设计—建造模式下空间管桁结构的设计研究

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近年来,随着人们对建筑美学的要求越来越高,建筑师为体现建筑物的三维立体效果,出现了大量异型的、造型新颖的大型复杂空间钢结构。其中,管桁结构因其易于制作、结构轻巧、材料利用率高等特点深受结构工程师喜爱。与此同时,据统计,在现阶段发生的工程事故中,有近八成是在施工阶段发生的,究其主要原因,是结构在设计阶段没有考虑施工阶段的影响以及期间可能存在的重大薄弱环节,设计方和施工方没有有效联系起来。本文以上述观点为出发点,在基于设计-施工总承包模式的基础上,以一个典型的大跨度空间管桁结构工程为案例,从结构工程的角度,采用SAP2000结构分析与设计软件,对该案例进行设计阶段和施工阶段的全过程模拟分析。在设计阶段,假定工程所处的地理条件,得到相关的地震等级、风荷载、温度和恒活载作用情况,对结构进行静力计算分析、自振特性分析、小震和中震作用的下振型分解反应谱分析、抗震性能化目标设计、多遇地震作用下的弹性时程分析分析等计算。通过以上分析结果表明,桁架单元将受弯梁复杂的应力状态转化为桁架杆件简单的拉压应力状态,力流传递明确,杆件以受轴向力为主。其次,对于此类大跨度悬挑管桁结构,结构竖向刚度较弱,结构本身存在扭转耦联作用。最后,本工程在地震作用下,均通过了振型分解反应谱法和弹性时程分析法计算,并满足小震弹性,中震重要构件不屈服的抗震性能化目标。在施工阶段,结构的临时状态在原整体设计中并未考虑。随着每一施工步的进行,每个施工阶段内的结构分析是采用线性分析,但对于整个施工过程,结构的质量、刚度、荷载以及边界条件在不断发生变化,每次分析都是基于上一次分析结果上进行,因此阶段施工分析是一个特殊类型的静力非线性分析。根据施工阶段可能出现的荷载工况,分别对结构进行吊装分析、加载分析和卸载分析。通过对组成单元的吊装分析,选择了合适的吊点,且过程中没有出现局部过大变形,应力比较小。其次,选择2种加载方案对加载过程进行模拟分析,分析其过程与结果,在两者均满足强度时选择阶段变形较小、变化平缓的方案为最终的加载方案。最后,胎架的卸载成为本课题的关键问题,卸载过程实为结构体系转换过程,并引起结构发生内力重分布,对结构最终形态有至关重要作用。通过6种卸载方案并进行分析比较,综合卸载阶段的变形、支座反力值变化等结果,选择同步等值卸载法为最终卸载方案。
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