專利名稱：一種調整懸挑鋼結構根部構件內力的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及土木工程設計及施工領域，特別涉及一種多層懸挑鋼結構的設計與施工方法。多層懸挑鋼結構指具備兩層以上懸挑結構層，并且懸挑結構層具有承載功能的鋼結構體系。
背景技術：
目前，城市用地越來越緊張，城市地面空間越來越擁擠。為了滿足人們地面活動，提供充足的地面空間，建筑設計越來越注重下部空間開敞，使部分建筑不落地。此時為了保證建筑選型的需求，采用懸挑鋼結構體系。多層懸挑結構一般采用懸挑桁架作為上部結構 轉換，由于結構自重大且懸挑結構上部托起多層樓面，因此造成結構懸挑桁架根部應力集中，是比較危險的關鍵部位。在設計過程中，通常采用加大截面的常規(guī)設計方法(常規(guī)設計方法不考慮結構的施工過程，采用一次性加載的設計方法)，但增大截面致使關鍵構件剛度增加，分擔更多的結構作用，產生更大的應力集中，難以有效的減少關鍵構件的受力。對具有上述特征的多層懸挑鋼結構進行設計，時如何有效的減少多層懸挑根部的構件內力，達到安全、經濟、美觀、適用的完美統(tǒng)一，同時具有安全可靠的施工安裝可行性是問題的關鍵。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有多層懸挑鋼結構設計施工過程中的不足，提供了一種有效適用的設計與施工相結合的方法，有效解決了多層懸挑鋼結構根部構件的應力集中問題，并在某多層懸挑鋼結構工程的設計與施工過程中得到應用與驗證。可廣泛應用于多層懸挑鋼結構設計與施工。為解決上述問題，本發(fā)明公開了一種調整懸挑鋼結構根部構件內力的方法，該方法包括以下步驟
(I)對工程進行結構設計，提出后裝構件。(2)對完成的設計進行施工仿真分析，明確臨時支撐卸載量及卸載步驟。(3)比較分析臨時支撐卸載時機與后裝構件安裝的各種可行性方案，得到最優(yōu)的施工方案，明確桿件后裝時機。根據(jù)分析結果調整關鍵構件的截面。(4)施工主體結構，安裝臨時支撐結構。(5)根據(jù)(3)的分析結果實施卸載及后裝桿件的安裝，同時對結構卸載過程進行監(jiān)測。本發(fā)明主要應用于多層懸挑鋼結構，此類結構一般具有多個懸挑桁架，且各個懸挑桁架的跨度和剛度不盡相同，各個懸挑桁架之間具有聯(lián)系桁架或聯(lián)系轉換桁架。在豎向荷載作用下剛度大的桁架受力大，剛度小的桁架受力小，剛度大的懸挑桁架的弦桿根部受到彎矩和軸力也最大。常規(guī)設計方案是加大懸挑桁架弦桿截面，截面增加造成剛度加大，構件所承受的內力更大，難以滿足設計要求。本發(fā)明對于懸挑鋼結構的施工應具有臨時支撐，臨時支撐是施工過程中為保證結構定位及支撐結構重量所采用的臨時結構；同時用來保證構件后裝的施工方法的安全性，同時臨時支撐分步卸載過程中即是豎向荷載作用在不同剛度懸挑桁架之間的重新分配的過程。本發(fā)明為設計與施工相結合的方法，步驟(I)選定應力集中的懸挑桁架根部弦桿作為后裝桿件。步驟(2)采用有限元軟件對施工過程進行施工階段的仿真分析，確定臨時支撐的卸載量及卸載步驟，臨時支撐的卸載可根據(jù)實際情況進行等比或等量卸載，等比卸載即時所有臨時支撐每步按比例進行卸載，不同剛度桁架對應支撐卸載梁不同。最后臨時支撐同時退出工作；等量卸載為不考慮支撐的卸載量的不同，每步卸載一致，臨時支撐退出工作有先有后。步驟(3)列出若干可行的臨時支撐卸載步與后裝桿件安裝方案，采用有限元
軟件進行對不同方案進行仿真分析，對分析結果從如下幾個方面進行對比懸挑端部位移，關鍵構件內力減少量，非后裝桿件內力增加量，綜合考慮以上三個方面，在滿足安全、經濟、滿足相應規(guī)范及設計要求的前提下確定最優(yōu)的臨時支撐卸載及后裝桿件安裝時機。根據(jù)施工仿真分析的結果對關鍵構件的構件大小進行設計調整。步驟(4)安裝臨時支撐，施工主體結構，預留后裝桿件或預留后裝桿件焊縫間隙。步驟(5)按照步驟(3)的分析結果進行臨時支撐的卸載及后裝桿件的安裝施焊。步驟(6 )對卸載過程中懸挑桁架的主要腹桿、弦桿，柱的應力，懸挑桁架端部的位移進行監(jiān)測，記錄卸載及后裝桿件安裝過程中的所有階段的數(shù)據(jù)。有益效果
首先對常規(guī)設計無法滿足設計要求的結構通過施工階段的調整減少關鍵構件的內力，達到了采用施工方法解決設計問題的一種方法。通過關鍵構件的后裝，使懸挑桁架分擔的內力趨于平均，有效的減少了懸挑桁架根部關鍵構件的內力，在滿足安全的前提下可減少關鍵構件截面，增加結構的安全儲備。采用有限元軟件對臨時支撐卸載與桿件后裝時機進行優(yōu)化，對結構的施工過程進行了全過程施工仿真分析，確定了后裝桿件焊縫的預留間隙，保證結構在施工過程中后裝桿件的可行性，保證施工完成后裝桿件的焊縫質量滿足要求。依靠卸載后施焊預留焊縫的方法實現(xiàn)構件的后裝，減小關鍵構件在施工過程中由于結構自重產生的內力，在不增加工程成本和工程進度的前提下，減小了關鍵構件的內力峰值，具有較好的經濟效益。施工過程中對結構變形、構件應力進行了全過程監(jiān)測，獲得了結構實際變形和受力情況。在保證施工安全性的同時，對實測值與仿真分析結果進行了對比，驗證了本發(fā)明的可行性。


圖I是本發(fā)明涉及的懸挑鋼結構建筑平面圖及施工采用的臨時支撐的布置示意圖。
圖2是本發(fā)明懸挑桁架A的立面及施工采用臨時支撐的示意圖，即是圖I中的A-A剖面。圖3是本發(fā)明懸挑桁架B的立面及施工采用臨時支撐的示意圖，即是圖I中的B-B剖面。圖4是本發(fā)明懸挑桁架A的立面及施工采用臨時支撐的示意圖，即是圖I中的C-C剖面。圖5是本發(fā)明連接懸挑桁架的聯(lián)系桁架D的立面示意圖，即是圖廣圖4中的D-D。圖6是本發(fā)明方法的流程圖。附圖標記
I為懸挑桁架A的臨時支撐的卸載裝置；
2為懸挑桁架B的臨時支撐的卸載裝置；
3為懸挑桁架C的臨時支撐的卸載裝置；
4為上部桁架后裝桿件5涉及的焊縫；
5為上部桁架后裝桿件； 6為下部桁架后裝桿件7涉及的焊縫；
7為下部桁架后裝桿件；
8為桁架A根部構件柱；
9為桁架臨時支撐；
10為桁架B根部柱；
11為桁架B根部弦桿；
12為桁架C根部柱；
13為桁架C根部弦桿。
具體實施例方式實施方式一
以某中心多層懸挑鋼結構為例
(I)本發(fā)明所涉及的工程實例共有3種類型的懸挑桁架共20榀，其中桁架A共8榀，桁架B共8榀，桁架C共4榀，各桁架懸挑長度不同，豎向承載剛度不同，桁架A的剛度最大，分擔的內力也最，僅靠增加截面的常規(guī)方法其懸挑桁架下弦根部的應力無法滿足設計要求。選取桁架A中的桿件5和桿件7作為本發(fā)明的后裝桿件。(2)對工程實例進行施工仿真分析，臨時支撐卸載裝置1、2、3進行同比卸載，卸載分4步進行。(3)桁架A中構件5和7的安裝時機與臨時支撐卸的可行性方案進行多次仿真分析，并對分析結果進行對比，最終得出5號桿件在臨時支撐卸載I步后安裝，7號桿件在臨時支撐卸載3步后安裝。(4)主體結構施工時，桁架A安裝過程中預留焊縫4和焊縫6不施焊；操作1、2、3臨時支撐卸載裝置進行等比卸載，同時卸載I步后施焊焊縫4，同時卸載3步后施焊焊縫6，全部完成后，卸載第4步。
( 5 )對整個卸載過程對關鍵構件應力、結構位移進行全過程監(jiān)測。(6)拆除臨時支撐，完成內外裝修。施方式二
以某中心多層懸挑鋼結構為例
(I)本發(fā)明所涉及的工程實例共有3種類型的懸挑桁架共20榀，其中桁架A共8榀，桁架B共8榀，桁架C共4榀。各桁架懸挑長度不同，其中桁架A懸挑長度15. 8m,桁架B懸挑長度23. 6m，桁架C懸挑長度43. 2m，桁架A、B、C的懸挑根部高度均為6. 5m。桁架的豎向承載剛度不同，桁架A的剛度最大，分擔的內力也最大，桁架B和C的剛度相對較小，分擔的內力也較小，三類桁架之間通過桁架D聯(lián)系協(xié)調，共同受力。若按常規(guī)設計方法，則靠增大構件截面來降低其應力，則桁架A的桿件截面大小已遠超設計所能接受的范圍，而桁架B和的 桿件截面均非常小。實際設計過程中要求桁架B、桁架C的桿截面與桁架A的外觀尺寸基本一致。按一次加載發(fā)計算，桁架A的桿件5、8、7應力均較大，應力無法滿足設計要求，而桁架B的10、11和桁架C的12、13的應力具有較大富余。采用本發(fā)明的方法對構件內力進行調整。選取桁架A中的桿件5和桿件7作為本發(fā)明的后裝桿件。(2)對工程實例進行施工仿真分析，三類不同的臨時支撐卸載裝置1、2、3進行同比卸載，卸載分4步進行。卸載裝置I、卸載裝置2、卸載裝置3 (包括與其對稱的部位)每步的卸載量分別為6. 5mm>8mm和12mm。(3)桁架A中構件5和7的安裝時機與臨時支撐卸的可行性方案進行仿真分析。對構件5和構件7的安裝時機與臨時支撐的卸載步進行排列組合，共有16種組合。分析結果如下
桿件的后裝對祐1架C端部位移的影響不大,隨著后裝桿件安裝時機的推遲，祐1架C端部位移略有增加。卸載三部后安裝構件5和構件7比卸載前安裝位移增大5%。桿件的后裝對7、8和5號構件內力影響對打，對其它構件影響較小。隨著構件安裝時機的推遲，10、11、12、13號桿件的內力最大增加量約3%。7、8號桿件的內力減少量最大可達22. 1%。最終得出5號桿件在臨時支撐卸載一步后安裝，7號桿件在臨時支撐卸載三步后安裝。與卸載前安裝構件相比所采取的方案可有效減少構件內力，5號構件內力減少4. 5%。7、8號內力減少15. 3%。安裝前焊縫4處的結構水平位移為5mm，豎向位移為2mm，6號焊縫處的結構水平位移為IOmm,豎向位移為4. 5mm,在構件加工過程中對構件和焊縫進行調整，增大焊縫間隙分別為5和10mm。(4)桁架A安裝過程中預留焊縫4和焊縫6不施焊；操作1、2、3臨時支撐卸載裝置進行等比卸載，同時卸載I步后施焊焊縫4，同時卸載3步后施焊縫6，全部完成后，卸載第4步。( 5 )對整個卸載過程對關鍵構件應力、結構位移進行全過程監(jiān)測。結構實際內力及變形與仿真分析吻合較好，證明對于多層大懸挑鋼結構本方法的可行性。(6)拆除臨時支撐，完成內外裝修。
權利要求
1.一種調整懸挑鋼結構根部構件內力的方法，其中包括以下步驟 步驟(I)對所述懸挑鋼結構進行結構設計，選定應力集中的構件作為后裝構件； 步驟(2)采用有限元軟件對完成的結構設計進行施工階段仿真分析，確定臨時支撐的卸載量及卸載步驟； 步驟(3)比較分析臨時支撐卸載時機與后裝構件安裝的各種可行性方案，確定最優(yōu)的施工方案，明確后裝構件的后裝時機，并根據(jù)分析結果調整關鍵構件的截面； 步驟(4)主體結構施工，安裝臨時支撐結構； 步驟(5)根據(jù)步驟(3)的分析結果，實施卸載及后裝構件的安裝，同時對結構卸載過程進行監(jiān)測。
2.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于 所述步驟(2 )中臨時支撐卸載為等比卸載或等量卸載。
3.根據(jù)權利要求I或權利要求2所述的方法，其特征在于 所述步驟(3)中確定最優(yōu)施工方案時以懸挑端部位移、關鍵構件內力減少量及非后裝構件內力增加量三方面衡量。
4.根據(jù)權利要求I至權利要求3中任一權利要求所述的方法，其特征在于所述步驟(4)中，預留后裝構件后裝或預留后裝構件涉及的焊縫間隙。
5.根據(jù)權利要求I至權利要求4中任一權利要求所述的方法，其特征在于 所述步驟(6)中，對結構關鍵構件的應力、結構位移進行全程監(jiān)測。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種減小懸挑鋼結構根部構件內力的方法，屬于結構工程領域。該方法是對懸挑鋼結構根部構件在臨時支撐部分或全部卸載后安裝，使結構在卸載過程中內力重新分配，關鍵構件內力得到優(yōu)化，有效解決懸挑鋼結構根部構件的應力集中問題。本發(fā)明提出的設計施工方法可在多層懸挑鋼結構的設計與施工，能取得很好的效果。
文檔編號E04B1/34GK102704568SQ20121009574
公開日2012年10月3日 申請日期2012年4月4日 優(yōu)先權日2012年4月4日
發(fā)明者張國軍, 王明珠, 王樹, 葛家琪, 黃季陽 申請人:中國航空規(guī)劃建設發(fā)展有限公司