CN113268904B - 单层平板网壳屋盖结构逆作建设全周期的风险控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大型公共建筑建设领域，公开了一种单层平板网壳屋盖结构逆作建设全周期的风险控制方法，包括确定逆作提升网壳屋盖的施工过程；利用有限元软件建立整体结构模型；通过时变力学分析，预演结构建设各阶段的受力状态进行施工过程和使用阶段的风险控制；所述逆作提升平板网壳屋盖的施工过程包括：安装临时提升支架；提升网壳屋盖至设计位置；所述施工过程风险控制包括：进行抗风载荷控制；进行各吊点同步提升控制；进行整体稳定性控制，进行防连续倒塌控制；所述使用阶段风险控制包括：进行小震弹性控制；进行中震弹性控制。本发明能够规避单层网壳屋盖结构逆作建设中各种潜在风险，增加结构抵抗突发灾害的能力，全周期保证结构安全。

Description

单层平板网壳屋盖结构逆作建设全周期的风险控制方法

技术领域

本发明涉及大型公共建筑建设领域，具体涉及一种单层平板网壳屋盖结构逆作建设全周期的风险控制方法。

背景技术

在大型公共建筑中，常采用单层平板网壳结构作为屋盖结构。在现有技术中，采用逆作法整体提升单层平板网壳屋盖结构可加快施工进度，保证焊接质量。在单层平板网壳屋盖结构整体逆作提升过程中，其抗力体系不完整，施工风险高；即使施工安全，也可能由于不当的施工方法造成较大的“附加”内力潜伏在结构中，为结构使用阶段埋下安全隐患。常规的结构设计分析方法仅考虑结构的设计阶段，没有考虑结构的施工方法、施工过程中诸多不确定因素对成型结构的影响，未能对结构施工与使用阶段进行有效的全周期的风险控制。因此，需要提供一种单层平板网壳屋盖结构逆作建设全周期的风险控制方法，全寿命周期保证结构安全。

发明内容

为克服常规的柔性单层平板网壳结构设计分析方法未考虑结构施工成型过程对结构使用阶段的影响，导致结构施工过程与使用阶段存在较大安全隐患的问题；本发明提供了一种单层平板网壳屋盖结构逆作建设全周期的风险控制方法，考虑施工成型过程，及对使用阶段的影响，规避单层平板网壳屋盖逆作建设过程中的各种风险，全周期保证结构安全，其具体技术方案如下。

一种单层平板网壳屋盖结构逆作建设全周期的风险控制方法，包括确定逆作提升网壳屋盖的施工过程；利用有限元软件建立结构整体计算模型；通过时变力学分析，预演结构建设各阶段的受力状态进行施工过程风险控制和使用阶段风险控制；

所述逆作提升网壳屋盖的施工过程包括：安装临时提升支架；提升网壳屋盖至设计位置；

所述施工过程风险控制包括：在安装临时提升支架后对临时提升支架进行抗风载荷控制；在提升网壳屋盖过程中进行各吊点同步提升控制；在提升网壳屋盖至设计位置后进行整体稳定性控制；在提升网壳屋盖至设计位置后进行防连续倒塌控制；

所述使用阶段风险控制包括：在多遇地震作用下进行全部结构构件的小震弹性控制；在设防地震作用下进行关键构件与节点的中震弹性控制。

进一步的，对临时提升支架进行抗风载荷控制包括：将十年一遇风载荷按梁单元载荷施加在临时提升支架上，计算临时提升支架体系在风荷载作用下的侧向位移角与杆件组合应力，若提升支架侧向变形可恢复，风荷载下位移角不超过设计规范限值，提升支架杆件应力小于材料设计强度，则提升支架满足抗风荷载控制要求。

进一步的，所述各吊点同步提升控制包括：获取各吊点中的最大吊点提升力，在提升力最大的吊点下方额外施加20～30％的最大吊点提升力的竖直向下的节点载荷；比较钢绞线的下提升吊点的最大竖向位移与最小竖向位移差值，若差值不超过20mm，则满足各吊点同步提升控制要求。

进一步的，所述整体稳定性控制包括：将结构提升至设计位置后，对结构进行1.0倍恒荷载作用下的线弹性屈曲分析，若结构整体稳定性系数不小于设计规范限值的要求，则满足整体稳定性控制要求。

进一步的，所述防连续倒塌控制包括：拆除位于结构中部的一组临时提升支架，分析网壳屋盖结构构件的应力状态；确定最大竖向变形位置并获取最大竖向变形值；计算最大竖向变形与对应柱跨度的比值，若比值不超过设计规范且所有杆件的应力值均小于材料的设计强度，则满足防连续倒塌控制要求。

进一步的，全部结构构件的小震弹性控制包括：在考虑施工成型全过程的有限元分析模型的基础上，对整体结构模型施加设计使用阶段的恒载荷和活载荷、五十年一遇风载荷、以及多遇地震作用，计算结构杆件的应力与结构的层间位移角；若全部结构构件的应力均小于材料的设计强度，层间位移角不超过设计规范限值，则满足小震弹性控制要求。

进一步的，关键构件与节点的中震弹性控制包括：在考虑施工成型全过程的有限元模型的基础上，对整体结构模型施加设计使用阶段的恒载荷和活载荷、以及设防地震作用，获得关键柱构件应力，提取柱构件上铸钢件节点内力，采用实体有限元分析获得节点板件应力，若柱构件应力与铸钢件板件应力均小于材料设计强度，则满足关键构件与节点中震弹性控制要求。

进一步的，所述安装临时提升支架包括：在结构柱附件固定两根临时钢柱，呈三角状排布。

本发明提供的一种单层平板网壳屋盖结构逆作建设全周期的风险控制方法相对于现有技术所具备有益效果：本发明在安装临时提升支架后对临时提升支架进行抗风载荷控制；在提升网壳屋盖过程中进行各吊点同步提升控制；在提升网壳屋盖至设计位置后进行防连续倒塌控制与整体稳定性控制；在多遇地震作用下进行全部结构构件的小震弹性控制；在设防地震作用下进行关键构件与节点的中震弹性控制。通过时变力学分析，预演结构建设各阶段结构的受力状态，规避平板网壳屋盖逆作建设全周期的潜在风险。从施工层面揭示柔性单层平板网壳结构施工成型过程对结构使用阶段受力性能的影响，优化施工方案，控制施工安全；在设计层面实现结构设计与施工全周期的协同分析，增加结构的冗余度，全寿命周期保证结构安全，引领大跨复杂结构建造发展趋势。

附图说明

图1为本发明实施例中临时支架体系十年一遇抗风计算侧向变形示意图；

图2为本发明实施例中临时支架体系十年一遇抗风计算应力分布示意图；

图3为本发明实施例中网壳屋盖整体提升的示意图；

图4为本发明实施例中各提升吊点的提升力的分布示意图；

图5为本发明实施例中不同步提升各吊点的竖向变形分布示意图；

图6为本发明实施例中不同步提升屋面结构杆件应力分布示意图；

图7为本发明实施例中结构整体稳定性分析示意图；

图8为本发明实施例中拆除一组提升支架后屋盖结构竖向变形分布示意图；

图9为本发明实施例中拆除一组提升支架后结构杆件应力分布示意图；

图10为本发明实施例中设计阶段结构整体的侧向变形分布示意图；

图11为本发明实施例中设计阶段结构整体杆件应力分布示意图；

图12为本发明实施例中钢铸件应力分布示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

本实施例提供了一种单层平板网壳屋盖结构逆作建设全周期的风险控制方法，本实施例的逆作整体提升的对象为单层柔性平板网壳屋盖；实施例的具体方案包括如下：

结合单层柔性平板网壳屋盖以及下部山体结构复杂多样的结构特点，确定先逆作整体提升网壳屋盖再施工下部楼层的施工方案。施工顺序依次包括：①安装临时提升支架→②地面拼装网壳屋盖→③提升网壳屋盖至设计位置→④高空嵌补连接杆件，施工下部剪力墙→⑤连接剪力墙与柱间的梁构件及其余梁构件→⑥对称卸载提升支架→⑦连接下部楼层构件→⑧从下往上浇筑各层结构板→⑨施工各层楼面及屋面做法。

采用MIDAS有限元分析软件建立带单层平板网壳屋盖结构的整体计算模型，所建立的模型包含单层平板网壳屋盖结构、下部主体结构以及提升支架；依据施工方案中的施工顺序将整体结构与提升支架拆分成不同的结构组，并分别定义与各结构组相对应的边界组与荷载组模拟结构施工阶段与使用过程中实际的边界条件与荷载情况。采用时变力学分析方法通过对结构施工各阶段结构组、边界组、荷载组的激活与钝化的处理，实现结构施工全过程的仿真计算分析。预演施工各阶段结构的受力状态，发现潜在风险，并采取相应保障措施，保证结构施工安全。

具体来说，施工方案中第①条安装临时提升支架中：临时支架的结构包括一根结构柱以及两根临时钢柱，一根结构柱与两根钢柱呈三角状排列。通过在结构柱临近区域加设两根临时钢柱，所加设的临时钢柱避开剪力墙位置，同时为了规避整体结构的侧向失稳，在安装临时提升支架后对临时提升支架进行抗风载荷控制。

对临时提升支架进行抗风载荷控制包括：依据提升支架体系施工过程十年一遇的抗风分析确定临时提升支架杆件截面，确保提升支架杆件应力小于材料设计强度，并在柱脚焊接四块钢板进行构造加强；施工过程中结构杆件没有遮挡，将十年一遇的风荷载按梁单元荷载施工在临时提升支架体系上。根据图1可知，在1.0倍X向风荷载作用下，最大的一组提升支架体系的侧向位移为60mm，临时支架总高24m，风荷载下侧向位移角为1/400，可满足风荷载下侧位移角不超过1/250的设计规范要求，符合临时支架抗风载荷控制的要求；若风载荷下提升支架位移角超过限值要求，可通过加大临时支架杆件截面或增设几道水平联系杆的方式提高提升支架的抗侧刚度。

对临时提升支架进行抗风载荷控制还包括：将最不利工况1.3倍恒载荷+1.5倍X向风荷载施加在临时提升支架体系上，临时提升支架体系的受力状态如图2所示；临时支撑体系杆件的最大应力67.3Mpa，小于Q345钢材设计强度。因此临时提升支架体系施工过程中强度与稳定均满足要求，若临时支撑体系中有杆件的应力超过Q345钢材的设计强度时，可将钢材标号替换为Q390或者更高标号，保证杆件应力处于弹性。

具体来说，施工方案中第②条地面拼装网壳屋盖中：在地面设置胎架，采用25t汽车吊拼装单层平板网壳屋盖结构。

由于网壳屋盖逆作施工方法为整体提升，需要设置多个吊点；整体提升屋盖结构过程中若出现不同步提升可能会导致局部杆件应力超限，提升吊点间竖向位移差大，施工风险较大，因此在提升网壳屋盖过程中进行各吊点同步提升控制。

在提升网壳屋盖过程中进行各吊点同步提升控制包括：分析并确定整体同步过程中各提升吊点的提升力，整体提升示意见图3。如图4所示，最大吊点提升力为412KN，对最大提升吊点提升力放大20％，在提升力最大的提升吊点下方额外施加82.4KN竖直向下的节点荷载，考虑不同步提升的影响。施加额外节点载荷后，各吊点的竖向位移分布如图5所示，最大提升力处下吊点竖向位移为-4.36mm，比其余提升下吊点最小竖向位移-1.94mm大2.42mm，不同步位移差极小，没有超过各测点竖向位移差20mm限值的要求，不存在不同步提升风险；当两吊点间竖向同步差超过该值时，立即悬停提升结构，采用不提升竖向变形较大的吊点提升其余吊点的调整措施，直至各吊点竖向同步差控制在5mm内，继续整体提升全部吊点。施加额外节点载荷后，判断屋盖结构杆件是否满足设计强度要求，屋面结构杆件应力分布如图6所示；屋盖结构杆件最大应力出现在最大提升吊点附近杆件处，为83.3MPa，与Q345钢材设计强度310MPa相比，有较大安全储备。若局部杆件应力超过Q345钢材的设计强度时，可将钢材标号替换为Q390或者更高标号。

具体来说，逆作整体提升单层平板网壳屋盖结构至设计位置，即未高空嵌补连接杆件，又未施工下部楼层时，结构体系不完整，结构整体稳定性最差，对此施工阶段进行结构整体稳定性控制。图7所示，结构线弹性屈曲分析得到的结构整体稳定性系数为18.5，满足空间网格结构技术规程整体稳定性系数不小于5的要求，满足结构整体稳定性能要求。若结构整体稳定性系数小于5，可加大屋盖结构与临时提升支架构件尺寸，增加结构整体刚度。

具体来说，逆作整体提升单层平板网壳屋盖结构至设计位置，即未高空嵌补连接杆件，又未施工下部楼层时，结构体系不完整，结构倒塌风险最高，对此施工阶段进行结构防连续倒塌控制。连续防倒塌控制包括拆除中部一组提升支架，拆除中部一组提升支架后，结构最大柱距为28m,在1.0倍恒荷载作用下，如图8所示，屋面结构最大竖向变形出现在拆除支架的屋面梁处，为34.5mm,竖向变形与跨度的比值为1/812，满足1/400的限值要求；当不满足时应加大被拆除的临时支架周圈一跨柱距内的屋盖梁杆件截面，增大屋盖结构刚度。如图9所示，拆除中部一组提升支架后，结构内力发生重分配，周边四组提升支架应力较大，最大应力为103.2MPa；构件均采用Q345钢材，仍处于弹性，满足强度要求。若屋面结构及提升支架杆件应力超过材料设计强度时，可将钢材标号替换为Q390或者更高标号。

具体来说，施工方案中第④条高空嵌补连接杆件，施工下部剪力墙包括高空嵌补提升结构与柱间的连接构件，绑扎屋盖结构下部剪力墙内钢筋，并浇筑剪力墙。

具体来说，施工方案中第⑤条连接剪力墙与柱间的梁构件及其余梁构件时，连接不与提升支架位置冲突的梁构件。

具体来说，施工方案中第⑥条对称卸载提升支架包括对称同步卸载提升支架，按照从外向内，先沿东西方向，再沿南北方向的卸载顺序，利用提升油缸系统逐级对称卸载提升支架的钢绞线，钢绞线对称卸载完成后，立即用2台25t汽车吊卸载对应的提升支架体系。对称同步卸载可保证卸载过程中结构整体刚度变化均匀，防止局部不对称卸载导致结构出现局部薄弱环节，发生结构局部失稳。

具体来说，施工方案中第⑦条连接下部楼层构件包括拆除与下部各楼层结构打架的提升支架后，自下向上安装下部楼层及山体结构梁、柱构件。

具体来说，施工方案中第⑧条从下往上浇筑各层结构板包括待结构梁、墙、柱主体施工完成后，自下向上依次浇筑各层楼板。

具体来说，施工方案中第⑨条施工各层楼面及屋面做法包括自下向上完成各层楼面及屋面做法。

结构施工完成后，考虑施工成型过程对结构使用阶段的影响，在考虑施工全过程有限元分析模型的基础上，施加设计荷载，在多遇地震作用下进行全部结构构件的小震弹性控制；在设防地震作用下进行关键构件与节点的中震弹性控制。

具体来说，在多遇地震作用下结构的弹性控制包括在完成施工全过程有限元分析的模型的基础上，继续施加设计使用阶段的恒荷载与活荷载，同时考虑与50年一遇风荷载及多遇地震的最不利组合，进行结构整体的弹性计算分析，如图10所示，设计阶段结构的最大侧向变形为1.0倍X向风荷载作用控制，最大变形为42.6mm，结构整体高20.3m，位移角为1/477，可满足现行设计规范1/250的要求。若位移角超过现行规范限值要求时，可增加不满足位移角要求的柱壁厚或是增大与变其相连的梁截面提高梁对柱的约束作用，减小侧向变形。设计阶段结构杆件应力分布如图11所示，最大杆件应力出现在屋盖结构处，为300MPa，与Q345钢材设计强度310MPa接近，为保证结构构件均为小震弹性并具有一定的安全储备，将应力超高295MPa的杆件钢材标号替换为Q390。

具体来说，在设防地震作用下进行关键构件与节点的中震弹性控制包括在完成施工全过程有限元分析的模型的基础上，继续施加设计使用阶段的恒荷载与活荷载，同时考虑与设防地震的组合，进行结构设防地震计算分析，确保关键柱构件与铸钢件节点均处于弹性，柱构件在设防地震下最大应力为182MPa，可满足钢材设计强度的要求，若不满足，可提高柱钢材标号。提取最不利铸钢件节点内力，在ANSYS通用有限元软件进行三维实体有限元节点精细化分析。如图12所示，铸钢件节点最大应力为263MPa，铸钢件钢材标号为ZC340-550H，铸钢件节点应力满足中震弹性的要求。若铸钢件节点局部板件应力超高材料设计强度，可增加局部板件厚度，确保铸钢件节点处于弹性。

本发明采用全周期设计分析方法预演结构施工与使用阶段的受力与变形状态，规避结构建设过程各种潜在风险，优化施工与设计方案，结合工程项目建设过程的健康监测，全寿命周期保证结构安全。

本发明所提供的一种单层平板网壳屋盖结构逆作建设全周期的风险控制方法。首先在各结构柱附近设置临时提升装置，逆作提升柔性平板网壳屋盖结构，减少施工成型过程对结构使用阶段的影响；屋盖结构提升至设计位置后，施工屋盖结构下部剪力墙，安装剪力墙与柱间的连接构件；待结构整体抗侧刚度形成后，采用对称卸载的方式卸载临时提升支架，并完成结构柱与下部楼层的连接。本发明具有施工安全可控、施工质量高、施工速度快、结构成型态与设计态吻合度高等优点。适用于工期紧张、施工质量要求高、下部结构形式复杂的大跨柔性平板屋盖结构的施工。

本发明提供了一种单层平板网壳屋盖结构逆作建设全周期的风险控制方法，填补了传统的单层柔性平板网壳结构设计分析方法未考虑结构施工成型过程对结构使用阶段的影响的空白，规避了结构建设全周期的各种潜在风险。从施工层面揭示柔性单层平板网壳结构施工成型过程对结构使用阶段受力性能的影响，优化施工方案，控制施工安全；在设计层面实现结构设计与施工全周期的协同分析，增加结构的冗余度，全寿命周期保证结构安全，引领大跨复杂结构建造发展趋势。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种单层平板网壳屋盖结构逆作建设全周期的风险控制方法，其特征在于：包括确定逆作提升网壳屋盖的施工过程；利用有限元软件建立结构整体计算模型；通过时变力学分析，预演结构建设各阶段的受力状态进行施工过程风险控制和使用阶段风险控制；

所述逆作提升网壳屋盖的施工过程包括：安装临时提升支架；提升网壳屋盖就位；

所述施工过程风险控制包括：在安装临时提升支架后对临时提升支架进行抗风载荷控制；在提升网壳屋盖过程中进行各吊点同步提升控制；在提升网壳屋盖至设计位置后进行整体稳定性控制；在提升网壳屋盖至设计位置后进行防连续倒塌控制；

所述使用阶段风险控制包括：在多遇地震作用下进行全部结构构件的小震弹性控制；在设防地震作用下进行关键构件与节点的中震弹性控制；

对临时提升支架进行抗风载荷控制包括：将十年一遇风载荷按梁单元载荷施加在临时提升支架上，计算临时提升支架体系在风荷载作用下的侧向位移角与杆件组合应力，若提升支架侧向变形可恢复，风荷载下位移角不超过设计规范限值，提升支架杆件应力小于材料设计强度，则提升支架满足抗风荷载控制要求；

所述各吊点同步提升控制包括：获取各吊点中的最大吊点提升力，在提升力最大的吊点下方额外施加20～30％的最大吊点提升力的竖直向下的节点载荷；比较钢绞线的下提升吊点的最大竖向位移与最小竖向位移差值，若差值不超过20mm，则满足各吊点同步提升控制要求；

所述整体稳定性控制包括：将结构提升至设计位置后，且未高空嵌补连接杆件，又未施工下部楼层时，对结构进行1.0倍恒荷载作用下的线弹性屈曲分析，若结构整体稳定性系数不小于设计规范限制的要求，则满足整体稳定性控制要求；

所述防连续倒塌控制包括：将结构提升至设计位置后，且未高空嵌补连接杆件，又未施工下部楼层时；拆除位于结构中部的一组临时提升支架，分析网壳屋盖结构构件的应力状态；确定最大竖向变形位置并获取最大竖向变形值；计算最大竖向变形与对应柱跨度的比值，若比值不超过设计规范且所有杆件的应力值均小于材料的设计强度，则满足防连续倒塌控制要求。

2.根据权利要求1所述的一种单层平板网壳屋盖结构逆作建设全周期的风险控制方法，其特征在于：全部结构构件的小震弹性控制包括：在考虑施工成型全过程的有限元模型的基础上，对整体结构模型施加设计使用阶段的恒载荷和活载荷、五十年一遇风载荷、以及多遇地震作用，计算结构杆件的应力与结构的层间位移角；若全部结构构件的应力均小于材料的设计强度，层间位移角不超过设计规范限值，则满足小震弹性控制要求。

3.根据权利要求1所述的一种单层平板网壳屋盖结构逆作建设全周期的风险控制方法，其特征在于：关键构件与节点的中震弹性控制包括：在考虑施工成型全过程的有限元模型的基础上，对整体结构模型施加设计使用阶段的恒载荷和活载荷、以及设防地震作用，获得关键柱构件应力，提取柱构件上铸钢件节点内力，采用实体有限元分析获得节点板件应力，若柱构件应力与铸钢件板件应力均小于材料设计强度，则满足关键构件与节点中震弹性控制要求。

4.根据权利要求1所述的一种单层平板网壳屋盖结构逆作建设全周期的风险控制方法，其特征在于：所述安装临时提升支架包括：在结构柱附件固定两根临时钢柱，呈三角状排布。

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