超半球双层球面网壳结构吊装方案比选及力学分析

超半球双层球面网壳结构吊装方案比选及力学分析

1角形单元结构杭州国际博览中心的单层面网壳结构是杭州国际博览中心钢结构面的重要组成部分。城市大厅的壳体结构为直径约59m的球形单巢网壳结构，在中国很少见。它延伸到44米高的主体结构中，超过75.043m。这是由三向网格组成的平面网格（k8cow）。图1a是以80个截面的形式排列在一起的单层球壳。单层球壳底部通过环形桁架支承于主体结构,解决了因下部主体结构刚度不均匀和因温度变化对单层球壳的影响。球壳杆件采用H型钢和方管柱组成,型钢规格为H150×150×6×8,H150×150×8×10,H250×150×12×16,H250×200×16×25,方管规格主要为□500×400×25×25,□750×600×20×20,□1650×500×25×25,球壳内部节点采用空心钢圆筒与杆件焊接连接的节点形式(见图1b)。2施工方案和单元划分2.1整体吊装优缺点目前球壳的安装方法有很多,结构的安装施工,需要根据不同的结构要求和环境条件,选择合适的施工方法。几种常见施工方法的优缺点比较:(1)高空散装法优点:将散件直接在设计位置进行总拼,施工方便;散件单体质量小,对起重设备起重量要求低;技术难度低,施工安全可靠;质量较易保证。缺点:本工程单体面积大、安装高度高,满堂脚手架的搭、拆工程量巨大;高空作业多、时间长,施工效率低,工期、质量不易保证;总体费用较高。(2)整体吊装优点:网架完全地面拼装,几乎无高空作业;施工精度及焊接质量较高。缺点:对起重设备要求高。(3)分条分块安装法加大工厂和地面拼装量,减少高空焊接量和高空作业;提高了劳动效率,加快了施工进度;便于施工,保证了施工质量;总体成本低。缺点:大型吊装机械需求增大;对工厂制作的质量要求提高。单层球壳是典型的缺陷敏感结构,对施工过程中的变形和误差要求十分严格,对结构的成型精度控制要求很高。比较几种施工方案的优缺点,并结合相应的工期安排,杭州国际博览中心单层球壳结构可采取“分条或分块安装”施工法进行安装,相对于高空散装,该法可以有效地加大工厂和地面拼装量,减少高空焊接量和高空作业。2.2吊装单元结构划分“分条或分块安装”需要将结构根据起重机起重量及施工环境分为多种标准的吊装单元,杭州国际博览中心根据施工区域的不同,初步将结构划分为4种主要单元,如图2所示。以下将主要针对4种吊装单元进行吊装过程中的力学分析,获得单元吊装过程中的力学响应状态,评估吊装方案的合理性。3安装分析3.1吊点位置的确定由于吊装过程中单元移动速度缓慢,可近似认为单元处于静力平衡状态,可以采用静力计算方法对其吊装过程中的状态进行分析,且由于自重作用,单元在吊装平稳状态下,吊点与单元重心在竖直方向上重合,因此通过静力计算单元吊装状态首先要确定不规则单元的重心位置,以便确定吊装平稳状态的吊索汇交点位置。重心位置可根据总体弯矩平衡原理确定,即首先对单元的各个角点进行三向约束,分别施加任意两个方向的重力加速度进行计算,求出相应反力,根据总反力对重心的弯矩平衡可以得出相应平面上的重心位置,进而确定单元重心的空间位置。在确定单元重心位置之后,根据单元在吊装平稳状态下,吊点与单元重心在竖直方向上重合的原理可以确定计算吊点的位置,建立调转分析的几何模型。吊装分析采用ANSYS软件进行,根据结构构件的受力特点,单层球面网壳型钢构件采用beam188单元进行模拟,该单元具有自定义截面、应力刚化、弹塑性、大变形和单元生、死等功能,符合结构受力特点、满足施工仿真要求,吊索采用具有双线性刚度矩阵的link10单元进行模拟,该单元不包括弯曲刚度,具有应力刚化、大变形功能和单元生、死功能,打开只受拉不受压特性后可以有效地模拟预应力施工中的拉索构件。计算时考虑起吊时动力效应,内力计算时考虑1.4倍的动力系数,位移响应按照标准值进行计算。3.2吊索长度的确定顶部吊装单元如图3所示,吊装方案采用2台汽车式起重机同时对称起吊,共设置4个吊点,整体吊装至指定位置。根据吊索长度的不同分别取12m和8m两种方案。表1给出了两种方案相应的统计结果,可以看出,方案1单元变形及所需吊装索力均较小,但是所需索长较长,两种方案吊装过程结构应力比均较小,变形均在弹性范围内,满足施工安全要求,可根据现场实际情况选择一种方案进行吊装。3.3吊索长度的确定中部吊装单元如图4所示,采用1台汽车式起重机,共设置4个吊点,根据吊装过程中单元的姿态和吊索的长度,对两种吊装方案进行分析:方案1为平调,吊装单元水平放置,吊索长度分别为8,7.06m;方案2为斜吊,吊装过程中吊装单元姿态和安装就位后的姿态一致,吊索长度分别为10,5.36m。表2给出了两种方案相应的统计结果,可以看出,整体上两种方案吊装过程结构应力比均较小,变形均在弹性范围内,满足施工安全要求,但是方案2即斜吊的单元变形及所需吊装索力均比方案1小,这是因为斜吊时,单元在竖直方向接近于面内受力,面外受力效应变小,单元受力更加合理,且拼装时结构姿态调整较少,施工更加便捷,因此条件允许情况下,建议采用方案2吊装方案。3.4吊装方案优化根据吊装总体方案,底部吊装单元分为两种(见图5),底部单元吊装采用1台汽车式起重机,共设置4个吊点,根据上述分析结果,并考虑到底部吊装单元比较狭长,可采用斜吊方案,增加吊装的稳定性,吊装过程中单元为就位时姿态,有利于吊装单元的安装。表3给出了两种吊装单元的吊装分析统计结果,结果表明采用斜吊方案吊装过程中,结构应力比较小,变形均在弹性范围内,底部单元吊装方案满足施工安全要求,实际施工可以按照所分析方案进行底部单元吊装。4结构吊装分析模型1)对杭州国际博览中心超半球单层球面网壳结构施工方案进行了比选,确定采用“分条分块安装”方案施工,并对单元吊装进行了标准的吊装单元划分。2)建立了单层球面网壳结构吊装分析模型,根据吊装平衡状态下吊点与单元重心在竖直方向上重合原则建立了结构吊装分析模型,给出了结构吊装分析的静力计算方法。3)通过顶部、中部及底部4种吊装单元的吊装方案分析,给出了吊点的设置、吊索下料长度