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國家體育館工程中滑移胎架的計(jì)算分析

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    婁衛(wèi)校 徐建設(shè) 李雪良 黃明鑫 崔嵬
    （浙江精工鋼結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)，且由于滑移過程的復(fù)雜性，因此很難簡化出一個(gè)合理的計(jì)算模型。我們通過簡化模型測定平面外的水平力、壓彎構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算、多個(gè)滑移胎架整體計(jì)算和抗傾覆分析保證了滑移胎架的強(qiáng)度和穩(wěn)定。
    關(guān)鍵詞：滑移胎架 壓彎構(gòu)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(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)控制、有限元模擬等輔助技術(shù)也應(yīng)用于大跨度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的施工中[1]。目前大跨度屋架鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jì)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(yùn)中心區(qū)的三大主場館之一，總建筑面積約為81000平方米，是奧運(yùn)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(jié)構(gòu)形式為單曲面、雙向張弦桁架鋼結(jié)構(gòu)，上弦為正交正放的平面桁架；下弦預(yù)應(yīng)力張拉索，穿過鋼撐桿下端的雙向索夾節(jié)點(diǎn)，形成雙向空間張拉索網(wǎng)。
    鋼屋架工程采用整體累計(jì)滑移的施工方法，實(shí)現(xiàn)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(qū)，如圖1所示：在7軸、24軸各設(shè)置一條滑道，16軸設(shè)置兩條滑道；在N軸和Q軸之間 設(shè)置拼裝平臺(tái)，16軸設(shè)置滑道支撐架和滑移胎架。由于鋼屋架16軸撐桿最大長度近9米，決定了滑移胎架的高度。滑移施工過程中，滑移胎架為機(jī)構(gòu)且高度大，因此滑移胎架設(shè)計(jì)是支撐架系統(tǒng)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，沒有平面外的水平分力；在滑移過程中，由于震顫和結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問題。


    2. 滑移胎架的荷載條件
    豎向力：根據(jù)滑移施工過程分析，單個(gè)滑移胎架承擔(dān)的最大豎向荷載N為1022KN。
    面內(nèi)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(nèi)水平力的來源，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(jù)滑移單位提供的數(shù)據(jù)，加速度取0.1g，則面內(nèi)水平力為0.1N。

    3. 滑移胎架平面外水平力的確定
    在滑移過程中，由于震顫和結(jié)構(gòu)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，按三種約束條件來測定水平分力的大小：

    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，故簡化為單一方向滑動(dòng)的鉸支座，多個(gè)滑移胎架的簡化模型入圖6，單個(gè)胎架的簡化模型如圖7所示。

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




    圖11給出了計(jì)算模型，經(jīng)計(jì)算，各桿件的所有桿件的應(yīng)力比統(tǒng)計(jì)見圖12，由圖可知，滑移胎架各桿件均處于彈性范圍，滿足強(qiáng)度要求。
    變形計(jì)算表明，胎架頂部的最大側(cè)向水平位移為3.2mm，由此引起的位移角為3.2/12000=1/3750，滿足變形要求。

    7滑移胎架的抗側(cè)翻分析
    盡管上述計(jì)算及構(gòu)造可以滿足滑移胎架的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求，但考慮到本工程的重要性及滑移施工過程的偶然因素，現(xiàn)對滑移胎架的抗側(cè)翻措施做進(jìn)一步分析。
    圖7的防側(cè)翻折板可以起到防止滑移胎架側(cè)翻的作用，當(dāng)滑移胎架有側(cè)翻時(shí)，圖13的A點(diǎn)為側(cè)翻旋轉(zhuǎn)的中心點(diǎn)。

    由上表可知，當(dāng)側(cè)向水平力分別為L=0.05P、L=0.1P和L=0.2P時(shí)，抗傾覆力矩均超過傾覆力矩，滑移胎架沒有側(cè)翻的危險(xiǎn)。
    若令M1＝M2 即L×12＝P×3 可得L=0.25P
    即只有當(dāng)側(cè)向水平力L=達(dá)到豎向力的0.25倍時(shí)才會(huì)發(fā)生側(cè)翻。而實(shí)際上經(jīng)分析，有7軸和24軸的邊滑道標(biāo)高不一致而引起的側(cè)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(dá)到0.25P。
    因此可以認(rèn)為，滑移過程中滑移胎架的側(cè)向穩(wěn)定是可以保證的，具有足夠的安全度。
    8 結(jié)論
    通過以上分析，得出以下結(jié)論：
    1.通過近似假設(shè)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(wěn)定（忽略了滑移胎架底部六米6mx2m截面的有利影響）的計(jì)算表明，考慮偏心作用的穩(wěn)定應(yīng)力僅為86.3N/mm2，遠(yuǎn)小于鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度215 N/mm2，滑移胎架平面外有足夠的安全度。
    3.通過多個(gè)滑移胎架整體計(jì)算，可以看出桿件強(qiáng)度滿足要求，平面外變形僅為1/3750。
    4.通過抗傾覆分析，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(shè)計(jì)中作了大量的工作，在方案的討論過程中公司的各位老專家如劉子祥、何奮韜、楊文柱、戴為志等多次提出了很多寶貴意見，在此一并表示感謝。
    參考文獻(xiàn)
    1. 鮑廣鑒. 現(xiàn)代大跨度空間結(jié)構(gòu)施工技術(shù). 鋼結(jié)構(gòu)，2005，20（1）
    2. 郭彥林. 澳門綜合體育館主桁架整體提升及提升塔架分析. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2005，26（1）
    3. 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009?2001）
    4. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 （GB50017?2003）
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