,施工难度大,施工方法不成熟以及钢结构本身的易失稳性的性质意味着其施工阶段的风险率比混凝土结构更高,因此如何在施工过程中选择正确的施工方法是十分重要的。所以,对大型结构安装新技术的研究和应用,即适应了我国在大跨度钢结构整体安装技术发展趋势,同时对促进我国整个建筑行业的发展也具有十分重要的现实意义。 
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1.2  国内外整体提升技术的发展及研究现状
随着科学技术的飞速发展以及对建筑艺术审美要求的提高,建筑结构的造型也呈现出多样性,从以前单一的网架、网壳结构发展到现在的网架、网壳、膜结构、悬索结构、薄壳结构等多种结构及其各种组合形式。随着结构分析理论和方法的成熟和创新,越来越多其他领域(如桥梁)的一些结构形式也被应用到大跨度空间结构中,使这一领域的结构形式也越来越变幻多端,促使大跨度空间结构在最近 30 年来得到了飞速发展。随着大跨度及其空间结构在工程中的广泛应用,整体提升法在大跨度及其空间结构的施工过程的应用也越来越多,同时也促进了对整体提升法施工技术的研究。奥运场馆、国家大剧院、央视新台址等全国各地新建的一批有重大影响的钢结构项目,在结构设计和钢结构安装技术方面都取得很多新的成就。 钢结构工程质量的好坏不仅仅依靠设计的合理性、材料的质量及加工技术,还应注重选择合理的结构安装施工工艺。由于工程的实际需要,在施工过程中引入了许多先进的施工工艺,这不仅能保证施工的顺利进行,同时对钢结构行业发展起到了促进作用。结构施工除了加强施工组织设计与现场管理外,还应在施工方案以及新技术、新工艺等方面加强研究。钢结构工程项目很多时候都会运用到结构安装技术,结构安装施工的方法关系着工程质量及施工安全。在选择施工安装方法时应根据每个钢结构项目的特点合理选择提升方法,这样才能确保施工的安全及质量。钢结构安装方案选择的基本原则[1]: ① 政策性。施工方案的制定和实施过程中必须严格执行国家有关安全生产的各项法规。 ② 可靠性。施工技术方案应当能够确保施工和结构安全,在对进行施工技术方案比选过程中应坚持安全第一,对一些已经辨识评价的风险因素应该得到解除。结构最终采取何种施工方法,都应考虑该施工方法是否已经被成功应用于实际工程,否则应当对施工方法组织专家进行论证。 ③ 先进性。由于科学技术的发展,新的工艺、技术和设备不断地在结构安装领域推广和使用,根据具体工程项目的特点,结合施工经验,应当选择施工安全可靠、施工方便的方案进行结构施工。在条件允许的情况下,钢结构项目的施工过程中应当大力推广应用新工艺、新设备,从而不断提高结构的安装质量与效率。 
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2   整体提升法施工技术
 
2.1  整体提升法 
整体提升法是指将结构在地面或拼装胎架完成结构总体拼装后,然后通过提升设备将结构整体提升至设计位置,从而完成结构安装的成套技术。根据提升设备的不同,整体提升法又可分为拔杆整体提升法、液压提升器整体提升法以及自行杆式起重机整体提升法。拔杆整体提升法是指将结构在地面错位拼装完成形成完整结构,利用拔杆之间的连接形成稳定的承重体系,采用滑轮组作为提升过程中的提升装置,卷扬机为整个提升系统提供动力。整体提升过程中各组拔杆逐步接力提升,将结构提升到设计标高以上,然后进行空中移位及落位安装操作。采用拔杆进行结构整体提升具有以下优点: ①  采用滑轮组作为提升装置,施工过程中的进度及质量便于控制,方便快捷且可以减少人力及物力的投入。 ②  拔杆构造简单,便于进行安装及拆卸。 ③  在提升过程中进行逐步卸载,可以避免集中力对结构产生不利影响。
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2.2  整体提升施工动力及控制系统 
采用不同的提升设备,整个提升过程中所采用的各个系统也不尽相同。以液压提升器整体提升法为例介绍整体提升过程中的各个系统组成,液压提升器整体提升法施工过程中所采用的系统可分为:液压动力系统、电气控制系统、计算机控制系统以及其他系统。液压动力系统[21]由动力元件(液压泵,其作用是将机械能转化为压力动能)、执行元件(液压缸或液压马达,其作用是将压力动能转化为动能对外做功)、控制元件(控制阀,其作用时控制和调节系统中的压力和流量等)、液压辅件(油箱和管路等,其作用是为系统正常工作提供一些必要的条件并为对系统进行检测控制)和工作介质(即传动液体,其作用是实现运动和动力传递)组成的液压系统。液压动力系统的基本工作原理:由液压泵将机械能转换为液压油的压力动能,液压油的压力动能的变化经整个系统的管道及控制原件传递能量,并最终经液压缸或液压马达将压力动能又转换为机械能来驱动外部机构工作。液压系统动力的主要功能就是通过电气控制系统来实施提升、顶推等各种动作并控制动作的快慢。一般的液压工作原理如图 2.4 所示。   
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3   绵阳科技馆钢桁架整体提升吊点布置力学分析 ........... 31 
3.1  工程概况 ......... 31 
3.2  提升吊点布置原则及影响因素 ............. 32
3.3  建立计算模型 ........... 35 
3.4  不同吊点布置对结构强度影响分析 ..... 36 
3.5  提升过程中结构特征值屈曲分析 ......... 40
3.6  本章小结 ......... 44 
4   吊点提升不同步对结构的影响分析 ........ 45 
4.1  提升不同步的因素分析 ..... 45 
4.2  提升不同步工况的确定 ..... 47 
4.3  提升不同步工况的力学分析 ....... 47
4.4  钢桁架提升不同步限值的确定 ............. 51 
4.5  本章小结 ......... 53 
5   绵阳科技馆钢东侧桁架整体提升方案............. 55 
5.1  提升方案的分析和选用 ..... 55 
5.2  整体提升方案总体思路 ..... 55 
5.3  钢桁架整体提升力学分析 ........... 56
5.4  吊具选择及吊索计算 ......... 60 
5.5  吊车选型及布置 ....... 63 
5.6  钢桁架整体提升施工工艺 ........... 65 
5.7  同步控制及安全保障措施 ........... 68
5.8  本章小结 ......... 69 
 
5   绵阳科技馆钢东侧桁架整体提升方案 
 
5.1  提升方案的分析和选用 
分块提升法施工工艺已相当成熟 ,单榀桁架约20t,从技术上来说采用分块提升法施工是可行的。但是考虑到该项目其他分项的施工进度,若采用分块提升法,将会严重影响该项目的施工进度,不利于项目按时完工。因此,从经济角度考虑,采用高空散装法不合适。根据类似工程的施工经验,考虑到该钢桁架最终安装就位时的特点,将钢桁架构件完成拼装,之后采用多台履带吊进行多机台吊。采用此方案,结构拼装方便且拼装质量便于控制和监测,高空作业明显减少,不需要搭设大量的脚手架,施工安全、方便、经济。优先选择确定选择对结构影响较小且最能实现作业意图,保证结构受力和就位位置与设计图保持一致。根据以上分析并结合第三章第五节结构的特征值屈曲分析结果,决定在墙面桁架片的封口梁位置和梁柱连接的桁架梁位置设置吊点(即16 吊点Ⅲ布置方案)作为该钢桁架整体提升施工的吊点布置方案,为防止结构产生过大变形和保持受力状态尽量与结构体系受力吻合,决定在受力桁架柱对应梁的位置选择吊点,并尽可能避免出现局部过大受力,决定吊点和受力左右平衡施加。 
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结论
 
本文以绵阳科技馆东侧钢桁架整体提升为工程背景,采用 ANSYS 有限元软件对提升过程进行数值模拟分析,论文的主要研究内容及结论有以下几点: 
① 研究钢桁架采用 8 吊点、12 吊点及 16 吊点进行整体提升法施工,分析在不同吊点数量及布置方案情况下对结构应力的影响。通过对几种布置方案的情况来看,钢桁架在提升过程中吊点的位置不同会使钢桁架中杆件中的内力发生显著变化,并对不同布置方案下结构的应力比较,选择可作为钢桁架整体提升施工的吊点布置方案。 
② 对可作为钢桁架整体提升施工的吊点布置方案的几种方案进行结构平面外特征值屈曲分析,获得结构在重力荷载作用下前五阶的屈曲系数及其第一阶去屈曲模态。根据分析结果可知,随着吊点数量的增多,结构的屈曲系数增大。在相同吊点数量的情况下,不同的吊点布置位置对结构的屈曲系数影响很大。屈曲系数与结构在提升过程中的状态有关,该钢桁架在提升过程中存在翻转,其屈曲系数随结构倾斜角度的增大逐渐增大。 
③ 分析结构不考虑重力及其他荷载,仅考虑提升点位移差对提升不同步现象对结构影响。结合该桁架施工特点,将提升过程分为第一阶段与第二阶段,不考虑重力及其他荷载,仅考虑提升点位移差对结构的影响。单一提升点的位移差只会对该提升点附近的构件产生内力影响,对相邻较小跨度的杆件内力会造成显著影响,对跨度较大的相邻构件的影响可以忽略。在第一阶段施加20mm位移差时,1、2提升点和3、4提升点的最大变形要小于1、4提升点,且在相同位移差作用下,1、2与3、4提升点位移差引起的结构最大内力远小于1、4提升点。在提升第二阶段,随着钢桁架与水平倾斜角度的增大,在相同提升位移差作用下,引起的结构最大内力与位移也在逐渐增大。 
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