单层折面空间网格结构施工力学分析及控制研究与应用

摘要

随着经济建设的不断推进，以高耸结构、大跨度结构、超高层结构及复杂异形结构等为结构类型式的重大工程项目日益增多，工程规模的扩大和结构体系的复杂带来了施工过程的复杂性和安全性问题，进而导致施工工况对结构受力状态产生很大的影响。因而，有必要针对复杂空间钢结构进行施工全过程模拟分析以了解结构在施工阶段的力学特性，同时研究结构施工过程中一系列相关问题。
　　本论文以深圳世界大学生运动会主体育场钢结构屋盖工程建设为研究背景，着重分析单层折面空间网格钢结构施工阶段力学特性，提出其关键施工力学问题，研究了相关施工技术，并通过工程的建设实践，验证理论研究和有限元分析计算的正确性。
　　通过论文研究，获得了一些有价值的结论，部分研究成果直接应用于体育场钢屋盖安装以助于提高工程建设水平、节约投资、缩短工期、确保质量。论文的主要研究内容摘要如下：
　　1、单层折面空间网格结构综合安装技术研究
　　单层折面网格结构的施工技术涵盖了深化设计技术、安装技术、焊接技术、支撑胎架卸载技术、吊装技术等多项关键技术。分析了深化设计的一般流程，探讨了深化设计中节点和杆件的铸钢节点和焊接节点的深化原则，并在大运中心主体育场实施。根据单层折面空间结构铸钢构件多、节点轻重不一的特点，优选了使用大吨位履带吊机械，以高空散装为主、组合构件为辅的吊装方法；设计了适合圆管、矩形管及多支管铸钢节点的仿形拼装胎架。对200mm厚铸钢管与锻钢管异种焊接进行了深入分析，探讨了控制焊接变形和减少焊接裂纹的工艺方法，并通过试件评定和工程检测验证了工艺的合理性和可靠性。建立了集坐标与标高为一体的钢结构测量控制点，减少了多次设站的工作量，提高了工作效率。设计了地脚锚栓套架以控制各倾斜锚栓相对位置，在锚栓定位套板上精确画出十字轴线标识，并设四个标高控制点进行精准控制，以保证锚栓及钢结构定位安装的准确性。
　　2、单层折面空间网格结构施工力学跟踪技术
　　由于单项工程的规模庞大，大跨空间钢结构通常是分阶段安装的，施工过程存在明显的阶段性，结构在施工建造过程中经历了一系列准结构，各阶段的几何形态、刚度、材料性能及其荷载和边界条件发生变化，在施工过程中的受力状态与各施工步对应的时间表现出非线性，必须考虑施工过程等对结构最终成型的影响，对结构进行施工全过程的跟踪分析。利用有限元程序对深圳大运中心主体育场进行了数值跟踪分析，探讨了不同施工方案对永久结构和支撑胎架内力和变形的影响。深入分析了合拢安装阶段的受力，并为快速合拢接头的设计提供依据。
　　3、单层折面空间网格结构体系转换技术
　　通过对深圳大运中心主体育场的胎架卸载进行理论分析，并以此为据制定了合理的施工措施和应急措施进行施工控制，通过监测证明分析可靠，支撑卸载得以顺利进行。探讨了简便的确定卸载总体方案的方法，并在深圳大运中心主体育场中应用。分析了胎架卸载过程可能出现的结构初始顶升、卸载不同步、单点顶升力过大、卸载水平力过大等各种问题，提出了解决方案。通过现场监测，验证了卸载方案的合理性和计算分析的可靠性。

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1 绪 论

1.1 单层折面空间网格结构

1.2 刚性大跨度空间钢结构安装方法

1.3 施工过程力学分析

1.4 本文的研究思路与内容

2 单层折面空间网格结构关键施工技术分析

2.1 工程概况

2.2 主体育场钢结构施工重难点分析

2.3 钢结构深化设计技术

2.4 单层折面空间网格结构钢屋盖安装技术

2.5 厚钢板焊接技术

2.6 单层折面空间网格结构定位控制技术

2.7 小结

3 考虑施工过程影响的大跨度折面空间钢结构数值跟踪分析

3.1 引言

3.2 刚性大跨度空间钢结构施工力学分析理论基础

3.3 计算模型的确定

3.4 不同安装方法对单层折面空间网格结构影响分析

3.5 不同安装方案对单层折面空间结构支撑胎架影响分析

3.6 钢结构合拢安装受力性能分析及施工控制

3.7 小结

4 大跨度单层折面空间网格结构体系转换技术

4.1 引言

4.2 总体结构体系转换方案的确定

4.3 结构体系转换过程力学分析

4.4 卸载过程中的关键问题及处理措施

4.5 卸载工艺及施工监控

4.6 卸载结果数据

4.7 监控值和理论值对比分析

4.8 小结

5 结论和展望

5.1 主要研究成果及创新点

5.2 展望

致谢

参考文献

附