国产婬语对白在线|高清国产在线拍揄自揄|欧洲动漫精品专区一区二区三区|国产精品亚洲一区在现观看

奧體工程大跨度鋼結構設計施工若干問題的建議

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

    劉樹屯
    中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究院
    北京市西城區(qū)新外大街甲八號26-4-5
    100088

    摘 要：本文對大跨鋼結構設計方案、推廣應用高性能鋼材、結構安全等級的掌握、焊縫等級的選用及施工因素對設計承載能力的影響進行了論述。
    關鍵詞 ：設計方案、高性能鋼材、承載能力、殘余應力、
    一、體育場屋蓋設計方案應采用輕型結構、應考慮將看臺結構作為傳力的支承體系
    近些年來，我國陸續(xù)建成了幾個大跨度奧運體育場，南京奧體中心主體育場，屋蓋結構是由與水平面成45度傾斜的、跨度為361.58ｍ的三角形行架拱和有箱形鋼梁形成的馬鞍形空間網(wǎng)殼結構，用鋼量約12153噸。整個屋蓋結構由主拱和箱形梁外端“Ｖ”型支承將荷載傳至下部看臺（圖一），45度傾斜主拱宛如飄帶，結構體系造型新穎美觀。重慶奧體中心主體育場屋蓋結構也是由跨度314ｍ的三角形行架拱和空間網(wǎng)殼組成，網(wǎng)殼一端支承在看臺上，將荷載傳至下部看臺結構（圖二）。




    沈陽奧林匹克體育中心體育場為容納六萬人的大型體育場，罩棚鋼結構屋面為以橄欖葉的王冠為設計概念所設計成的跨度360m的大型屋頂，屋面罩棚結構采用單層網(wǎng)殼結構體系，南北罩棚內側懸挑處各設置一空間加勁三角桁架，屋面網(wǎng)殼采用單根大口徑鋼管，一端支撐在地面，另一端直接與懸挑端的空間加勁桁架相貫連接。本罩棚鋼結構總重量約12000噸，工程建筑面積103992?。這些工程的共同特點是屋蓋鋼結構充分利用下部看臺作為傳力結構，屋蓋方案采用輕型網(wǎng)殼和鋼管行架落地拱，造型新穎，用鋼量只有鳥巢的1/4。


    鳥巢鋼結構采用了與看臺完全脫開的方案（圖四、圖五），水平荷載通過行架、由鋼結構柱傳至柱底、而巨大的柱底水平力由與看臺基礎脫開的巨型柱腳傳遞，結果造成鋼結構桿件太大、鋼板太厚，總用鋼量超過4萬2千噸。如果在屋蓋門架柱頂處、看臺頂部給門架增設支點，利用下部看臺作為傳力結構，將極大減少整體鋼結構的內力、減少鋼材用量。這樣做并不影響“鳥巢”的建筑外形效果，也不影響室內觀眾視線。表一給出了在靜荷載作用下增設支點后的柱腳內力計算結果，其中FZ（支撐）、FX（支撐）分別表示增設支點后的24個柱腳處的豎向力、水平力；FZ、FX分別表示不增設支點、按照原設計計算簡圖計算的24個柱腳處的豎向力、水平力。計算結果表明，F(xiàn)Z／FZ（支撐）?1.57～1.97，F(xiàn)X／FX（支撐）?2.39～3.64，即增設支點后柱腳豎向力、水平力僅為原設計計算簡圖的57?、33?。
    通過上述分析，300ｍ已上大跨度體育場采用輕型空間鋼結構、利用下部看臺作為傳力結構，不但造
    型輕盈美觀，而且可以大量節(jié)省鋼材。





    二、大跨度體育場廣泛應用國產高性能鋼材，鋼材性能已優(yōu)于國外，
    ，我國建筑鋼結構應用的迅速發(fā)展，尤其是奧體大跨度體育場館的建設極大的推動了鋼結構應用技術水平的提高。隨著高層與大跨度鋼結構項目的增多，對結構用材的品種、質量及性能的要求也更高，現(xiàn)工程所需優(yōu)質厚鋼材（厚度50～100?）的供需矛盾仍較為突出，以致國內已建的大跨及高層鋼結構中，絕大多數(shù)采用了進口厚鋼材。為改變這一局面，鋼鐵行業(yè)研制開發(fā)了專為高層鋼結構用的優(yōu)質中厚板材，并于2000年頒布了《高層建筑結構用鋼板》YB4104-2000行業(yè)標準（見表二），并可大批量供應工程應用。這種牌號為Q235GJ、Q345GJ的優(yōu)質厚鋼板有著良好的綜合性能，如低厚度效應（板厚50～100?時屈服強度僅降低6%，而普通Q345鋼要降低20%），良好的延性與沖擊韌性（保證-40度沖擊功）及焊接性能（碳當量保證），以及抗撕裂性能（Z向性能保證）等。還可以正火狀態(tài)交貨，以消除內應力，細化晶粒，可以說能滿足按抗震設計的鋼結構用厚板材料的各種性能要求，其質量性能已優(yōu)于日本SN50鋼與美國A572-50級鋼。近兩年來，在北京中關村金融中心、上海文獻中心及北京電視中心、北京銀泰大廈等工程中采用舞陽鋼鐵有限責任公司生產的Q345GJZ厚板都取得較好的效果。其突出的優(yōu)點是可比普通Q345鋼提高設計強度18%，可降低相關用鋼量及造價10%以上，去年以來國家體育場（鳥巢）、五棵松文化體育中心等奧運場館及CBD區(qū)中央電視臺新址、國貿大廈（三期）等重點工程（要求厚度達100～130mm用鋼量超過10萬噸），都以此高層建筑鋼結構板材為厚板訂貨的首選用材。
    《YB4104-2000》是非等效采用JISG3136《建筑結構用鋼》標準制定的，其屈服強度級別最高為345MPa(（抗拉強度490MPa），而國際上已開發(fā)出抗拉強度590MPa和780MPa的高強度的建筑用鋼，為適應建筑結構向高層化和大跨度發(fā)展，建筑結構必須使用高強度鋼材，如鳥巢就在國內首次采用了Q460E-Z35厚度為100mm、110 mm高強度鋼約700噸，試驗結果證明，各項指標均滿足國標的要求。碳、硫、磷的含量分別為C≤0.17%、P≤0.015%、S≤0.015%、碳當量≤0.48%、屈服強度≥425MPa、抗拉強度≥575MPa、延伸率≥20%、強屈比≥1.2、-40度時Akv≥34J，抗層狀撕裂性能滿足Z35的相應要求。新的國家標準《GB/T19879-2005》新增加了490MPa、420MPa，460MPa三個強度級別，此標準是我國近年來高強鋼板研制開發(fā)的最新成果，按此標準生產的鋼板其技術性能已達到國際先進水平，表二列出了國標《GB/19879-2005》鋼材性能表。
    當前我國重大工程采用了Q345GJ、Q460GJ等鋼板，但《鋼結構設計規(guī)范》和《高層民用建筑結構技術規(guī)范》都一直未對上述鋼材新標準的變化做出積極的反應，也未提出任何修改補充應用的局部條款，致使設計與鋼材新產品標準間的矛盾日益突出，為此建議立即著手修訂有關規(guī)范以滿足設計急需。
    厚板的Z向抗撕裂性能屬于鋼材的純凈度要求，有Z向要求的鋼板會增加造價20%以上，故應慎重采用。
    1） 僅在施工中因接頭構造與焊接約束力較大，可以引起層狀撕裂的部位，并在使用中該處也受到層裂方向拉力作用時，才對該部位的厚板考慮Z向要求。
    2）對重要框架箱型厚板柱構件（節(jié)點區(qū)采用內隔板構造），當厚板t為40～60?時可要求Z15性能、當t?60?時可要求Z25性能，一般不宜要求Z35性能（Z15、Z25、Z35相應為厚板方向斷面收縮率應≥ 15%、25%及35%），此時鋼材相應的含硫（S）量應保證嚴格控制要求（分別≤ 0.01%、0.007%、0.005%）。
    3）對類似上述條件的厚翼緣H型鋼柱，由于節(jié)點區(qū)約束條件的不同，對厚翼緣鋼材有Z向性能要求時，可僅要求Z15性能的保證。
    4）當重要的承重框架梁柱節(jié)點采用梁貫通（梁上、下翼緣處對應的柱橫隔板貫通并與梁翼緣熔透對焊）構造，并當隔板厚度t?40?時，可僅對厚隔板材料附加Z性能要求。

    三、對結構各類構件的安全等級應區(qū)別對待，不要過分提高或降低安全等級。
    建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準中明確規(guī)定，建筑物中各類構件的安全等級可以進行調整，如果某些構件的破壞后果很嚴重，引起次生災害或整個結構的倒塌，其安全等級應適當提高；反之，結構的某些次要構件破壞后其后果不嚴重，不影響整體結構的安全，其安全等級應降低。結構不分主次，安全等級一律提高一級（其重要性系數(shù)1.1），強度設計值一律降低0.8倍，致使結構的安全度在原有設計安全度（1.55）的基礎上，又增加了1.1/0.8=1.378倍，總的安全度達到1.55×1.378 =2.136。主要構件安全度適當提高是可以的，但對于只起傳力作用的次要構件，其破壞并不影響整體結構的安全，安全度可適當降低。從抗震耗能的觀點出發(fā)，大震時希望次要構件出現(xiàn)塑性，這樣可以吸收地震能量，減少地震力作用，對整體結構的抗震是非常有利的。
    由于結構安全度不適當提高，致使當前一些大跨度工程用鋼量太大。當前要特別注意的是，在結構設計中，在保證安全可靠的前提下，不要過分加大結構的安全度，造成鋼材的大量浪費。
    另外，也要特別注意的另外一種傾向是：在某些工程的招標過程中，為中標壓價，盡量減少用鋼量，致使構件安全度太低，受壓構件的長細比太大，致使在安裝過程中造成桿件彎曲。由于安裝誤差太大，造成數(shù)百桿件超過設計應力，最后不得不采取現(xiàn)場加固處理措施。

    四、慎重選用全熔透焊縫，焊接殘余應力只能減少不能消除。
    鋼結構設計規(guī)范第7.1.18條對全熔透焊縫的采用做了明確規(guī)定，只有在下列情況下才能選用全熔透焊縫。
    1）在需要進行疲勞計算的構件中，凡對接連接焊縫均應焊透，受拉時為一級，受壓時為二級。
    2) 不需要計算疲勞的構件中，凡要求與母材等強的對接焊縫，應與焊透。受拉時為一級，受壓時為二級。
    重級工作制和起重量大于50噸的中級工作制吊車梁的腹板與上翼緣的連接焊縫要求焊透。質量等級不應低于二級。高層民用建筑技術規(guī)程第8.4.2條規(guī)定，箱型焊接柱其角部的組裝焊縫應為部分熔透的V型或U型焊縫（圖七）。焊縫厚度不應小于板厚的三分之一，抗震時不小于板厚的二分之一，當梁與柱剛接連接時，在框架梁的上下600mm范圍內，應采用全熔透焊縫。設計者一定要區(qū)分受力情況、重要程度，明確哪些部位采用一級全熔透焊縫。對于以靜載為主的結構，構件為軸心拉壓桿件，箱型構件的四條連接焊縫不受力，也不傳遞剪力。許多橋梁和大跨度鋼結構工程都采用了格構式構件，就是這個道理。


    采用部分熔透焊縫，可以省掉預熱、保溫等特殊的厚板焊接工藝，省掉熔敷金屬約三分之二，工作量僅為全熔透焊縫工作量的三分之一，如以每噸節(jié)省1000元計算，可以節(jié)省大量資金，同時又縮短工期。大量采用全熔透焊縫的結果，由于焊道數(shù)量的大量增加，造成焊接熱量的大量堆積，熱影響區(qū)加大，致使焊接變形及焊接應力加大。
    關于焊接殘余應力問題，在某些工程中設計規(guī)定施工中要消除焊接殘余應力。這項規(guī)定給制造和安裝造成極大困難，最終未能實現(xiàn)。殘余應力是加工制造過程中必然產生的，焊接時產生的不均勻溫度場，必然導致焊接殘余應力的產生，當焊縫及其附近金屬被加熱并發(fā)生膨脹時，遠離焊縫的冷金屬對其該部分金屬產生約束，當恢復到室溫時，焊接被加熱的金屬就會產生拉應力，而約束部分則產生相應的壓應力來平衡。圖八畫出了H型截面常用殘余應力分布形式。

    殘余應力的存在，可能會減低截面抗側向剛度和構件平面內整體抗彎剛度，對構件的穩(wěn)定性有一定影響，現(xiàn)以翼緣為軋制邊的焊接工字形截面為例（圖九），它沿構件長度方向殘余應力的分布如圖所示，假定翼緣邊緣最大殘余應力為 σrc=0.45fy ，將構件截取一段作短柱試驗，當外力產生應力σ=N/A=0.55fy以后，翼緣邊緣開始屈服，并逐漸向內發(fā)展，能繼續(xù)抵抗外力的彈性區(qū)逐漸縮小，由于截面塑性的發(fā)展，對弱軸Y-Y的剛度的影響要比對強軸X-X的影響更大。

    由于各類構件截面殘余應力分布情況有較大差異，而其影響又隨壓桿屈曲方向而不同，故φ-λ曲線實際上是一個分布帶，“TJ17-74規(guī)范”采用一條曲線顯然不合理，國外規(guī)范多采用2-3條曲線，“GBJ17-88”共計算了200多條柱子曲線，采用了13種殘余應力模式，考慮初始彎曲L/1000，最后將這200多曲線歸納為a、b、c三條曲線（圖十）。由于高層和大跨度結構的日益廣泛應用，新規(guī)范“GB50017-2003” 修訂增加了第四類即d類截面的穩(wěn)定系數(shù)。高層及大跨的柱翼緣厚度都超過40毫米，這類厚壁柱的殘余應力值很高，且沿壁厚方向變化，板件外表面往往以殘余壓應力為主，對構件的穩(wěn)定的影響較大，導致它的承載能力下降。以 λ=60為例，d類構件比a類構件φ 值減低了30%，比b類降低了23%，比c類降低了13%，隨λ值的加大，d類構件的φ值降低的就更多（圖十）。


    基于上述分析，國家規(guī)范已對殘余應力對構件承載能力的影響作了充分考慮，設計者在實際工程中不必采取消除殘余應力的措施，實際上殘余應力是客觀存在、消除不了的，但在施工過程中應采取合理的焊接工藝，盡量減少殘余應力的影響。

    五、設計必須充分考慮施工因素對結構承載能力的影響
    設計所采用的計算模型，是理想的理論上的計算模型，計算假定施工過程中不存在結構構件強迫就位，即不考慮施工過程產生的安裝初始內力，不考慮具體的施工過程、施工順序，僅對合攏后的整體結構進行驗算；不考慮施工中產生的較大安裝偏差，認為節(jié)點坐標都是理想坐標。隨著結構跨度越來越大，結構形式越來越復雜，由于施工因素的影響上述計算的理想假定難以滿足要求。
    1）安裝偏差的影響
    《鋼結構施工質量驗收標準》關于各種允許偏差的規(guī)定，均是基于一般工業(yè)與民用建筑鋼結構工程制定的，而大跨度鋼結構工程，結構復雜，構件異型，存在大量高空不同方向的對接，必然會出現(xiàn)測量誤差偏大、制作與安裝誤差超出標準要求的幾率較高。如某一大跨度球節(jié)點網(wǎng)架工程安裝時產生較大偏差，下弦實測最大安裝偏差達到300mm，經對16000節(jié)點和60000萬個桿件實測安裝坐標，重新建立計算模型進行復核，雖然結構剛度和強度沒有太大的變化，但也有個別構件超過原設計標準，超應力桿件達200余根，最后不得不進行加固處理。再有，某一大跨度工程主桁架地面拼裝時上下弦兩端軸線高度允許偏差為5mm、長度允許偏差5mm-10mm之間，但在高空安裝組拚時，最大產生了10mm的錯口和36mm的焊縫間隙，如此這么大的偏差必然會影響結構的安全度。
    2）安裝強制就位的影響
    由于結構類型復雜，相交于某一節(jié)點的桿件過多，存在大量高空對接，產生對接接口、錯口和間隙過大是難免的，如圖十一為鳥巢桁架柱典型節(jié)點，桿件為箱型厚板斷面約18個桿件空間交匯一點，圖十二為彎扭構件典型節(jié)點，桿件均在節(jié)點外拼接，圖十三為桁架高空拼接圖，要保證多個接口的精度難度極大。受加工制作誤差、施工過程溫度變化、測量誤差等影響，產生了接口錯邊和接口間隙過大現(xiàn)象，有個別錯邊達５mm、接口間隙達29mm。另外，由于頂面次結構和肩部次結構是主結構卸載后安裝，而次結構是按卸載前的幾何尺寸進行加工的，將來可能會存在大量的構件接口出現(xiàn)超差現(xiàn)象。為滿足設計要求，對于錯口的處理采用千斤頂或火攻校正方法，強制構件就位的結果由于扭轉力矩的作用，給外伸牛腿造成較大的內應力，這些內應力是設計無法考慮的，勢必會對結構安全造成影響。

    3）焊接內應力的影響
    鳥巢為全焊接鋼結構，焊縫總長為30萬延米，基本上為厚板全熔透焊縫，焊接工作跨越整個冬季，即有高強鋼（Q460E-Z35）的焊接，又有鑄鋼件的焊接，厚板焊接熔敷量大，加之接口間隙超差，造成對接接口處大量焊接熔敷金屬的堆積（圖十四），雖然采取預熱保溫措施，但焊接內應力的存在是必然的，而且也是很大的。


    4）屋蓋合攏溫度的影響
    溫度應力的計算是大跨度鋼結構設計的核心，但是施工的具體過程往往難以滿足設計要求，從設計者來說，總希望合攏時選取一個最佳的溫度，使升溫+∆t、降溫-∆t大致相同，這樣可減少溫度應力的影響。但施工中各種不可預料的因素，合攏溫度難以滿足設計要求，有時∆t相差1度對結構就有影響，尤其是對200米以上的特大跨結構，設計者應充分考慮施工過程中溫度變化對合攏的影響，應考慮一年四季最不利的合攏溫度影響，否則當施工合攏溫度不滿足設計要求時，會減低結構的承載能力。鳥巢鋼結構的安裝時間經歷了從冬季到夏天過程，主結構鋼柱安裝完畢再安裝次結構，由于鋼柱不是機構，是一個穩(wěn)定的多層鋼結構體系，受溫度的影響，次結構安裝必然會對鋼柱產生很大的溫度應力，圖十五為鋼材表面溫度55度時次結構安裝對鋼柱的影響，柱底溫度應力達到了107MPa。因此，設計者必須充分考慮施工過程、溫度變化對結構承載能力的影響。
    下載附件：
  • 點擊下載

    • "歡迎大家轉摘！轉載須注明中國建筑金屬結構協(xié)會建筑鋼結構網(wǎng)(hopeshallows.com)謝謝合作！"

相關文章：

文章標題
建筑鋼結構網(wǎng)--中國建筑金屬結構協(xié)會建筑鋼結構分會官方