一種空間大跨異形鋼結構製作安裝預變形方法
2023-05-10 17:45:41 1
一種空間大跨異形鋼結構製作安裝預變形方法
【專利摘要】本發明屬於建築鋼結構【技術領域】，具體涉及一種空間大跨異形鋼結構製作安裝預變形方法，該方法具體涉及如下步驟：建立計算模型；確定預變形荷載工況；得到各個節點三維變形值；建立一次預變形後三維模型；節點變形差值提取，並做比較分析；根據差值範圍，進一步確定預變形調整值；最後安裝結構。本發明在於為空間異形鋼結構的製作、安裝提供一種簡便有效的做法，從而保證結構的外觀形態與設計給定的初始目標形態的吻合性。
【專利說明】一種空間大跨異形鋼結構製作安裝預變形方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於建築鋼結構【技術領域】，具體涉及一種空間大跨異形鋼結構製作安裝預變形方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著科技的進步，地方經濟的發展，建築形式為了迎合地方區域文化的氛圍以及發展趨勢，空間異形建築越來越多。空間異形鋼結構由於其外觀造型獨特，輕盈漂亮，往往成為當地的標誌性建築，提升了城市的檔次，帶動了地方的經濟發展、文化的繁榮。不僅如此，空間大跨鋼結構不同於以往的傳統結構形式，由於鋼材強重比與其他材料比較具有明顯的優勢，其豎向支承間距往往可以相隔較遠，並且可以提供較大的淨空。因此，空間大跨異形鋼結構在外觀表現及空間使用方面均有突出表現。
[0003]一個鋼結構建築從方案設計開始到最終落地行使它的使用功能為止，這整個過程中，要經歷設計狀態、製作狀態、施工狀態和竣工狀態為代表的四個階段。其中設計狀態即為結構的初始目標形態，工程完工後的位形應儘可能的靠近設計狀態。製作狀態即為考慮結構預變形後的構件下料形態。施工狀態是結構安裝完畢，臨時支撐體系尚未拆除下的形態；即根據預先設定的施工方案，將預變形後的構件根據調整後相應的坐標點位置形成一個整體後的位形。所有專業實施完成，施工狀態拆除臨時支撐體系後，結構可以行使它的獨立使用功能，即為竣工狀態；實際的，該狀態下的位形不可能與設計狀態目標位形保持一致形態，但兩者之間的誤差可控制在一個較小的範圍之內，從而保證了結構的最終形態與初始目標形態的吻合。
[0004]正因為空間大跨異形鋼結構外形不規則、跨度較大等緣故，往往給構件的製作和安裝帶來了許多難題。其中鋼結構製作、安裝精度如何保證是較為突出的一個問題，尤其對那些跨度較大且剛度較弱的柔性結構而言，該問題更為顯著。由於鋼材的強度較大，採用的構件截面相對而言比較小，導致構件剛度薄弱，且空間鋼結構一般對跨度要求較高，若不採取相應措施，不可避免的最終得到的建築形態很難達到設計師預想的外形尺寸要求；不僅如此，鋼結構造成的誤差可能會導致相關專業(比如屋面裝飾、幕牆等專業)無法正常施工；嚴重時候，甚至會對整個結構安全造成不利影響。
[0005]鑑於上述問題，空間大跨異形鋼結構不僅要符合設計要求的外觀尺寸，同時要滿足各專業對鋼結構誤差的要求，故鋼結構在製作、安裝時採取預變形措施是解決上述問題最有效的措施之一。以往大部分的鋼結構預變形是通過施工現場拼裝胎架的設置位置來進行調整的，這種方法一般只能考慮一維線性起拱，製作時對構件進行伸長或縮短來實現，而對結構三個方向預變形的調整，現場實施起來難度極大。因此，該方法受制於現場的施工技術能力，安裝精度也難以保證。
[0006]因此，本發明針對空間大跨異形鋼結構，提供一種空間大跨異形鋼結構製作安裝預變形方法，本案因此而產生。
【發明內容】
[0007]本發明所提供的一種空間大跨異形鋼結構製作安裝預變形方法，目的在於為空間異形鋼結構的製作、安裝提供一種簡便有效的做法，從而保證結構的外觀形態與設計給定的初始目標形態的吻合性；在一定程度上實現了工程師對建築外觀的要求，同時滿足了其他專業對鋼結構精度的要求。
[0008]為實現上述目的，本發明具體技術方案如下:一種空間大跨異形鋼結構製作安裝預變形方法，具體步驟如下:
第一步，通過鋼結構圖紙建立計算模型；
第二步，根據建築、結構對預變形的要求，確定預變形計算時的荷載工況；
第三步，採用有限元軟體進行施工模擬分析，得到鋼結構各個節點的三維變形值；第四步，將「第三步」計算得到的各個節點的變形值，利用常用的數據處理工具將變形值反號疊加到初始設計狀態下相應的節點坐標上，從而得到一次預變形後模型的坐標，根據該坐標建立一次預變形後的三維模型。
[0009]第五步，節點變形差值提取，並做比較分析；利用一次預變形後的模型，導入到計算軟體中，執行上述「第二步」和「第三步」操作，進行驗算；將施工模擬完成後得到的變形值與預變形值進行差值計算，對差值做統計並比較分析。
[0010]第六步，若「第五步」得到的差值在允許範圍之內，則「第三步」計算得到的變形值將其反號即為預變形調整值，然後可以根據「第四步」得到的一次預變形後的模型進行深化設計，下料製作；經過比較，若得到的差值結果超出了允許範圍，則需將該差值疊加到第一次預變形後的計算模型中，再執行「第五步」操作，直至模擬得到施工結束後的結構形態與初始設計形態之間的坐標差值在允許範圍之內；從而得到滿足精度要求的預變形後的模型，然後進行深化設計，下料製作。
[0011]第七步，結構安裝；根據事先確定的方案，進行測量定位安裝；測量定位按照施工模擬得到預變形調整後的坐標作為測量定位坐標。
[0012]本發明具有如下有益效果:
1、能滿足不同專業對鋼結構精度的要求，同時建築外觀尺寸有保障。首先由有限元軟體模擬整個施工過程，根據施工過程模擬得到的計算結果反推得到施工階段初始狀態位形，保證施工完成後的位形與設計狀態位形的坐標差值在允許範圍之內，這為結構的精度保證提供了理論支撐，同時為後期構件製作和施工安裝做好了鋪墊工作；其次，工廠深化可直接按照預變形後模型進行建模出圖，構件下料製作精度得以保證；最終，現場安裝時，測量定位可根據預變形後模型坐標作為測量依據，不需要現場人為進行起拱作業。
[0013]2、減輕結構的初始缺陷，保證結構安全；大部分空間大跨結構尤其是網殼等柔性結構，在荷載作用下變形值較大；若不採用預變形的手段，結構會有一個初始缺陷存在，容易導致整個結構失穩，結構承載能力得不到充分的體現，嚴重時，會釀成安全事故。採用預變形手段後，能盡最大可能的減輕這種缺陷帶來的影響。
[0014]3、製作、安裝簡便，整個結構在深化建模過程中就考慮了結構的預變形調整，故在工廠製作時直接按照深化出具的加工圖下料製作便可；現場安裝時，僅需參考預變形後模型坐標進行測量定位即可，不需要人為再去起拱作業，方便省事。【具體實施方式】
[0015]本發明較佳實例為一大型商業綜合體天幕鋼結構，其結構體系為空間單層網殼結構，建築造型較不規則，外形酷似一條魚，長度方向輪廓尺寸為174m，寬度方向尺寸為78m，網殼最高點相對室外地坪標高為27.2m。整個結構由豎向支承構件和屋面網殼兩部分組成，採用的構件截面均為圓管，所有構件材質均為Q345B。本工程採用搭設滿堂腳手架的方法進行施工。
[0016]該大型商業綜合體天幕鋼結構預變形具體步驟如下:
第一步，利用鋼結構圖紙提供的節點坐標值和杆件規格形成一個初步的計算模型，並對模型進行校核；再結合支座形式，設置邊界約束條件。
[0017]第二步，根據結構設計說明或規範要求，考慮預變形計算時的荷載工況。本工程屋面採用ETFE膜結構，簷口部位設置天溝，簷口周邊用鋁單板進行裝飾。預變形計算時，結合屋面做法和建築功能，僅考慮恆荷載作用，考慮的荷載工況:
荷載工況(COMB):1.0XGlk+l.0XG2k +1.0XG3k +1.0XG4k
其中:Glk——網殼結構自重
G2k——ETFE膜自重
G3k——膜結構連接件自重
G4k——簷口及鋁包邊自重
第三步，結合施工方案，確定計算分析方法；由於本工程採用滿堂腳手架方法進行施工，網殼下部支撐點較為密集，在整個安裝過程中，網殼各節點的變形很小，可以不作考慮；故在計算分析時，鋼結構可按一次成型狀態進行模擬，不再設置分析步，該分析方法得到的結果幾乎不會對預變形精度產生影響。
[0018]第四步，利用有限元軟體計算得到相應荷載工況下節點三個方向的變形值，將所有節點變形值導出到常用的數據處理程序中，將其反號疊加到相應的節點坐標上，即得到一次預變形後的模型坐標。根據該坐標，建立預變形調整後的模型。
[0019]在網殼上任意一點P，若:
初始設計狀態下的坐標為:p (X，1，Z)
相應荷載工況作用下的節點變形值為:δ° (u0, ν0, ω0)
貝U，經過一次預變形調整後坐標為=P1=-Sq+?,即P1坐標為(X-U(l，y-V(l，Z-coQ)。
[0020]第五步，將一次預變形調整後的模型導入到計算軟體中，施加與第一、二步相同的邊界條件和荷載工況，進 行驗算；驗算得到的變形值與第四步得到的預變形值進行差值比較分析，判斷差值是否在允許範圍之內。
[0021]結合第四步，進一步說明，利用預變形後模型進行施工過程模擬分析，得到:
P1 變形值為:δ 1 (U1, V1, (O1)
貝丨J Δ 1Cm1,n1；k 丨)，A1=S1-S ° 即為兩者的差值,其中Iii1= U1- Uc^n1= V1- Vc^k1=Co1-Cootj
[0022]第六步，經過比較，第五步得到的坐標差值在允許範圍之內，則第四步計算得到的變形值將其反號後即可作為預變形調整值，然後根據預變形調整後的模型進行深化設計，下料製作。
[0023](I)若P點差值Δ1 (Iii1, Ii1, k J在誤差允許範圍之內，則:
預變形後模型節點坐標為=P1 (x-u0, y-v0, Z-ω0)(2)若P點差值Λ1 U1, Ii1, Ii1)超出誤差允許範圍，則將δ1 (U1, Vl，(O1)反號疊加到P (x，y，z)上,得到二次預變形後節點坐標P2 (X-U^y-V1, Z-CO1),再判斷差值Δ2 (m2,n2,k2)是否滿足要求；若否，繼續進行迭代計算，直到差值Ai (!Vi^ki)滿足精度要求為止，最終得到的預變形後模型節點坐標為P1 (X-Uh, y-VH, Z-COiH )，其中-M1= U1- Ui^ni= V1-V
1-Ι? k「CO1-CO H。
[0024]第七步，結構安裝；根據事先確定的方案，進行測量定位安裝；測量定位按照最終預變形調整後得到的模型坐標作為施工測量坐標。
[0025] 上述實施例並非限定發明的，任何所屬【技術領域】的普通技術人員對其所做的適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明的專利範疇。
【權利要求】
1.一種空間大跨異形鋼結構製作安裝預變形方法，其特徵在於:具體步驟如下: 第一步，通過鋼結構圖紙建立計算模型； 第二步，根據建築、結構對預變形的要求，確定預變形計算時的荷載工況； 第三步，採用有限元軟體進行施工模擬分析，得到鋼結構各個節點的三維變形值；第四步，將「第三步」計算得到的各個節點的變形值，利用常用的數據處理工具將變形值反號疊加到初始設計狀態下相應的節點坐標上，從而得到一次預變形後模型的坐標，根據該坐標建立一次預變形後的三維模型； 第五步，節點變形差值提取，並做比較分析；利用一次預變形後的模型，導入到計算軟體中，執行上述「第二步」和「第三步」操作，進行驗算；將施工模擬完成後得到的變形值與預變形值進行差值計算，對差值做統計並比較分析； 第六步，若「第五步」得到的差值在允許範圍之內，則「第三步」計算得到的變形值將其反號即為預變形調整值，然後可以根據「第四步」得到的一次預變形後的模型進行深化設計，下料製作；經過比較，若得到的差值結果超出了允許範圍，則需將該差值疊加到第一次預變形後的計算模型中，再執行「第五步」操作，直至模擬得到施工結束後的結構形態與初始設計形態之間的坐標差值在允許範圍之內；從而得到滿足精度要求的預變形後的模型，然後進行深化設計，下料製作； 第七步，結構安裝；根據事先確定的方案，進行測量定位安裝；測量定位按照施工模擬得到預變形調整後的坐標作為測量定位坐標。
【文檔編號】G06F17/50GK103942367SQ201410122374
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月31日 優先權日:2014年3月31日
【發明者】陳君, 邢遵勝, 劉中華, 王留成, 賈尚瑞, 茹興良, 鄒航, 周國軍, 葉翔, 豆德勝 申請人:浙江精工鋼結構集團有限公司