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1、钢结构变截面压弯构件设计武汉站结构设计武汉站结构设计武汉站结构设计武汉站结构设计QCQC小组小组小组小组二二二二0000八年十二月八年十二月八年十二月八年十二月一、武汉站概况一、武汉站概况一、武汉站概况一、武汉站概况二、二、二、二、QCQC小组概况小组概况小组概况小组概况三、课题选择三、课题选择三、课题选择三、课题选择四、目标设定及可行性分析四、目标设定及可行性分析四、目标设定及可行性分析四、目标设定及可行性分析五、提出方案并确定最佳方案五、提出方案并确定最佳方案五、提出方案并确定最佳方案五、提出方案并确定最佳方案六、制定对策六、制定对策六、制定对策六、制定对策七、实施对策七、实施对策七、实施
2、对策七、实施对策八、效果检查八、效果检查八、效果检查八、效果检查九、标准化与巩固措施九、标准化与巩固措施九、标准化与巩固措施九、标准化与巩固措施十、总结与今后打算十、总结与今后打算十、总结与今后打算十、总结与今后打算一、武汉站概况一、武汉站概况1.1.1.1.桥建合一桥建合一桥建合一桥建合一：结构与桥梁一体化设计。：结构与桥梁一体化设计。：结构与桥梁一体化设计。：结构与桥梁一体化设计。2.2.2.2.多种结构形式组合而成多种结构形式组合而成多种结构形式组合而成多种结构形式组合而成：桥梁结构、桁架结构、网壳结构、框架结构、树枝结构等等。：桥梁结构、桁架结构、网壳结构、框架结构、树枝结构等等。：桥
3、梁结构、桁架结构、网壳结构、框架结构、树枝结构等等。：桥梁结构、桁架结构、网壳结构、框架结构、树枝结构等等。3.3.3.3.多种材料组合多种材料组合多种材料组合多种材料组合：不同等级钢材、不同标号混凝土、钢：不同等级钢材、不同标号混凝土、钢：不同等级钢材、不同标号混凝土、钢：不同等级钢材、不同标号混凝土、钢+ + + +混凝土。混凝土。混凝土。混凝土。4.4.4.4.跨度大跨度大跨度大跨度大：最大跨度：最大跨度：最大跨度：最大跨度116m116m116m116m。5.5.5.5.连接关系复杂连接关系复杂连接关系复杂连接关系复杂：结构之间的连接通过特殊结点和特殊构件组合结构进行连接。：结构之间的
4、连接通过特殊结点和特殊构件组合结构进行连接。：结构之间的连接通过特殊结点和特殊构件组合结构进行连接。：结构之间的连接通过特殊结点和特殊构件组合结构进行连接。二、二、 QC小组概况小组概况l l小组名称：武汉站结构设计小组名称：武汉站结构设计小组名称：武汉站结构设计小组名称：武汉站结构设计QCQC小组（城小组（城小组（城小组（城08-108-1） 小组类型：创新型小组类型：创新型小组类型：创新型小组类型：创新型l l课题名称：钢结构变截面压弯构件设计课题名称：钢结构变截面压弯构件设计课题名称：钢结构变截面压弯构件设计课题名称：钢结构变截面压弯构件设计 活动次数：活动次数：活动次数：活动次数：25
5、25次次次次l l注册日期：注册日期：注册日期：注册日期：20062006年年年年1212月月月月1818日、日、日、日、 20082008年年年年1 1月月月月5 5日日日日 活动日期：活动日期：活动日期：活动日期：2006.122006.122008.122008.12小小小小组组组组人人人人员员员员组组组组成成成成序号序号序号序号姓名姓名姓名姓名性别性别性别性别年龄年龄年龄年龄文化程度文化程度文化程度文化程度职职职职 称称称称组内组内组内组内分工分工分工分工承担工作承担工作承担工作承担工作1 1 1 1陶陶陶陶 勇勇勇勇男男男男34343434研究生研究生研究生研究生高级工程师高级工程师
6、高级工程师高级工程师组组组组 长长长长项目负责人项目负责人项目负责人项目负责人2 2 2 2杨杨杨杨 劲劲劲劲男男男男38383838大大大大 本本本本高级工程师高级工程师高级工程师高级工程师组组组组 员员员员审查审查审查审查3 3 3 3鲍鲍鲍鲍 华华华华男男男男29292929博博博博 士士士士工程师工程师工程师工程师组组组组 员员员员设计设计设计设计4 4 4 4郭郭郭郭 盛盛盛盛男男男男29292929研究生研究生研究生研究生工程师工程师工程师工程师组组组组 员员员员复核复核复核复核5 5 5 5石城林石城林石城林石城林男男男男28282828研究生研究生研究生研究生工程师工程师工程师
7、工程师组组组组 员员员员复核复核复核复核6 6 6 6廖廖廖廖 斌斌斌斌男男男男46464646大大大大 本本本本高级工程师高级工程师高级工程师高级工程师组组组组 员员员员质量监督质量监督质量监督质量监督7 7 7 7赵鹏飞赵鹏飞赵鹏飞赵鹏飞男男男男36363636博博博博 士士士士高级工程师高级工程师高级工程师高级工程师组组组组 员员员员设计设计设计设计8. 8. 8. 8.汤荣伟汤荣伟汤荣伟汤荣伟男男男男31313131博博博博 士士士士高级工程师高级工程师高级工程师高级工程师组组组组 员员员员设计设计设计设计9 9 9 9潘国华潘国华潘国华潘国华男男男男37373737大大大大 本本本本
8、总工程师总工程师总工程师总工程师组组组组 员员员员技术顾问技术顾问技术顾问技术顾问10101010郭占一郭占一郭占一郭占一男男男男44444444大大大大 本本本本总工程师总工程师总工程师总工程师组组组组 员员员员技术顾问技术顾问技术顾问技术顾问三、三、 课题选择课题选择1.1.技术要求与设计现状技术要求与设计现状技术要求与设计现状技术要求与设计现状屋面通过变截面屋面通过变截面V撑撑与拱结构连接与拱结构连接主拱是变截面杆件主拱是变截面杆件概念：概念： 构件有缺陷；构件有缺陷； 破坏受稳定控制。破坏受稳定控制。(例子：倒塌的积木；右下图受轴心压力的杆件失稳例子：倒塌的积木；右下图受轴心压力的杆件
9、失稳) (1) 结构设计需要计算杆件的稳定强度结构设计需要计算杆件的稳定强度(2) 武汉站面临变截面杆件武汉站面临变截面杆件屋面通过变截面屋面通过变截面V撑撑与拱结构连接与拱结构连接三、三、 课题选择课题选择2.2.结构设计规范的限制结构设计规范的限制结构设计规范的限制结构设计规范的限制(1) 规范在计算构件稳定时采用的主要方法规范在计算构件稳定时采用的主要方法混凝土结构设计规范GB 50010-2002按照框架、排架确定计算长度，通过计算中附加偏心距考虑稳定强度钢结构设计规范GB 50017-2003框架：通过梁、柱的刚度比确定计算长度，进而考虑稳定系数来计算稳定强度桁架：通过杆件平面、内外
10、的连接关系确定计算长度， 进而考虑稳定系数来计算稳定强度(2) 规范计算方法的局限性规范计算方法的局限性A.A.武汉站结构的梁柱关系不明确，武汉站结构的梁柱关系不明确，V V撑并不是严格意义上的框架柱，而且相连的撑并不是严格意义上的框架柱，而且相连的构件也不是严格意义上的框架梁。构件也不是严格意义上的框架梁。B.B.由于整个武汉站结构呈现复杂的三维特性，构件的平面内和平面外也难以区分。由于整个武汉站结构呈现复杂的三维特性，构件的平面内和平面外也难以区分。C.C.V V撑的计算截面是变化的，每个截面的物理特性都是不同的，难以准确描述其撑的计算截面是变化的，每个截面的物理特性都是不同的，难以准确描
11、述其物理量，如：截面积物理量，如：截面积(A)(A)、惯性矩、惯性矩(I)(I)等等。等等。三、三、 课题选择课题选择2.2.结构设计规范的限制结构设计规范的限制结构设计规范的限制结构设计规范的限制(3) 确定课题确定课题 武汉站的建筑造型和效果是项目的生命，结构应该配合建筑师完成建武汉站的建筑造型和效果是项目的生命，结构应该配合建筑师完成建筑设计理念。筑设计理念。必须维持变截面构件的形态，不改变建筑的外形。必须维持变截面构件的形态，不改变建筑的外形。 同时，由于结构设计规范中对变截面的构件的稳定强度验算没有提出同时，由于结构设计规范中对变截面的构件的稳定强度验算没有提出具体方法，而武汉站又面
12、临着现实的问题需要解决，因此具体方法，而武汉站又面临着现实的问题需要解决，因此QCQC小组成员提出：小组成员提出：在武汉站设计中，需要对变截面杆件的设计提出可行的方法，并在设计中在武汉站设计中，需要对变截面杆件的设计提出可行的方法，并在设计中予以应用。予以应用。 通过理论上的初步分析和计算工具的功能分析，小组成员一致认为通过理论上的初步分析和计算工具的功能分析，小组成员一致认为“钢结构变截面压弯构件设计钢结构变截面压弯构件设计” ” 可作为可作为QCQC小组活动课题。小组活动课题。 四、目标设定及可行性分析四、目标设定及可行性分析1. 1. 课题目标课题目标课题目标课题目标 (1)(1)探索变
13、截面压弯构件的计算方法探索变截面压弯构件的计算方法 (2)(2)变截面构件的应力比变截面构件的应力比1.01.02.2.目标可行性分析目标可行性分析目标可行性分析目标可行性分析 (1)(1)对于具有固定几何参数的变截面构件，其对于具有固定几何参数的变截面构件，其受力特性应该是一定的。受力特性应该是一定的。设计人员要做设计人员要做的工作就是找到一种方法去描述这种必然性。的工作就是找到一种方法去描述这种必然性。 (2)(2)设计人员通过大量的结构设计工作，特别是我院参与的多项大型项目的磨炼，已设计人员通过大量的结构设计工作，特别是我院参与的多项大型项目的磨炼，已经具有了经具有了比较强的理论分析能力
14、和操作能力。比较强的理论分析能力和操作能力。 (3)(3)目前的目前的计算软件计算软件发展已经日新月异，达到了一个比较高的水平，配合理论研究，发展已经日新月异，达到了一个比较高的水平，配合理论研究，是可以解决决大部分结构设计问题的是可以解决决大部分结构设计问题的五、提出方案并确定最佳方案五、提出方案并确定最佳方案1. 1. 变截面构件计算的基本问题变截面构件计算的基本问题变截面构件计算的基本问题变截面构件计算的基本问题(1)(1)构件的失稳破坏是由于初始缺陷引起的结构承载力降低。构件的失稳破坏是由于初始缺陷引起的结构承载力降低。(2)(2)变截面构件的稳定破坏与等截面杆件的破坏机理是一致的。变
15、截面构件的稳定破坏与等截面杆件的破坏机理是一致的。(3)(3)计算需要紧扣规范进行，需要计算需要紧扣规范进行，需要l l0 0、EAEA、EIEI等计算数据等计算数据2. 2. 提出方案并比较优缺点提出方案并比较优缺点提出方案并比较优缺点提出方案并比较优缺点 (1) (1) 通过试验的方法，进行数据统计，结合等通过试验的方法，进行数据统计，结合等截面杆件的设计参数，对不同直径比的杆件提出截面杆件的设计参数，对不同直径比的杆件提出可行的计算参数。可行的计算参数。 优点优点: :可以直观的得到构件的稳定强度。可以直观的得到构件的稳定强度。 缺点：需要进行大量的试验才能符合统计学缺点：需要进行大量的
16、试验才能符合统计学上要求，才能符合设计使用的要求。上要求，才能符合设计使用的要求。 五、提出方案并确定最佳方案五、提出方案并确定最佳方案2. 2. 提出方案并比较优缺点提出方案并比较优缺点提出方案并比较优缺点提出方案并比较优缺点(2) (2) 通过理论分析，进行数值积分，对构件进行精确的数学计算。通过理论分析，进行数值积分，对构件进行精确的数学计算。 优点优点: :可以得到精确解。可以得到精确解。 缺点：计算量太大，效率极低。缺点：计算量太大，效率极低。(3) (3) 分别按照最大截面和最小截面的等截面杆件进行计算，按照长度加权取值或者平均值。分别按照最大截面和最小截面的等截面杆件进行计算，按
17、照长度加权取值或者平均值。 优点优点: :计算过程简化，而且有规范可用。计算过程简化，而且有规范可用。 缺点：没有一个准确的目标值，无法知道计算结果是否慢足要求，计算结果或者太保守造成浪费，或者结构缺点：没有一个准确的目标值，无法知道计算结果是否慢足要求，计算结果或者太保守造成浪费，或者结构的不安全。的不安全。(4) (4) 按照面积等效进行计算按照面积等效进行计算(EA(EA等效等效) )。 优点优点: :可以准确求解轴压应力。可以准确求解轴压应力。 缺点：弯曲应力计算不准确。缺点：弯曲应力计算不准确。(5) (5) 按照惯性矩等效进行计算按照惯性矩等效进行计算(EI(EI等效等效) )。
18、优点优点: :可以准确求解弯曲应力。可以准确求解弯曲应力。 缺点：轴压应力计算不准确。缺点：轴压应力计算不准确。(6) (6) 按照屈曲计算得到按照屈曲计算得到l l0 0，同时按照等效的，同时按照等效的EA EIEA EI进行等截面计算进行等截面计算 优点优点: :可以准确求解变截面构件各项物理特性，进而计算构件的稳定强度。可以准确求解变截面构件各项物理特性，进而计算构件的稳定强度。 缺点：每个杆件都需计算多项物理特性值，需要大量的计算资源，如：人力，软件的占用。缺点：每个杆件都需计算多项物理特性值，需要大量的计算资源，如：人力，软件的占用。 3. 3. 提出方案提出方案提出方案提出方案通过
19、以上分析、比较，小组成员一致认为方案通过以上分析、比较，小组成员一致认为方案(6)(6)为实现变截面杆件计算的最佳方案！为实现变截面杆件计算的最佳方案！五、提出方案并确定最佳方案五、提出方案并确定最佳方案4. 4. 最佳方案流程分析最佳方案流程分析最佳方案流程分析最佳方案流程分析设计流程图设计流程图选择需要计算的选择需要计算的变截面构件变截面构件确定构件两端的支座确定构件两端的支座并建立变截面模型并建立变截面模型按照简支梁施加水平力按照简支梁施加水平力q q计算侧向位移计算侧向位移f f支座的选择对计算结果支座的选择对计算结果影响较大影响较大按照简支梁竖向力按照简支梁竖向力进行屈曲计算进行屈曲
20、计算按照简支梁竖向力按照简支梁竖向力F F计算竖向位移计算竖向位移计算等效计算等效EIEI 得到第一阶屈曲荷载值得到第一阶屈曲荷载值计算等效计算等效EAEA得到等效计算长度得到等效计算长度按照规范的等截面计算公式按照规范的等截面计算公式进行计算进行计算五、提出方案并确定最佳方案五、提出方案并确定最佳方案5. 5. 分析关键步骤分析关键步骤分析关键步骤分析关键步骤(1)(1)确定边界条件：边界可能自由端、铰接、固结。确定边界条件：边界可能自由端、铰接、固结。(2)(2)构件计算：必须进行构件计算：必须进行EAEA、EIEI、l l0 0的计算和换算并进行构件计的计算和换算并进行构件计算。算。六、
21、制定对策六、制定对策对策表对策表对策表对策表序号要因对策目标措施地点负责人完成日1确定边界条件确定边界条件根据构件所连接根据构件所连接的杆件确定边界的杆件确定边界条件条件得到边界条得到边界条件件1. 1.进行整体模进行整体模型计算型计算2.2.弯矩大时按弯矩大时按照固结计算照固结计算3.3.弯矩小时按弯矩小时按照铰接计算照铰接计算单位单位鲍华鲍华08.0308.032构件计算构件计算分别计算等效值分别计算等效值并进行构件计算并进行构件计算等到计算需等到计算需要的物理量要的物理量并进行构件并进行构件计算。计算。应力比应力比1.01.01. 1.分别计算等分别计算等效效EAEA、EIEI、l l0
22、 02.2.进行构件计进行构件计算算单位单位陶勇陶勇08.0508.05七、实施对策七、实施对策1.1.确定边界条件确定边界条件确定边界条件确定边界条件在在SAP2000SAP2000中进行整体模中进行整体模型计算型计算(1)(1)按照整体模型计算。按照整体模型计算。(2)(2)计算时，按照中间截面，等截面计算时，按照中间截面，等截面进行计算。进行计算。(3)(3)按照计算的固端弯矩进行判断边按照计算的固端弯矩进行判断边界条件界条件变截面杆件简化为等截变截面杆件简化为等截面杆件面杆件七、实施对策七、实施对策1.1.确定边界条件确定边界条件确定边界条件确定边界条件弯矩较小处，按照铰接弯矩较小处，
23、按照铰接支座考虑支座考虑弯矩较大处，可按照固弯矩较大处，可按照固定支座考虑定支座考虑七、实施对策七、实施对策1.1.确定边界条件确定边界条件确定边界条件确定边界条件序号序号截面截面模型模型计计算算长长度度支座支座1700x25400x3010m下端：固接下端：固接上端：上端：铰铰接接2600x10350x107m下端：下端：铰铰接接上端：上端：铰铰接接3700x25400x307.5m下端：下端：铰铰接接上端：上端：铰铰接接边界确定边界确定边界确定边界确定七、实施对策七、实施对策2.2.构件计算构件计算构件计算构件计算(1)(1)按照实际构件截面建立模型。按照实际构件截面建立模型。(2)(2)
24、施加水平荷载。施加水平荷载。施加水平力施加水平力q q计算等效计算等效EIEI 计算侧向位移计算侧向位移f f七、实施对策七、实施对策2.2.构件计算构件计算构件计算构件计算(3)(3)施加竖向荷载。施加竖向荷载。按照简支梁竖向力按照简支梁竖向力F F计算竖向位移计算竖向位移计算等效计算等效EAEA得到第一阶屈曲荷载值得到第一阶屈曲荷载值得到等效计算长度得到等效计算长度l l0 0(4)(4)施加竖向荷载。施加竖向荷载。七、实施对策七、实施对策2.2.构件计算构件计算构件计算构件计算(4)(4)进行构件计算。进行构件计算。八、效果检查八、效果检查1.1.设计经过三家单位的确认设计经过三家单位的
25、确认设计经过三家单位的确认设计经过三家单位的确认已经将新方法的应用到了设计中，设计文件和设计图通过了三家审察单位的确认，已经开始加已经将新方法的应用到了设计中，设计文件和设计图通过了三家审察单位的确认，已经开始加工制作。工制作。八、效果检查八、效果检查2.2.将本设计方法写入了武汉站的研究报告，正在提交业主组织评审将本设计方法写入了武汉站的研究报告，正在提交业主组织评审将本设计方法写入了武汉站的研究报告，正在提交业主组织评审将本设计方法写入了武汉站的研究报告，正在提交业主组织评审相关成果已经完成论文，被相关成果已经完成论文，被相关成果已经完成论文，被相关成果已经完成论文，被建筑结构建筑结构建筑
26、结构建筑结构收录收录收录收录八、效果检查八、效果检查 通过开展通过开展QCQC活动，完成了武汉站活动，完成了武汉站“钢结构变截面压弯构件设计钢结构变截面压弯构件设计” 目标目标结果结果结构应力比结构应力比1.01.00.820.82设计方法设计方法 找到合适的设计找到合适的设计方法方法已经形成了已经形成了完整的设计完整的设计流程流程 效果检查表效果检查表效果检查表效果检查表达到目标达到目标九、标准化与巩固措施九、标准化与巩固措施提出了变截面构件计算的一个新方法，从计算的源头着手提出了变截面构件计算的一个新方法，从计算的源头着手, ,有条理有条理的解决了设计中的问题。并对相关成果进行了总结，制定
27、了设计的基的解决了设计中的问题。并对相关成果进行了总结，制定了设计的基本流程，形成了报告和论文。本流程，形成了报告和论文。 通过本次活动，提高了设计水平，增强了面对新、难工程的设计通过本次活动，提高了设计水平，增强了面对新、难工程的设计信心和解决具体问题的能力，达到了预期的目的。信心和解决具体问题的能力，达到了预期的目的。 为了使本次活动的成果进一步深化、巩固和提高，我们将经常组为了使本次活动的成果进一步深化、巩固和提高，我们将经常组织学习并定期开展知识培训活动，进行技术交流，更好地学习掌握先织学习并定期开展知识培训活动，进行技术交流，更好地学习掌握先进的经验和技术；同时深入工程现场调研，将设
28、计、施工有效地结合进的经验和技术；同时深入工程现场调研，将设计、施工有效地结合起来，使结构设计更好的服务于建筑设计。起来，使结构设计更好的服务于建筑设计。 十、总结与今后打算十、总结与今后打算 (1)(1)小组通过本次小组通过本次QCQC小组活动，不仅取得了显著的技术及社会效益，小组活动，不仅取得了显著的技术及社会效益，而且使小组成员运用而且使小组成员运用QCQC方法、个人能力、团队精神、质量意识等都有方法、个人能力、团队精神、质量意识等都有了明显提高。了明显提高。 (2)(2)由于建筑设计的千变万化，给结构设计不断带来新的挑战，本次由于建筑设计的千变万化，给结构设计不断带来新的挑战，本次QCQC小组活动，给了我们很多挑战难题的信心和战胜困难的决心。小组活动，给了我们很多挑战难题的信心和战胜困难的决心。 (3)(3)积极协助建设单位，对武汉站的研究成果进行评审。积极协助建设单位，对武汉站的研究成果进行评审。 (4)(4)关注各种结构形式的应用，研究基础理论，并结合理论研究对设关注各种结构形式的应用，研究基础理论，并结合理论研究对设计中的盲点进行探讨。计中的盲点进行探讨。 汇报结束，谢谢 ！
