国产精品久久久福利,一区二区不卡在线,伊人欧美a∨综合视频,国产成人成人一区二区

裝配式懸吊體系在筒倉工程中的應(yīng)用研究

裝配式懸吊體系在筒倉工程中的應(yīng)用研究

高占陽

（北京未來科學(xué)城置地有限公司，北京，102200 ）

摘要：裝配式懸吊體系在筒倉工程方面的應(yīng)用，能有效避免基礎(chǔ)過多的問題，同時也能有效發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)抗拉性能好、施工便捷的特點。懸吊體系的冗余度較少，故應(yīng)格外關(guān)注節(jié)點設(shè)計，確保安全。節(jié)點設(shè)計過程中，既要保證吊桿受拉，還要保證吊桿本身無焊接點。懸吊體系鋼結(jié)構(gòu)與筒倉的連接節(jié)點，主要分為剛接節(jié)點和鉸接節(jié)點。其中，平臺的徑向主梁與筒倉剛接，筒頂大梁同筒倉鉸接。這兩種節(jié)點形式在國內(nèi)乃至世界工程史上均屬首創(chuàng)。

關(guān)鍵詞：裝配式懸吊體系有限元分析節(jié)點設(shè)計

RESEARCH ON APPLICATION OF ASSEMBLED SUSPENSION SYSTEM IN SILO ENGINEERING

Gao Zhanyang

(Beijing future science city land Co., Ltd, Beijing, 102200 )

ABSTRACT: The application of fabricated suspension system in silo engineering can effectively avoid the problem of too many foundations, and can also effectively play the characteristics of good tensile performance and convenient construction of steel structures. The redundancy of suspension system is less, so special attention should be paid to the node design to ensure safety. In the process of node design, it is necessary to ensure that the suspender is not only tensioned, but also that there is no welding point in the suspender itself. The connection joints between the suspended steel structure and the silo are mainly divided into rigid joint and hinged joint. The radial main beam of the platform is rigidly connected with the silo, and the top beam of the silo is hinged with the silo. These two types of nodes are the first in the domestic and even the world engineering history.

Key words: Fabricated suspension system，F(xiàn)inite element analysis ，Node design

概述

懸吊結(jié)構(gòu)，又稱懸掛結(jié)構(gòu)，在解決建筑物使用功能上有諸多優(yōu)勢：

1)可以提供通透的大空間以滿足不同建筑功能的需要;

2)可以通過調(diào)整結(jié)構(gòu)體系自身的動力參數(shù)來達到減小結(jié)構(gòu)在水平荷載對建筑物振動響應(yīng);

3)可以采用多個平面同時施工的方法以提高工作效率，節(jié)約工程工期;

4)可以充分利用材料性能以降低工程造價，等等。

所以，對建筑物懸吊結(jié)構(gòu)體系依據(jù)既有筒倉改造工程實例進行可行性研究和設(shè)計優(yōu)化有很深刻的現(xiàn)實意義。

懸吊體系定義

懸吊結(jié)構(gòu)[1~2]指荷載通過吊索或吊桿傳遞到固定在筒體或柱上的水平懸吊梁或桁架上，并通過筒體或柱傳遞到基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)體系。懸吊結(jié)構(gòu)的水平荷載也由筒體或柱承受。

懸吊結(jié)構(gòu)的造型新穎，能充分利用鋼材和預(yù)應(yīng)力混凝土的受拉工作性能，因而可增大結(jié)構(gòu)跨度和大大減少鋼材的用量，還可使現(xiàn)代建筑的形式更加富于變化，不受傳統(tǒng)建筑做法限制，從而滿足人們新形式下的審美訴求。

到目前為止，懸吊結(jié)構(gòu)體系在經(jīng)歷近幾十年來的飛速發(fā)展和優(yōu)化創(chuàng)新后，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于房屋建筑、橋梁等眾多領(lǐng)域內(nèi)。在建筑領(lǐng)域內(nèi)，它既可應(yīng)用于簡單的單層建筑，也可用于高層建筑以及改造項目。

懸吊體系發(fā)展概況

2.1國外發(fā)展概況

國外懸吊結(jié)構(gòu)最初的應(yīng)用在大跨度和大空間的單層建筑結(jié)構(gòu)中，如大型橋梁、展廳、會議室等大空間建筑。隨著社會的發(fā)展，在人口密集區(qū)進行舊房改造或翻新，受限于施工場地的約束，多數(shù)建筑形式在施工中難以展開工作面，而懸吊結(jié)構(gòu)因其特有的施工工藝成為眾多建筑師解決此類問題的首選。

國外建筑的懸吊結(jié)構(gòu)發(fā)展早，有許多典型的案例。以美國明尼阿波利斯聯(lián)邦儲備銀行為代表，它是一座著名懸吊結(jié)構(gòu)建筑，其設(shè)計思路來自于懸索橋的設(shè)計思路。

該建筑的主體結(jié)構(gòu)以兩側(cè)高塔來發(fā)揮出懸索橋橋墩的支撐作用，然后將鋼架設(shè)在兩側(cè)高塔的塔頂之間，之后在鋼架上懸吊鋼索，把十二層的樓板懸掛起來。該建筑安全性要求較高的金庫、保險柜等部分均位于在地下，安全性相對較低的辦公和管理部分則建造在地上。

該建筑共計16層，兩側(cè)高塔相距約一百米。地面上部建筑是懸空的，整個懸吊體系除了兩座高塔占用地面，其余部分均采取懸空布置，而留置下來的空地則被設(shè)計成室外廣場，該廣場同建筑物外面的公共區(qū)域連成整體，這樣的設(shè)計最大限度地利用了寶貴的土地。結(jié)合建筑整體造型設(shè)計，通過布置不帶反射效果的玻璃幕墻，充分地將高塔間的垂鏈形懸索結(jié)構(gòu)體系展現(xiàn)在世人面前。主體結(jié)構(gòu)封頂后，該建筑新穎奇特的懸吊結(jié)構(gòu)引起輿論的廣泛關(guān)注。

2.2國內(nèi)發(fā)展情況

我國對懸掛建筑的研究和應(yīng)用起步比較晚，在20世紀(jì)60年代初，我國建造的南昌拖拉機齒輪廠齒輪車間采用了懸掛結(jié)構(gòu)體系。該建筑的柱網(wǎng)為12X12米,屋頂用4塊4X4米的殼板組成一傘形，然后用8根拉索懸掛在立柱頭上。經(jīng)過不斷的工程積累，我國建造了以香港匯豐銀行主樓為代表的世界一流的懸吊結(jié)構(gòu)體系建筑。

香港匯豐銀行是目前世界上最高的大型懸掛結(jié)構(gòu)建筑,1985年建成。地面上46層,高180米，采用5組桁架式懸掛結(jié)構(gòu)，垂直構(gòu)件為8組鋼柱,每組4根柱子。香港匯豐銀行以新穎的結(jié)構(gòu)形式表現(xiàn)建筑造型，施工方案上能節(jié)省占地面積，而且由于懸吊體系屬于非剛性連接，從而能大幅消減地震橫向作用力，進而大幅減小地震給高層建筑帶來的破壞。

香港匯豐銀行實現(xiàn)了在超高層建筑上首次使用巨型懸掛體系，施工過程中，主體結(jié)構(gòu)垂直偏差控制在20mm，大廈頂部水平晃動幅度小于500mm。同時，根據(jù)計算結(jié)果，主體懸吊結(jié)構(gòu)能確保12級大風(fēng)條件下的結(jié)構(gòu)安全，同時能抵抗7級地震下產(chǎn)生的水平力。

工程概況

首鋼園區(qū)西十筒倉改造工程北七筒項目,一共有7個直徑22m，高20.45m的鋼筋混凝土筒倉[4]。國內(nèi)目前對圓形鋼筋混凝土筒倉改造主要以辦公為主，比較有代表性的是北京首鋼園區(qū)西十筒倉南六筒，冬奧組委已入駐辦公，六個獨立的直徑22m的圓形鋼筋混凝土料倉每兩個一組分別采用了兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是筒中間設(shè)置四根鋼柱，筒壁增加扶壁混凝土柱，另一種是沿筒壁一圈向內(nèi)收1m增加間距較小的環(huán)形軸網(wǎng)，在筒內(nèi)形成多層辦公空間，均較大的利用了筒內(nèi)的空間。

此次北七筒改造，也是以辦公為主，其中4#筒倉采用懸掛體系，在筒頂設(shè)置鋼梁，從梁上設(shè)置吊桿，然后吊掛兩層平臺。平臺由環(huán)梁和徑向梁組成，徑向梁為主梁，一端固定在混凝土筒壁，另一端固定在吊桿上。兩層平臺間設(shè)置旋轉(zhuǎn)樓梯，該樓梯也是懸掛到吊桿上。

圖1 MIDAS 整體計算模型內(nèi)部

Fig. 1The interior of the Midas overall calculation model

懸吊結(jié)構(gòu)的受力特點

4.1懸吊結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

在工業(yè)遺址改造[5]領(lǐng)域，裝配式懸吊結(jié)構(gòu)體系有很多優(yōu)點。

(1)建筑造型新穎別致，功能布置靈活，采光性能較好。懸吊結(jié)構(gòu)體系中，除了既有結(jié)構(gòu)等落地外，結(jié)構(gòu)中剩余部分均從上方吊掛下來，這樣的特性使懸吊結(jié)構(gòu)及其容易創(chuàng)造出寬大的建筑空間。

(2)鋼材量大幅度減少。吊桿或拉索只承受拉力，能充分發(fā)揮鋼材抗拉性能強的特點，同時因吊桿及拉索只受拉力，因此不需考慮構(gòu)件的受壓穩(wěn)定問題，從而將構(gòu)件截面減至最小。

(3)地基處理難度低。因為懸吊結(jié)構(gòu)的重力集中在承重主構(gòu)件的基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)面積相對集中且比較小。同時大部分桿件采用吊桿或拉索，由基礎(chǔ)不均勻沉降產(chǎn)生的應(yīng)力變化對懸吊部分影響不大，所以懸吊體系的基礎(chǔ)施工難度相對較低。

(4)施工對原地面的擾動低。因建筑本身的自重通過懸吊的方式傳遞給了主承重結(jié)構(gòu)，而主承重結(jié)構(gòu)地面擾動的面積較小，約為建筑樓層平面投影面積的十五分之一左右，未擾動部分地面可進行種植景觀設(shè)計。

(5)就地震烈度較大地區(qū)而言，采用懸吊結(jié)構(gòu)體系，主體結(jié)構(gòu)自振周期大，地震影響系數(shù)小，從而能很大程度上降低水平向地震力，提高結(jié)構(gòu)的抗震承載力。

(6)對既有建筑進行改造或擴建時，懸吊結(jié)構(gòu)施工可以跨道路進行，可以實現(xiàn)最大限度不影響施工區(qū)域內(nèi)的正常經(jīng)營，充分體現(xiàn)出懸吊結(jié)構(gòu)體系便于施工的優(yōu)越性。

4.2懸吊結(jié)構(gòu)的缺點

裝配式懸吊結(jié)構(gòu)體系也有一些需要設(shè)計加強注意的不足之處。

(1)當(dāng)懸吊結(jié)構(gòu)體系采用鋼索來承受和傳遞懸吊樓面的荷載時，如果荷載分布發(fā)生較大變動，由于鋼索的抗彎剛度幾乎為零，荷載變動大概率會造成懸吊部分結(jié)構(gòu)產(chǎn)生整體偏移，因而在設(shè)計、施工過程中應(yīng)充分考慮鋼索懸吊體系的不穩(wěn)定性，從而保證懸吊結(jié)構(gòu)的安全。

(2)高層建筑懸吊結(jié)構(gòu)體系如采用剛性核心簡體結(jié)構(gòu)體系，建筑物自重荷載和水平力均由剛性核心筒來承擔(dān)，此時需充分考慮吊桿或者鋼索與核心筒體之間的相對位移。豎向荷載自下而上傳遞給核心筒，再由核心筒自上而下傳至地面的，力的傳導(dǎo)路線雖然明確但卻相對較遠。此外懸吊體系中，拉桿承受高度集中的內(nèi)力，應(yīng)合理設(shè)置的加強措施在鋼索錨固端上，以此解決吊桿應(yīng)力高度集中的問題。

(3)因為建筑懸吊部分荷載基本上是由吊桿或懸索附屬在承重主結(jié)構(gòu)的桁架或大梁上，所以吊桿或懸索在設(shè)計時顯得很重要，一定要從提高安全性能的角度來設(shè)計和驗算。

(4)工業(yè)筒倉改造項目中，懸吊體系將荷載傳遞到筒頂搭梁上，而梁與筒壁的連接節(jié)點需要進行詳細設(shè)計，確保力的傳遞順暢。

計算分析

本工程采用Midas Gen進行有限元分析。Midas Gen具有人性化的操作界面，并且采用了卓越的計算機顯示技術(shù)，在復(fù)雜幾何模型建模上具備明顯優(yōu)勢。建模過程中，恒荷載、活荷載分別轉(zhuǎn)化成節(jié)點荷載、單元荷載施加到幾何模型中。

圖2 MIDAS 整體計算模型

Fig. 2 The Midas overall calculation model

圖3 受力骨架

Fig. 3 The Force skeleton

設(shè)計過程中，要充分考慮荷載分布變化以及各樓層施工順序?qū)Φ鯒U受力狀態(tài)的影響，經(jīng)與施工方溝通分析，將施工順序定為如下過程：

1.吊掛體系構(gòu)件放入筒倉內(nèi)；

2.筒頂大梁施工；

3.內(nèi)部懸掛平臺梁安裝，安裝時流出筒頂樓板混凝土澆筑時產(chǎn)生的變形量；

4.筒頂樓板混凝土澆筑；

5.筒頂建筑面層做法施工；

6.內(nèi)部懸掛平臺梁緊固；

7.內(nèi)部懸掛平臺澆筑混凝土、建筑面層施工；

8.投入正常運營。

經(jīng)過計算，懸吊體系滿足安全使用要求，同時在荷載作用下，懸吊體系的吊桿，其內(nèi)力為拉力，不存在上部變形大，中間樓層變形小而導(dǎo)致拉桿變壓桿而導(dǎo)致失穩(wěn)的情況。

圖4 受力骨架應(yīng)力分布

Fig. 4 The Stress distribution of force skeleton

圖5 吊桿內(nèi)力分布圖

Fig. 5 Internal force distribution of suspender

懸吊節(jié)點設(shè)計

懸吊體系的冗余度較少，故應(yīng)格外關(guān)注節(jié)點設(shè)計，確保安全。節(jié)點設(shè)計過程中，既要保證吊桿受拉，還要保證吊桿本身無焊接點。本項目中，創(chuàng)造性地提出多種全新的連接節(jié)點，具體做法見下圖。

圖6 懸吊節(jié)點詳圖

Fig. 6 Detail of suspension joint

圖7 節(jié)點剖面圖

Fig. 7 Node section details

圖8 吊桿與梯梁連接節(jié)點詳圖

Fig. 8 Detailed drawing of connecting node of suspender and ladder beam

新增鋼梁與原筒倉連接節(jié)點研究

新增結(jié)構(gòu)與原筒倉的連接節(jié)點，主要分為剛接節(jié)點和鉸接節(jié)點。其中，平臺的徑向主梁與筒倉剛接，筒頂大梁同筒倉鉸接。之所以如此設(shè)計，主要考慮平臺徑向主梁截面較小，上下均有筒壁固定，為了增加安全冗余度，故設(shè)計成剛接；筒頂大梁跨度大，且梁頂沒有筒壁，無法形成真正意義上的剛接，故采用鉸接節(jié)點。節(jié)點做法如下圖所示。這兩種節(jié)點形式在國內(nèi)乃至世界工程史上均屬首創(chuàng)。