1、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
2、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
3、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 Str
4、ucture,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 Engineerin
5、g,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 b
6、ar.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 increa
7、ses 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 com
8、pared 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
9、 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,
10、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
11、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
12、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
13、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,
14、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
15、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-
16、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