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1、第3 9 卷增刊建筑结构 2 0 0 9 年4 月 基于不同步行走机构的柔性单层网壳体系 研究性设计与实施精度控制 李龙春，王芳，尹华铜 总装备部工程设计研究总院，北京1 0 0 0 2 8 【# 奉I # 结构 寨“ * * f 有目i 结构静目n 性* 析，时i 性单月月壳结构体系度、刚 度，& m m 载 “ T * * * 结合行m 梅m 行T 4 分析目悔遗n 目，镕* 女目，f 目步n i n 梅# | 目日 壳镕目镕e 日* 、日靠，奉女M 形成的研究性设汁g 础，日u 在类似的结构件系方案确定中u 应用+ 本 女十* f 窖精度# 制保* T 镕T # 镕口计i 束宴日H *
2、台目结构I 控制掘供参考。 【* 4 目】 同步行 m 掏单目月壳镕自体2 # ；目# # 制 I 概况 椿圳东部华侨城室内水公用崖面行走钢结构I 程 分由屋面锕结构、非标准机械传动机构和控制系统i 部分组成，是目前国内首十单层厨壳和充气膜组合而 成的构筑物，屋面主跨度近5 0 m ，属严蓐不规则单层异 型空间活动钢结构，也是国内维奥i 含水立方I 程后 第= 个采E T F E 材科的项H 。本I 程将建筑结构和 机械融为一体，设计和施工难度很大，特别是20 0 0 m 2 纳相对秉性主体结构瞄机械传动机构绕轴同角度不同 行程转动，给基础、结构和连接等带来请多困难。为使 结掏主体与传动机构尽
3、可能的减少相对变形或移位， 日赫国内活动屋盖厦与其连接的机械传动系统均形成 川度较太的整体本T 程结构主体则采用柔性非完整 单层网壳结椅，对工程设计、实施提小T 更高的要求。 ，一 f 川0 0 2 基千不同步行走机构的柔性单层网壳体系研究性设计 2 1 设计思路 根据外形效果，结构平面，剖面和廿点见图1 。连 接打走机构的结构主体如果采用双层空间桁颦，则对 E T F E 膜的通透皿观感散果造成很大影响，经过和业主 “及相盖家的韧步讨论后，形成丁M 端为机械传动 滚轮、两侧为口肢桁架、巾问为由轻向主构件和坏向及 斜向柯件组成单层嘲壳结构体系的第一方睾，实际吏 撑为两端铰接。由于单层同壳中间体
4、系非常柔必绒 经过计算米桉定渡体系尼胥满足结构自身的强度及刚 度，行走机构的要求，如果在加大截面的情况下仍不能 满足上述要求，则必须采用其他方案。第二方案中间 体系为双层桁集体系其余与第一方靠同。 22 可行性分析研究 22 1 单层网壳强度刚度计算 本屋盖网壳结构话动部分水平投影跨度为 4 75 m 构件主要包台径向构件( 口4 5 0x2 0 0x6x 1 4 ) 、环向构件( 口4 0 0x 1 5 0 6x 1 4 1 ) 、封边桁架和中叫 分界桁架等，除封边桁架外均为端部简支材料为 Q 3 4 5 B 。根据由自重、括荷载、风荷载形成的一系列荷 戟组合，秉用A N S Y S 对活动
5、部分的单层网壳进行r 静 ，】分析，最大应力和局部最大变形分别为1 2 7 M P a 和 1 6 3 m m ( 见同2 ，3 ) 满足结构强度和川度耍求。 j 警 目2 目m H I m ) 222 单层嘲壳稳定性计算 结构稳定性问题+ 是结构分析中最为重要的研究 课题之一。近年来，随着各类大跨度空闻结构的广泛应 用，结椅的稳定性M 题变的犹为突出。1 9 6 3 年笋乌尼亚 砧加勒斯特的一十跨度为9 35 m 的网壳匿盖在一场大 雪后被压琦其原固就是同壳的整体失稳。特别是单层 年规则罔壳体系，t 咧壳结构拄术规程) ( J G 6 t 一2 0 。3 ) 1 5 9 匡固 压丑画匦圃 匝
6、丑匦巫圃 匦玉匝巫匦鲴 匝受亟匝固匝受画i ! ! 囤 匦国匝巫叵鲴 匝亟壹垂珂匣匦圃 匝亟亚蜜旦巫 咂圃 一_ * _ _ 斗 T 7 一 # m ，月 m s Y s 2 * * # $ # m 日5 * _ H n B _ * 中仪就拉规则的同壳墩了碰举，对其稳定性验算也是 通过较规则舯阿壳来提出的建汪( “分析中一f 假定材 料保持为线弹性”、“通过实橱进行的研究表明：当初 始几何缺陷接最低阶届曲模卷分布时求得的稳定性 承载力是可能的最不利值”) ，且确定系数K 尚缺少越 档的统计资料做进一步的论证”1 ，瑚此对踌度大的不 规划单层同壳结柯应在静力计算和分析的基础上采用 多个程序进行稳
7、定性验算。目前稳定性丹折( 屈曲分 析) 和稳定性验算已经成为大跨度结构设计中必须考 虑的关键性问题。结构失稳破坏一般可以分为如下两 种：1 ) 平衡状态丹枝型失稳，即平衡状态发生质的变 化，属于随遢平衡状态失稳的范畸；2 ) 檄值点失稳，即 随着变形的发展结构内、外力之问的不平衡不再可齄 达到，此时哪使外力不冉坩加结柑的坚彤也将不断增 埘直至畦坏其中第种失稳般为几何非线性和材 料非线性同时存盘的符台非线性问蹶。枉比较规则的 单层网壳结柯中以非线性有限元为基础的结构捕 载一位移垒过程分析理论方法c 经比较成熟，町“把 结构稳定等性能坐化历程表达清楚n f “从鞍精确的 意义t 米研究结构的稳定
8、性问题因此对大型不规则 的单层网壳站掏进 T 考虑几何非线性的荷载倚移全过 程分析井在此基础L 进行稳定承载山确定挂可“宴现 的。奉节鞔蕞于A N S Y S 软件接r 述方珐对椿圳东部 华侨城肝台艋网壳结构进行，稳定分析。 A N S Y S 程岸提供r 两种屈曲分析方法即特征值 埘曲分析和非绒作屈曲分析：其中特征值牲曲分析一 艘分为j 个步馨：首先醍置碗应力分折斗执行 趺静 力分析然后计算鼎曲模卷摄后扩展屈曲模卷。非线 性屈曲模卷是利用特征屈曲分析得到的第一阶届曲 模卷的各节点的位移特征向量挂一定比例缩小，作为 结构的一种韧蛄几何缺陷通过饪材料模型和大变 形条件下的静力分析，在设置定分析予
9、步数量的基 础进行求解。由于静态分析的时间参数与菏载数值 成比倒关系，田此在程序非线性求解的过程中出现是 1 6 0 不增加反而减少的情况就表示结构已经选到了非线 性失稳的极限荷载即荷薮选刘结构槭限荷载之后筑 不能再增加结构的位移鲥继续坩加直至结相破坏。 如果在求解中没有出现不收敛的状况，说明施加的荷 载来选到结构的极限荷毂。采用A N S Y S 进行稳定性 什析的基丰流程见阿4 。 将衙藏分项系毁设置为1 0 对结柑进行静力分析 ( 具体见21 ) ，分析结束后直接进行屈曲模卷分析，在 屈曲筷态分析韵基础上，将第阶屈曲模态分析结果 的I 作为初始几何缺鹃，对主体结构进行几何非线 性分析，等
10、求解过程中出现位移增加而内力( “时间”) 减少的情况时，即表明结构体系开始失稳。根据静力 分析结单和模卷分析结果选定局鄢邬丹梅件( 奎形以 及楣对壁形最太) 作为控制构件，选定的控制构件的内 力变形曲线* 罔5 。罔5 表驯该柠制构件的最凡轴 向受压艰载力为2 0 0 k N 在构件唾向伸移选到3 7 0 r a m 时盘 而此时的荷载是在1 24 k N m ，参考J G J 6 l 一 2 0 0 3 中的确定系数x 取值5 的建议其毡定承载力为 24 8 k N m 泼数值满足辣定性耍求。 223 连接行走机构的单层用壳施r 町行性分析研究 撤据结构剖面，土冉件为= 十卿姐展组合而墟每
11、 椭土椅件长度在5 5 5 9 m 之问可“通过台理分殷加 T 热后现场拼接的办法束解决其安装阿题缚殷构件 可以枉用等离子切蜘曲线粪弧饭( 腹扳) 和矩形翼缘 板后制作专门的腑具皋完成：各环向拘件因长度音适， 无须讣段f 【接接弧形构件加【_ ；斜向构件采用打面， 可经成型机对其加L ；因此结均主体理论上是可行的。 行走机构系采用J I ! # L 带动齿轮、街轮带动链条，链条带 动行走机构来完成理论上也是可行的。综上升析，在 解决柔性单层网壳结构体系变形和关键连接节点的基 础上如果鬃性体系和行走机构有机结台则该体系在 施工上可U 宴现的。 23 反向置变形位分析与设计 虽然在理沧| 体系n
12、J 行但对于单层同壳的震性 卸荷分步测量数据表1 卸载 下部上部 AB CDEFABC 次数 bbbbbbbbab 原始 1 9 3 1 9 31 8 42 0 31 5 71 9 l1 8 51 9 71 9 31 9 81 6 81 9 41 8 82 0 42 0 41 9 72 1 02 1 9 l1 9 31 9 31 8 42 0 2 1 5 61 9 0 18 4 1 9 71 9 l1 9 71 6 51 9 31 8 72 0 3 2 0 41 9 7 2 0 92 1 6 21 9 31 9 31 8 42 0 2 1 5 5 J 9 0 】8 2 J 9 6 1 9 01
13、 9 6 J 6 5J 9 3 1 8 7 2 0 42 0 41 9 7 2 0 82 1 5 3 1 9 l1 9 2 1 8 22 0 1l5 51 8 91 8 l1 9 61 8 91 9 61 6 41 9 21 8 72 0 32 0 31 9 62 0 62 1 4 41 9 01 9 11 8 I2 0 l1 5 31 8 91 8 11 9 51 8 91 9 61 6 31 9 21 8 72 0 32 0 31 9 62 0 6 2 1 4 5 1 9 0 1 9 11 8 l2 0 ll5 31 8 91 8 I1 9 51 8 91 9 61 6 31 9 21 8
14、 72 0 32 0 31 9 62 0 6 2 1 4 说明：I 本测量J I ! = m 钢结构安装、非标准安装共同进行的，业主和监理派人见汪；2 本测量点位布置示意图见附件；3 分步卸荷方式严格 按卸荷方案进行，直至下部支撑件全部悬空，卸荷完成。 结构体系而言，必须解决因较大结构变形而对行走机 构不利的问题，根据静力计算结果，结构在自重状态下 最大变形为8 4 m m ，这是一个很大的数值，如处理不当， 结构体系将因此产生较大的P A 效应，如何才能最大 限度的减少此不利因素影响关系到行走机构的成败。 在多程序、多工况计算以及与仔细研究行走机构工艺 条件的基础上，采用局部使用反向预变形(
15、 即起拱) 的 办法，最大限度的降低了此问题的影响。反向预变形 曲线见图6 ，起拱值( 腑) 为4 0 7 0 r a m 。 图6 反向预变形变形币惹图 2 4 关键节点分析与研究 该行走屋面的成败关键还取决于柔性结构体系与 行走机构的连接节点。为保证不发生卡轨、结构扭曲 变形等不利情况发生，行走结构采用上下单独驱动的 方式，因此节点的要求必须满足以下条件：结构和行走 机构必须连接可靠，必须在上节点水平方向铰接，垂直 方向固接，下节点水平方向固接，垂直方向铰接。该方 式在理论上是可以做到的，实际上存在很大问题，经多 方案比较，最终采用图l 中节点做法，最大限度的满足 了上述条件。 3 实施精
16、度控制 3 1 基于空间坐标定位的结构体系施工 根据深圳市的相关规定，项目部对吊装专项方案 进行了专门整理，就吊装设备配置、构件运输顺序、进 场顺序、支撑设置、胎架制作与现场安装、塔吊和汽车 吊合理配合、主桁架吊装顺序、固定部分和活动部分主 构件吊装顺序、主次构件的吊装精度、固定部分构件卸 载顺序、活动部分构件卸载顺序等内容进行了详细阐 述。鉴于本结构属于复杂空间结构体系，必须采用全 站仪对主构件逐个定位。 项目部在2 0 0 7 年1 2 月1 日一4 日对预埋件的标 高和平面位置进行了复测，并根据原来测量控制点所 引出的点位进行了安装基本点的定位，以此为基础将 轴线定位。由于复测结果与设计图纸中差别较大，根 据现场监理会议纪要，除要求部分预埋件重新布置外， 对误差较小处的构件进行了局部改造，如加长、割短、 增加柱脚、增加
