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國家體育館工程中滑移胎架的計算分析

作者:建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間:2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    婁衛校 徐建設 李雪良 黃明鑫 崔嵬
    (浙江精工鋼結構有限公司 浙江紹興 312030)
    摘要:滑移胎架本身是一個(gè)滑動(dòng)的機構,且由于滑移過(guò)程的復雜性,因此很難簡(jiǎn)化出一個(gè)合理的計算模型。我們通過(guò)簡(jiǎn)化模型測定平面外的水平力、壓彎構件的穩定計算、多個(gè)滑移胎架整體計算和抗傾覆分析保證了滑移胎架的強度和穩定。
    關(guān)鍵詞:滑移胎架 壓彎構件 抗傾覆分析 平面外水平分力
    Calculation and Analysis of Slippage Frame in the National Stadium Project
    Lou Weixiao Xu Jianshe Li Xueliang Huang Mingxin Cui wei
    Abstract: Slippage frame itself is a sliding body,and the process of slip is complex,
    so it is difficult to simplify the calculation to be a reasonable model.
    To get the horizontal force out of slippage frame surface , we simplify the model to
    measure it; Through calculating the stability of beamcolumn member, overall calculation
    of many slippage frames, and overturn analysis, we ensures the slippage frames’
    intensity and stability.
    Keyword: slippage frame, beamcolumn member, intensity and stability analysis, horizontal
    force out of slippage frame surface
    1.概述
    隨著(zhù)人們對建筑美學(xué)和功能多樣化的要求日益提高,使施工技術(shù)不斷進(jìn)步,一些諸如計算機動(dòng)態(tài)控制、有限元模擬等輔助技術(shù)也應用于大跨度、復雜結構的施工中[1]。目前大跨度屋架鋼結構工程施工主要有高空散裝、整體提升和整體滑移3種方案,其針對不同情況各具優(yōu)缺點(diǎn)[2]。本文主要以國家體育館屋架鋼結構工程為背景,就其滑移方案中的中滑道12米高滑移胎架進(jìn)行計算分析。
    國家體育館位于北京奧林匹克公園南部,是北京奧運中心區的三大主場(chǎng)館之一,總建筑面積約為81000平方米,是奧運會(huì )體操、手球,殘奧會(huì )輪椅籃球的比賽館,是一座具有國際先進(jìn)水平的大型多功能體育館。鋼屋蓋結構形式為單曲面、雙向張弦桁架鋼結構,上弦為正交正放的平面桁架;下弦預應力張拉索,穿過(guò)鋼撐桿下端的雙向索夾節點(diǎn),形成雙向空間張拉索網(wǎng)。
    鋼屋架工程采用整體累計滑移的施工方法,實(shí)現了地面拼裝、高空胎架拼裝、雙向索的安裝施工同時(shí)進(jìn)行,成功地解決了工期緊、任務(wù)重的難題?;剖┕げ糠謨H限于比賽區,如圖1所示:在7軸、24軸各設置一條滑道,16軸設置兩條滑道;在N軸和Q軸之間 設置拼裝平臺,16軸設置滑道支撐架和滑移胎架。由于鋼屋架16軸撐桿最大長(cháng)度近9米,決定了滑移胎架的高度?;剖┕み^(guò)程中,滑移胎架為機構且高度大,因此滑移胎架設計是支撐架系統中的一個(gè)難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。另外由于7軸滑道比24軸的滑道低5.1米,如圖2所示,從理論上講,三個(gè)支撐點(diǎn)都只提供豎向的水平支撐力,沒(méi)有平面外的水平分力;在滑移過(guò)程中,由于震顫和結構下鐃變形可能有水平方向的分力,因此如何考慮平面外的水平分力也是滑移胎架設計的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。


    2. 滑移胎架的荷載條件
    豎向力:根據滑移施工過(guò)程分析,單個(gè)滑移胎架承擔的最大豎向荷載N為1022KN。
    面內水平荷載:桁架啟動(dòng)滑移時(shí)加速所需外力為滑移胎架頂部平面內水平力的來(lái)源,由于爬行器的爬行速度僅為6m~8m每小時(shí),加速度也很小,根據滑移單位提供的數據,加速度取0.1g,則面內水平力為0.1N。

    3. 滑移胎架平面外水平力的確定
    在滑移過(guò)程中,由于震顫和結構下鐃變形可能有水平方向的分力,為工程安全考慮,我們假定一榀縱向桁架為不等高度的三點(diǎn)連接而成的兩根剛性桿,桿上加均布荷載,按三種約束條件來(lái)測定水平分力的大?。?br />

    三種約束條件下水平分力與豎向力的最大比值為3.22%,考慮一些偶然因素,滑動(dòng)胎架平面外分力取豎向荷載的5%。

    4. 滑移胎架的簡(jiǎn)化模型
    參照圖4和圖5,滑動(dòng)胎架上部與屋面桁架前后左右雙向卡位固定,故模型上端簡(jiǎn)化為鉸接;下端由于上部桁架自重作用與滑軌之間有很大的摩擦力,左右不可能有相對位移,故簡(jiǎn)化為單一方向滑動(dòng)的鉸支座,多個(gè)滑移胎架的簡(jiǎn)化模型入圖6,單個(gè)胎架的簡(jiǎn)化模型如圖7所示。

    圖6多個(gè)滑移胎架的簡(jiǎn)化模型 圖7 單個(gè)滑移胎架簡(jiǎn)化模型 圖8 考慮頂部側移的模型
    5. 單個(gè)滑動(dòng)胎架平面外穩定計算
    簡(jiǎn)化圖8考慮豎向荷載10mm偏心作用,滑移過(guò)程的最大豎向支反力為1022KN,考慮1.05的動(dòng)力系數和1.3的不均勻系數,




    圖11給出了計算模型,經(jīng)計算,各桿件的所有桿件的應力比統計見(jiàn)圖12,由圖可知,滑移胎架各桿件均處于彈性范圍,滿(mǎn)足強度要求。
    變形計算表明,胎架頂部的最大側向水平位移為3.2mm,由此引起的位移角為3.2/12000=1/3750,滿(mǎn)足變形要求。

    7滑移胎架的抗側翻分析
    盡管上述計算及構造可以滿(mǎn)足滑移胎架的強度、剛度和穩定性要求,但考慮到本工程的重要性及滑移施工過(guò)程的偶然因素,現對滑移胎架的抗側翻措施做進(jìn)一步分析。
    圖7的防側翻折板可以起到防止滑移胎架側翻的作用,當滑移胎架有側翻時(shí),圖13的A點(diǎn)為側翻旋轉的中心點(diǎn)。

    由上表可知,當側向水平力分別為L(cháng)=0.05P、L=0.1P和L=0.2P時(shí),抗傾覆力矩均超過(guò)傾覆力矩,滑移胎架沒(méi)有側翻的危險。
    若令M1=M2 即L×12=P×3 可得L=0.25P
    即只有當側向水平力L=達到豎向力的0.25倍時(shí)才會(huì )發(fā)生側翻。而實(shí)際上經(jīng)分析,有7軸和24軸的邊滑道標高不一致而引起的側向水平力只有豎向力的0.03倍,考慮其它不利因素,L亦不會(huì )達到0.25P。
    因此可以認為,滑移過(guò)程中滑移胎架的側向穩定是可以保證的,具有足夠的安全度。
    8 結論
    通過(guò)以上分析,得出以下結論:
    1.通過(guò)近似假設模型估算了滑移胎架由于偶然因素引起的水平力。
    2.單個(gè)滑移胎架平面外的穩定(忽略了滑移胎架底部六米6mx2m截面的有利影響)的計算表明,考慮偏心作用的穩定應力僅為86.3N/mm2,遠小于鋼材的設計強度215 N/mm2,滑移胎架平面外有足夠的安全度。
    3.通過(guò)多個(gè)滑移胎架整體計算,可以看出桿件強度滿(mǎn)足要求,平面外變形僅為1/3750。
    4.通過(guò)抗傾覆分析,可以看出滑移胎架有足夠的抗傾覆能力。
    雖然我們對滑移胎架作了以上分析,但還有很多諸如因素未考慮:溫度作用的影響、滑移工程中不同步等,這些影響有待于進(jìn)一步研究。
    致謝
    婁峰、梁忠等同事在本工程滑移胎架方案的前期設計中作了大量的工作,在方案的討論過(guò)程中公司的各位老專(zhuān)家如劉子祥、何奮韜、楊文柱、戴為志等多次提出了很多寶貴意見(jiàn),在此一并表示感謝。
    參考文獻
    1. 鮑廣鑒. 現代大跨度空間結構施工技術(shù). 鋼結構,2005,20(1)
    2. 郭彥林. 澳門(mén)綜合體育館主桁架整體提升及提升塔架分析. 建筑結構學(xué)報,2005,26(1)
    3. 建筑結構荷載規范(GB50009?2001)
    4. 鋼結構設計規范 (GB50017?2003)
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