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羽毛球館弦支屋頂索撐節(jié)點的設(shè)計與施工_第2頁
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羽毛球館弦支屋頂索撐節(jié)點的設(shè)計與施工

0預(yù)應(yīng)力的施加和傳遞屋頂層是一種將剛性單帶網(wǎng)殼和柔性索桿系統(tǒng)結(jié)合起來的新聯(lián)合氣泡預(yù)算編制的新結(jié)構(gòu)。通過索撐體系引入預(yù)應(yīng)力,減小了結(jié)構(gòu)位移,降低了桿件應(yīng)力,抵消了結(jié)構(gòu)對支座的水平推力,提高了結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。預(yù)應(yīng)力的有效施加和傳遞是實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)體系設(shè)計的最重要技術(shù)。2008奧運會羽毛球館比賽館采用弦支穹頂結(jié)構(gòu),用張拉環(huán)索的方式進行施加預(yù)應(yīng)力,環(huán)索與撐桿相連的索撐節(jié)點的設(shè)計、構(gòu)造與施工是保證環(huán)索實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力有效傳遞的關(guān)鍵技術(shù)。1支撐節(jié)點幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計1.1索撐節(jié)點鑄鋼件本文將環(huán)索轉(zhuǎn)折處的撐桿下節(jié)點稱之為索撐節(jié)點。索撐節(jié)點的幾何設(shè)計應(yīng)確保索體光滑通過節(jié)點,避免在節(jié)點內(nèi)部及節(jié)點端部對索體形成“折點”。這是實現(xiàn)索體順利滑動以及有效傳遞預(yù)應(yīng)力目標(biāo)的必要條件。索撐節(jié)點設(shè)計采用鑄鋼節(jié)點,共設(shè)置5圈環(huán)索,從外到內(nèi)第1至3圈環(huán)索均等間距設(shè)置了28個索撐節(jié)點,第4、5圈環(huán)索均等間距設(shè)置了14個索撐節(jié)點。因此第1、2、3圈環(huán)索被等分成28段,相鄰兩段環(huán)索夾角為:180°-360°/28=167.14°;第4、5圈環(huán)索被等分成14段,相鄰兩段環(huán)索夾角為:180°-360°/14=154.29°。索撐節(jié)點鑄鋼件如圖3所示。其中最外圈索撐節(jié)點鑄鋼件平面圖見圖1,其中與環(huán)索接觸的索撐節(jié)點內(nèi)壁曲線由AB、BC、CD三段組成,BC為圓弧,AB和CD均為與BC相切的直線段,其延長線夾角為167.14°,第2、3圈索撐節(jié)點同理。最內(nèi)圈索撐節(jié)點鑄鋼件平面圖見圖2,其中索撐節(jié)點與環(huán)索接觸的內(nèi)壁曲線由AB、BC、CD三段組成,BC為圓弧,AB和CD均為與BC相切的直線段,其延長線夾角為154.29°,第4圈索撐節(jié)點同理。由以上分析可知,所有環(huán)索在索撐節(jié)點轉(zhuǎn)折處夾角均與鑄鋼節(jié)點內(nèi)壁夾角相同,且在BC段光滑過渡,因此索撐節(jié)點幾何設(shè)計不存在拐點現(xiàn)象,可以保證索體的光滑移動。1.2索撐節(jié)點穩(wěn)定性分析索撐節(jié)點的構(gòu)造設(shè)計應(yīng)確保預(yù)應(yīng)力張拉過程中索體與節(jié)點間的摩擦力最小,進而減小預(yù)應(yīng)力損失;同時要求預(yù)應(yīng)力張拉完成后索體與鑄鋼節(jié)點間卡緊,保證正常使用過程的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。索撐節(jié)點構(gòu)造設(shè)計見圖4、圖5。預(yù)應(yīng)力張拉階段,由于鋼夾片內(nèi)側(cè)有刻痕增大與索體間摩擦,外側(cè)光滑且與聚四氟乙烯片相接觸,而聚四氟乙烯片的摩擦系數(shù)僅為0.03,遠(yuǎn)小于鋼夾片與索體之間的摩擦系數(shù)。理論上張拉時鋼夾片和聚四氟乙烯板之間產(chǎn)生相對滑移,而鋼夾片和索體間沒有相對滑移,將索體與節(jié)點接觸面間理論摩擦系數(shù)由0.3減為0.03,因此可以大幅度減小預(yù)應(yīng)力損失。預(yù)應(yīng)力張拉完成后,通過側(cè)面2個螺栓與底板6個螺栓將索體與鑄鋼節(jié)點卡緊,使索不可滑動。2采用癱瘓節(jié)點預(yù)測損失理論計算分析2.1接觸單元分析結(jié)果為分析索撐節(jié)點處索體與鑄鋼節(jié)點接觸面間的相互作用,對索撐節(jié)點和環(huán)索進行了帶摩擦的接觸非線性有限元分析。在此以受力最大的最外圈鑄鋼節(jié)點進行計算分析。分析軟件為通用有限元分析程序ANSYS,選用的單元為三維實體單元SOLID45,接觸單元CONTA173和目標(biāo)單元TARGE170。環(huán)索經(jīng)過索撐節(jié)點處彎曲形狀與下節(jié)點內(nèi)壁曲線曲率一致,經(jīng)過圓BC段后,為直線段,索與索撐節(jié)點內(nèi)壁初始狀態(tài)為剛剛接觸。根據(jù)設(shè)計值施加的荷載分別有徑向拉桿拉力和環(huán)索軸力,對與撐桿連接的面施加了撐桿方向的位移約束。根據(jù)施工監(jiān)測滑移數(shù)據(jù),對環(huán)索一端施加了軸向位移0.022m,并對該端施加了與撐桿平行方向的位移約束。其分析模型、有限元劃分、接觸單元及接觸分析結(jié)果如圖6~11。通過計算,當(dāng)摩擦系數(shù)取μ=0.03時,環(huán)索兩端的軸力之差為23.7kN,即經(jīng)過此節(jié)點預(yù)應(yīng)力損失為0.85%。當(dāng)摩擦系數(shù)取μ=0.3時,環(huán)索兩端的軸力之差為184.6kN,即經(jīng)過該節(jié)點預(yù)應(yīng)力損失為6.6%。2.2環(huán)預(yù)應(yīng)力計算壓力假定索為柔性,可以直接利用公式F=Nμ(摩擦力=正壓力×摩擦系數(shù))計算摩擦力:(1)通過鋼拉桿計算壓力:N=2×430×cos(76.15°/2)×sin76.54°=658.4kN,當(dāng)摩擦系數(shù)取μ=0.03時,F=658.4×0.03=19.8kN,則摩擦損失為0.71%。當(dāng)摩擦系數(shù)取μ=0.3時,F=658.4×0.3=197.52kN,則摩擦損失為7.1%。(2)通過環(huán)預(yù)應(yīng)力計算壓力:N=2×2800×sin((180°-167.17°)/2)=627.1kN,當(dāng)摩擦系數(shù)取μ=0.03時,F=627.1×0.03=18.81kN,則摩擦損失為0.67%。當(dāng)摩擦系數(shù)取μ=0.3時,F=627.1×0.3=188.14kN,則摩擦損失為6.7%。2.3節(jié)點預(yù)應(yīng)力損失(1)按節(jié)點構(gòu)造完全符合設(shè)計要求,索體與索撐節(jié)點間的摩擦系數(shù)為0.03時,有限元分析和摩擦力學(xué)分析兩種方法對節(jié)點預(yù)應(yīng)力損失的計算值基本吻合,約為0.85%。(2)按節(jié)點構(gòu)造完全不符合設(shè)計要求,加工的鋼夾片面與索撐節(jié)點內(nèi)壁曲面不能吻合,張拉時變?yōu)閵A片與索撐節(jié)點之間的咬合,聚四氟乙烯片失去效果,此時索體與索撐節(jié)點間的摩擦系數(shù)約為0.3甚至更大,有限元分析和摩擦力學(xué)分析兩種方法對節(jié)點預(yù)應(yīng)力損失的計算值基本吻合,約為7%。(3)考慮到本工程加工制作安裝的復(fù)雜性,節(jié)點構(gòu)造可能會部分失效,因此施工圖設(shè)計時(2005年11月)設(shè)計計算取用索撐節(jié)點預(yù)應(yīng)力損失為2%~3%。3張拉階段預(yù)應(yīng)力損失測定難根據(jù)施工方確定的張拉方案,外三圈每圈設(shè)4個油壓千斤頂張拉端,內(nèi)兩圈設(shè)2個張拉端(如圖12所示)。為了監(jiān)測張拉過程中施加的預(yù)應(yīng)力,每個張拉端處都跟油泵一起配備一個油壓傳感器,可以直接讀出該張拉點的預(yù)應(yīng)力值,但它只能夠在張拉階段監(jiān)測張拉端預(yù)應(yīng)力,索體自身由于外包PE護層,無法直接測得其他部位的預(yù)應(yīng)力。因此,施工階段預(yù)應(yīng)力損失無法直接進行實測。本工程依據(jù)不同的的實測數(shù)據(jù)采用兩種方法對預(yù)應(yīng)力損失進行計算分析。3.1索撐節(jié)點兩端環(huán)索的應(yīng)力計算為了滿足在千斤頂撤去后仍能夠監(jiān)測出預(yù)應(yīng)力的大小,在徑向鋼拉桿和撐桿上布置振弦應(yīng)變計監(jiān)測其應(yīng)力變化。由于索撐節(jié)點受力平衡,可以根據(jù)環(huán)索法向和切向兩個方向受力平衡方程推導(dǎo)出,通過徑向拉桿內(nèi)力求相應(yīng)環(huán)索預(yù)應(yīng)力的計算方法如式(1)、(2)。T1=F1sin(β?α)+F2sin(α+β)sinβ?sinγ(1)Τ1=F1sin(β-α)+F2sin(α+β)sinβ?sinγ(1)T2=F1sin(α+β)+F2sin(β?α)sinβ?sinγ(2)Τ2=F1sin(α+β)+F2sin(β-α)sinβ?sinγ(2)其中,T1、T2分別為索撐節(jié)點兩端環(huán)索的預(yù)應(yīng)力;F1、F2分別為索撐節(jié)點兩根徑向拉桿內(nèi)力;α為鄰環(huán)向索之間夾的角;β為兩根徑向拉桿在水平面上投影間相夾的角;γ為徑向拉桿與豎向撐桿(豎向撐桿垂直于水平面)的夾角。由以上計算公式(1)、(2)可以根據(jù)徑向拉桿監(jiān)測數(shù)據(jù)計算索撐節(jié)點兩端預(yù)應(yīng)力之差,即T1-T2,從而可以得到索撐節(jié)點處的預(yù)應(yīng)力損失。按張拉完成后徑向拉桿監(jiān)測數(shù)據(jù)計算的索撐節(jié)點預(yù)應(yīng)力損失見圖3。3.2各索撐節(jié)點預(yù)應(yīng)力損失比較在預(yù)應(yīng)力張拉施工時測量了各張拉點環(huán)索張拉伸長值,通過測得的環(huán)索伸長值與理論伸長值進行比較,可以計算各圈預(yù)應(yīng)力損失,詳見文獻(xiàn)。各索撐節(jié)點預(yù)應(yīng)力損失差異較大,最大損失高達(dá)21%,由于監(jiān)測點的數(shù)量有限,無法知道所有索撐節(jié)點的預(yù)應(yīng)力損失。根據(jù)環(huán)索張拉伸長量的分析,各圈每個索撐節(jié)點平均預(yù)應(yīng)力損失約為8%~10%。3.3確定預(yù)應(yīng)力損失順位根據(jù)對施工實測數(shù)據(jù)分析,在去掉個別明顯“失真”數(shù)據(jù)之后,經(jīng)有關(guān)方多次研討論證,最終確定1~5圈索撐節(jié)點平均預(yù)應(yīng)力損失依次為9%、9%、9%、10%和10%,據(jù)此進行主體結(jié)構(gòu)調(diào)整設(shè)計。4索撐節(jié)點預(yù)應(yīng)力損失設(shè)計分析(1)索撐鑄鋼節(jié)點的加工制作必須采用精密加工,確保節(jié)點幾何尺寸嚴(yán)格滿足設(shè)計要求。本工程索撐節(jié)點預(yù)應(yīng)力損失值大于聚四氟乙烯滑片完全失效的理論計算值,說明實際節(jié)點不僅構(gòu)造失效,節(jié)點幾何尺寸亦未能符合設(shè)計要求,誤差過大(見圖14),鋼夾片曲面與索撐節(jié)點內(nèi)壁不能吻合,在節(jié)點區(qū)域內(nèi)形成彎折。而折點的出現(xiàn)是造成聚四氟乙烯滑片損壞失效的主要原因,同時彎折應(yīng)力加大了預(yù)應(yīng)力損失。(2)索撐節(jié)點構(gòu)造中滑塊接觸方式應(yīng)進行改進。本次采用聚四氟乙烯片和鋼夾片均具有可動性,且長度不足。當(dāng)張拉時由于索體滑動和轉(zhuǎn)動造成鋼夾片錯位,致使聚四氟乙烯片損壞,索體被鋼夾片卡住,局部索體甚至直接與鑄鋼節(jié)點接觸。減小摩擦系數(shù)的構(gòu)造措施有待從材料、設(shè)計、加工制作、施工等有關(guān)方面進一步研究。(3)索撐節(jié)點預(yù)應(yīng)力損失的設(shè)計取值。盡管按理論設(shè)計計算索撐節(jié)點預(yù)應(yīng)力損失小于1%,但由于弦支穹頂索撐節(jié)點加工制作安裝的高度復(fù)雜性,在施工圖設(shè)計時取2%~3%依然偏小。本工程索撐節(jié)點實際加工制作過于粗糙,誤差過大,致使預(yù)應(yīng)力損失達(dá)到8%,必須加以調(diào)整,這是以后實際工程中應(yīng)嚴(yán)格控制的。在加強加工制作工藝精度和施工質(zhì)量控制的情況下,建議索撐節(jié)點預(yù)應(yīng)力

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