网壳结构施工过程易引发杆件弯曲关键因素研究_高喜峰.pdf

第 53 卷 第 3 期2023 年 2 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.3Feb.2023 DOI:10.19701/j.jzjg.20201780河北省全职引进高端人才科研项目(2020HBQZYC013)。第一作者:第一作者:高喜峰,博士,副教授,主要从事建筑与船舶工业研究,Email:gaoxifeng 。通信作者:通信作者:刘红波,博士,教授,主要从事大跨度空间钢结构研究,Email:hbliu 。网壳结构施工过程易引发杆件弯曲关键因素研究高喜峰1,杨诗文1,刘红波2,陈志华1(1 天津大学建筑工程学院,天津 300072;2 河北工程大学土木工程学院,邯郸 056038)摘要:为合理评估杆件弯曲对网壳结构力学性能的影响,并对存在杆件弯曲缺陷的网壳结构进行有效的加固设计方案,有必要对杆件弯曲机理进行研究。通过对某双层螺栓球节点网壳结构进行施工全过程精细化模拟,分别从施工方法、温度效应以及支座节点性能对结构的静力性能影响进行了分析。结果表明:考虑内扩悬挑施工方案的影响后,杆件最大应力增大 29%,结构最大位移增大 11%;下部网壳对温度效应较为敏感,随着环境温度的升高,温度应力相比合拢时增大 3.7 倍;当支座构造高度过大,考虑支座节点影响后,支座位移变化明显,与支座相连的杆件迅速屈服。因此,设计和施工此类网壳结构时,应合理考虑上述因素的影响。关键词:网壳结构;杆件弯曲;施工全过程;温度效应;支座节点性能 中图分类号:TU391 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)03-0109-07引用本文 高喜峰,杨诗文,刘红波,等.网壳结构施工过程易引发杆件弯曲关键因素研究J.建筑结构,2023,53(3):109-115.GAO Xifeng,YANG Shiwen,LIU Hongbo,et al.Research on key factors of bar bending in construction process of reticulated shell structureJ.Building Structure,2023,53(3):109-115.Research on key factors of bar bending in construction process of reticulated shell structure GAO Xifeng1,YANG Shiwen1,LIU Hongbo2,CHEN Zhihua1(1 School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2 School of Civil Engineering,Hebei University of Engineering,Handan 056038,China)Abstract:In order to evaluate the effect of bar bending on the mechanical properties of the reticulated shell structure and to carry out effective reinforcement design for the reticular shell structure with bar bending defects,it is necessary to study the bending mechanism of bar.The effect of construction method,temperature effect and bearing node performance on the static performance of a double-layer bolted ball node mesh shell structure was analyzed through the fine simulation of the whole construction process.The results show that the maximum stress of the bar increases by 29%and the maximum displacement of the structure increases by 11%after considering the influence of the overhanging construction scheme.The lower reticulated shell is sensitive to the temperature effect.With the increase of ambient temperature,the temperature stress increases by 3.7 times compared with that of closing.When the bearing structure height is too high,the bearing displacement changes obviously after considering the influence of bearing nodes,and the bar connected with the bearing rapidly yields.Therefore,the influence of the above factors should be considered reasonably when designing and constructing this kind of reticulated shell structure.Keywords:reticulated shell structure;bar bending;whole construction process;temperature effect;performance of support joint 0概述 双层网壳结构是一种应用广泛的空间网格结构,其节点形式主要为焊接球节点和螺栓球节点,杆件截面多为圆钢管。由于计算理论和设计软件的日益进步以及施工安装技术的不断提高,使得空间网格结构的设计与计算更加高效和准确,施工技术也日益成熟1。但与此同时,仍有不少空间网格结构在施工过程中出现一系列问题,特别是杆件弯曲,威胁到结构的安全性,问题严重的甚至导致发生工程事故2-3。杆件弯曲如图 1 所示,造成网壳结构杆件弯曲的原因主要有以下几点:结构设计荷载与使用荷载不符、受力较小的杆件截面尺寸不足、制造安装偏差与规范不符合、施工过程的影响、温度效应的影响、边界条件与计算模型简化不一致。本文针对网壳结构杆件弯曲缺陷,结合实际双层网壳工程,从施工方案、温度效应、下部支座节点建 筑 结 构2023 年性能的影响多方面分析了容易导致网壳结构杆件弯曲的原因。1工程概况 某游泳馆屋盖结构采用网壳结构,形式为双层正放四角锥,节点采用螺栓球节点,网壳自身高度为 2.5m,短边 75m,长边 112.6m,高度 19.2m,杆件截面尺寸共 8 种,分别为 603.5、75.53.75、88.54、1144、1404、1596、1598、15912,支座采用固定球铰支座。采用 ABAQUS 软件建立有限元模型,杆件采用 B31 单元,并将一个杆件划分为多个单元以模拟杆件在荷载作用下的弯曲,节点通过释放约束以模拟铰接,材料采用 Q345B 钢材,采用理想弹塑性模型,弹性模量为 206GPa,泊松比为 0.3,屈服强度为 345MPa,屋盖网壳结构示意图如图 2 所示。图 4 关键施工阶段示意图图 1 杆件弯曲示意图图 2 网壳结构示意图图 3 现场支座变形示意图根据以往类似工程的安装经验,结合现场的场地条件以及工程工期要求,施工单位采用“内扩悬挑法”对网壳结构进行安装。该网壳结构在 2019年 1 月开始施工,3 月份主体结构合拢,6 月份现场施工验收时发现结构支座产生较大倾角变形,并且与支座相连的大量杆件产生明显的弯曲变形,如图3 所示。为评估杆件弯曲缺陷对结构的影响并对结构进行加固设计,首先需明确杆件弯曲产生的原因。本文针对此双层网壳结构施工过程中出现的杆件弯曲现象,分别从施工方法、温度效应以及支座节点性能三方面对杆件弯曲的原因进行讨论。2施工方法对网壳结构影响分析 整个游泳馆网壳结构通过“内扩悬挑法”进行安装。前 3 圈为整体拼装,设置临时支撑,前 3 圈拼装完成后,拆除临时支撑,内悬挑小单元拼装,直至拼装到第 7 圈再设置临时支撑,继续向内扩安装至第 11 圈时设置临时支撑后,进行中心部位网壳合拢,并对支撑架卸载,在有限元模拟中,整个施工过程被划分为 16 个施工阶段,关键施工阶段如图 4所示。本文采用 ABAQUS 有限元软件中的生死单元技术来模拟“内扩悬挑法”施工过程。模拟按照实际的施工顺序依次拼装结构,考虑施工过程中各种作用因素的影响4-5。本节分析暂不考虑支座节点与下部支承结构的影响,边界条件简化为三向铰接,并在施工阶段对支撑架处节点进行约束。由于011第 53 卷 第 3 期高喜峰,等.网壳结构施工过程易引发杆件弯曲关键因素研究该工程杆件采用吊车拼装,荷载主要为结构自重及温差造成的影响,拼装过程中考虑到设备和工人等因素,施工活载按照每个节点 2kN 考虑,考虑结构施工阶段杆件温度及合拢温度,对不同施工步的杆件施加相应的温度荷载即合拢温度与安装温度的差值,本文分析忽略由于杆件温度分布不均匀引起的杆件内力。是否考虑施工过程杆件最大应力与位移变化如表 1 所示。从表 1 可以看出,考虑施工过程后,杆件最大应力增大 29%,结构最大位移增大 11%。由此可见,内扩悬挑施工方法对此类网壳结构成型状态具有一定的影响,施工前应进行仿真分析,以确定合理的施工方案。表 1 杆件最大应力与位移变化工况最大应力/MPa最大位移/mm考虑施工过程13728不考虑施工过程10625结合本工程施工顺序,选取每个施工段内应力较大的杆件作为研究对象,其中包括支座周圈杆件、临时支撑附近杆件以及悬挑位置杆件,选取杆件位置如图 5 所示,分析所选取的关键杆件应力在施工过程中的变化趋势。图 5 施工过程关键杆件示意图施工过程关键杆件应力变化见图 6。从图 6 可以看出,XFG-5413 与 XFG-5420 为结构首圈拼装时位于临时支撑附近的杆件,施工过程中由于临时支撑的影响导致应力有所变化,首圈拼装完成后,其应力维持在较低的水平且变化比较平稳,最大应力为 22MPa;XXG-2336 与 SXG-409 为第 4 圈内扩悬挑施工时应力较大的杆件,施工过程中,应力增大明显;XFG-5225、XFG-5178、XFG-5961、XFG-6008 为第 7 圈安装时临时支撑附近杆件,应力较大,最高达到120MPa,在临时支撑卸载后,由于内力重分布,支座附近杆件内力明显降低;XFG-5013 位于第 11 圈安装时临时支撑附近杆件,应力较低;SXG-51、SXG-1307 以及 XFG-3384 为位于支座周圈杆件,施工阶段应力变化较大,最大应力为 102MPa,待临时支撑卸载后,杆件内力均有不同程度下降。图 6 施工过程关键杆件应力变化趋势为研究“内扩悬挑法”施工过程对此类双层网壳结构杆件应力的影响,在仅考虑恒载与温度效应组合情况下,对比不考虑施工过程和考虑施工过程的结构最终状态的应力云图,如图 7 所示。从图 7可以发现,两者的应力云图分布类似,但是杆件最大应力差别明显,考虑施工过程杆件最大应力可达到 137.5MPa,不 考 虑 施 工 状 态,最 大 应 力 为106.1MPa,最大应力增大 29%。图 7 施工过程对网壳杆件应力影响111建 筑 结 构2023 年3温度效应对网壳结构影响分析 为研究温度效应对网壳结构静力性能的影响,考虑施工过程杆件安装温度6-7,并假定温度场的分布已达到稳定状态(仅考虑均匀温度变化的影响)。假设环境温度为 T,构件安装温度为 Tm,对于合拢处构件,安装温度 Tm即为结构合拢温度。当考虑构件安装温度时,所有构件施加温度作用为T-Tm;当不考虑构件安装温度影响时,合拢位置构件施加温度作用为 T-Tm,其余构件施加温度作用为环境温度 T。根据杆件的实际安装时间与当地气温,对不同施工段的杆件施加相应的温度荷载。图 9 合拢温度对结构最大应力的影响图 10 环境温度对结构最大应力的影响该游泳馆网壳结构所处地点的历史最低气温为-22,最高气温为 43,因此环境温度考虑-2545之间。为研究温度对此类双层网壳结构形式的影响规律,按照安装顺序,将靠近支座的前 4圈网壳定义为下部网壳,其余网壳定义为上部网壳,如图 8 所示。图 8 上部网壳与下部网壳划分为研究合拢温度对网壳结构静力性能的影响,在环境温度计算范围内对网壳结构的上下部位杆件最大应力随合拢温度的变化进行分析。合拢温度计算范围取为-2545,计算结果如图 9 所示。由图 9 可知,在最低环境温度下,网壳结构上部网壳的最大应力随合拢温度不同而发生显著变化,应力随合拢温度的升高先降低后增大,变化幅度达到45MPa,在最高环境温度下上部构件应力随合拢温度的升高基本维持不变;合拢温度对下部网壳最大应力影响较小,在高温与低温下下部网壳杆件应力保持稳定,这是由网壳结构施工方法所决定的,下部网壳距合拢区杆件较远,合拢温度对其影响不明显。图 10 所示为在实际合拢温度 12 的情况下,主体结构各部分最大应力随环境温度的变化曲线。通过对比可知,是否考虑安装温度可对下部网壳的应力产生较大误差,最大差值发生环境温度为45,差值达到 38MPa,并且在此温度下,结构产生较 大 的 温 度 应 力,下 部 网 壳 温 度 应 力 高 达271.32MPa,相比合拢阶段温度应力增幅 3.7 倍左右;在低温时,结构温度应力较小,最大温度应力为99.7MPa,这是由于结构是在冬季温度较低时施工安装的,当环境温度升高时,杆件产生较大的温度应力。4支座节点性能对网壳结构影响分析 此网壳结构中采用了球形钢支座,具体尺寸如图 11 所示。球形钢支座的高度为 150mm,旋转中心为上支座板顶面以上 375mm 处,上支座板的尺寸为 400400,PTFE 球面板(上侧)投影尺寸半径为85mm,球冠衬板的投影尺寸半径为 115mm,PTFE平面板(下侧)的平面尺寸为 200200,PTFE 板的厚度均为 10mm。有关支座节点的设计与构造,空间网格结构技术规程(JGJ 72010)第 5.9.9 条提出了下列规定:1)支座竖向支撑板中心线应与竖向反力作用线一致,并与支座节点连接的杆件汇交与节点中心;2)支座球节点底部至支座底板间的距离应满足支座斜腹杆与柱或边梁不相碰的要求。除此之外,该规程条文说明第 5.9.9 条中也对支座构造高度进行了相关解释说明:考虑到支座节点可能存在一定的水平反力,为减少由此而产生的附加弯矩,应尽量减小支座球节点中心至支座底板的距离。但是并未对支座构造高度有明确具体要求。实际工程设计时,通常根据建筑相211第 53 卷 第 3 期高喜峰,等.网壳结构施工过程易引发杆件弯曲关键因素研究关需求确定支座构造高度,对于球铰支座而言,支座构造高度过大,在支座水平力较大的情况下可能会产生较大的倾角,对与支座相连的杆件非常不利8-10。为研究支座节点性能对整体结构的影响,首先选取了结构中支座反力最大的位置,通过多尺度建模,分析此工程采用的支座节点在荷载作用下的应力状况,其中支座节点通过实体单元建立,杆件通过梁单元建立,不同尺度之间的单元通过 MPC-BEAM 约束,如图 12 所示。图 11 支座设计尺寸图 12 多尺度有限元模型图 13 为支座节点球铰部位与十字肋板部位应力云图。从图 13 可以看出,整个支座节点应力较低,处于弹性工作状态,最大应力位于支座肋板与球铰上盖板连接处,最大应力为 49.2MPa,这是由于支座在竖向力和水平力作用下产生转动,而此支座设计时,球铰支座的转动中心与支座螺栓球的转动中心未重合,导致上部结构与下部球铰支座无法协调变形,使得支座产生较大的转角,该计算结果与实际支座变形情况相符。图 14 考虑支座节点性能对杆件受力影响图 15 考虑支座节点性能后支座位移模拟值图 16 现场实测支座位移值在整体模型计算中,为减少计算代价,一般将杆件用梁单元模拟。本文分析中上部网壳杆件采用 B31 单元模拟,在考虑支座节点的整体模型中,对支座进行简化,将支座节点也通过 B31 单元进行模拟,考虑到 ABAQUS 截面形状库中未涉及到十字图 13 支座节点应力云图/MPa形截面,通过其自带的广义形状截面进行定义。下部混凝土支承竖向刚度假定无限大,水平刚度通过弹簧单元进行模拟。在考虑支座节点性能影响后,支座相连的杆件内力出现明显变化,与支座相连的杆件共 363 根,其中 66 根杆件从受压变为受拉,如图 14 所示,163 根杆件轴力增大,最大增幅 90.5kN,134 根杆件轴力降低,最大降幅 36.1kN;考虑支座性能后,支座处节点位移发生明显变化,支座位移变化如图 15 所示,门洞处支座位移相比相邻支座位移较大,最大位移为 32mm,沿椭球长轴门洞处支座位移较短轴门洞处支 座 位 移 较 大,椭 球 短 轴 门 洞 处 最 大 位 移为 19mm。现场测量所得实际球铰支座偏差数据如图 16所示。从图 16 可以看出,实际支座最大位移值达到 41mm 左右,以门洞口为分界线,将网壳分为东北、东南、西南、西北四部分,其中,东北、东南、西北处支座位移较大,西南处支座位移较小,网壳杆件按照对称原则布置,然而支座并未产生对称变形。门洞附近处支座位移变化情况如图 17 所示。由图 17 可知,有限元模拟与实测支座位移趋势大概相同,在一定程度上证明了有限元模拟的正确性,311建 筑 结 构2023 年由于模拟中仅考虑了考虑结构自重,有限元模拟的支座位移较实测位移较小,在东侧门洞与南侧门洞处,模拟结果与实测结果相差较大,考虑到结构是在 3 月份合拢,6 月份时测量支座变形,主体结构安装完成后并未进行屋面围护结构的安装,杆件直接暴露在环境中,可能是由于太阳辐射温度场使结构产生了不均匀的温度应力,导致支座产生不对称位移。图 17 门洞支座位移模拟值与实测对比为研究支座构造高度对结构静力性能的影响,通过选取不同支座构造高度进行研究,采用梁单元整体模型。选取 200、400、600、800、1 000、1 200、1 500mm 等支座构造高度进行研究。为分析支座节点性能对结构不同区域的影响程度,将网壳结构从外向内分成 7 圈,选取每一圈关键位置且应力较大的杆件作为研究对象,选取杆件位置如图 18 所示,分析支座构造高度对关键杆件应力影响的变化趋势。图 18 关键杆件分布支座构造高度对关键杆件应力影响见图 19。从图 19 可以看出,网壳结构内圈位置处的杆件应力维持在较低水平,当支座高度达到 1 500mm 时,内圈杆件最大应力为103MPa,并且随着支座构造高度的增大,应力变化比较平稳且增幅不大,其中SXG-365 杆件位于网壳最外圈位置,与支座球节点相连,对支座高度变化非常敏感;当支座高度达到600mm 时,杆件应力达到 345MPa,达到钢材屈服强度。因此,支座构造高度对此类结构的影响非常显著,设计时必须对支座构造高度提出明确限制,除此之外,与支座相连的杆件设计时需留有足够的冗余度。图 19 支座构造高度对关键杆件应力影响支座构造高度对支座位移影响见图 20。从图20 可以看出,随着支座构造高度的增加,75 个支座位移均相应增大,南北侧门洞处支座位移值增大177%,东西侧门洞处支座位移值增大 88%,由此可见,此类椭球造型网壳长轴方向支座较短轴方向支座对支座节点性能影响更敏感,施工时需严加控制其施工质量。图 20 支座构造高度对支座位移影响支座构造高度对支座反力影响见图 21。从图21 可以看出,靠近门洞处支座反力较大,最大值达到 253kN,支座反力随支座构造高度的增大变化较为平稳。411第 53 卷 第 3 期高喜峰,等.网壳结构施工过程易引发杆件弯曲关键因素研究图 21 支座构造高度对支座反力影响5结论 基于实际网壳结构,通过数值模拟方法,分析了施工过程中容易导致杆件产生弯曲的原因,得出以下结论:(1)通过施工全过程分析,发现内扩悬挑法施工对首圈安装与悬挑处的杆件影响显著,施工过程中首圈杆件与悬挑处杆件的应力变化较大,内圈杆件应力变化较为平缓;考虑施工过程后,杆件最大应力增大杆件最大应力增大 29%,结构最大位移增大 11%,施工前应先进行施工仿真分析,以确定合理施工方案。(2)此类网壳结构,靠近支座附近的下部网壳对温度的敏感性要明显大于上部网壳结构,温度应力相比合拢时增幅可达 3.7 倍,设计与施工时应合理考虑温度效应的影响。(3)在考虑支座节点性能影响后,支座附近杆件内力和支座位移出现明显变化,当支座高度超过600mm 时,与支座相连的杆件迅速屈服,因此此类网壳结构设计时支座构造高度建议不超过 600mm。参考文献 1 董石麟.我国大跨度空间钢结构的发展与展望J.空间结构,2000,6(2):3-13.2 杨璐,王元清,袁焕鑫,等.网架钢结构施工缺陷分析与处理J.四川建筑科学研究,2014,40(2):341-344.3 唐建民,王念文.网格结构杆件弯曲的成因及加固方法J.山东理工大学学报(自然科学版),2010,24(5):106-110.4 田黎敏,郝际平,戴立先,等.深圳湾体育中心结构施工过程 模 拟 分 析 J.建 筑 结 构,2011,41(12):118-121.5 陈志华,徐皓,王小盾,等.天津于家堡综合交通枢纽贝壳形超大跨度单层网壳结构设计关键技术J.建筑结构,2014,44(7):33-36.6 赵中伟.大跨度双螺旋单层网壳施工分析优化及温度效应研究D.天津:天津大学,2016.7 范重,王喆,唐杰.国家体育场大跨度钢结构温度场分析与合拢温度研究J.建筑结构学报,2007,28(2):32-40.8 赵腾.考虑支座性能的大跨度空间钢结构整体分析的研究D.天津:天津大学,2016.9 董明昱,刘锡良,王小盾,等.支座连接杆件单元类型对屋盖结构受力分析的影响C/第十届全国现代结构工程学术研讨会论文集.上海,2010.10 刘红波,陈志华,王哲,等.考虑下部支承结构协同变形的椭圆形弦支穹顶结构温度效应研究J.建筑结构,2015,45(5):10-13.(上接第 102 页)参考文献 1 张国军,葛家琪,王树,等.内蒙古伊旗全民健身体育中心索穹顶结构体系设计研究J.建筑结构学报,2012,33(4):12-22.2 冯远,向新岸,董石麟,等.雅安天全体育馆金属屋面索穹顶设计研究J.空间结构,2019,25(1):3-13.3 郑君华,袁行飞,董石麟.两种体系索穹顶结构的破坏形式及其受力性能研究J.工程力学,2007,24(1):44-50.4 何键,袁行飞,金波.索穹顶结构局部断索分析J.振动与冲击,2010,29(11):13-16,249.5 梁昊庆,董石麟.局部索杆失效对肋环人字型索穹顶结构受力性能的影响J.建筑结构学报,2015,36(5):70-80.6 陆金钰,董霄,李娜,等.环箍-穹顶索杆结构局部断索抗倒塌 能 力 分 析 J.工 程 力 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