华中科技大学硕士学位论文大跨钢管拱桁架结构施工期变形监测及分析姓名：汪志香申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：李惠强20051102I摘 要 钢管拱桁架结构是目前大跨度结构中较流行的结构体系之一它具有受力明确计算模型简单施工方便用钢量省等优点近些年来它以简洁流畅美观的视觉效果出现在门厅飞机场体育馆会展中心等场所但由钢管直接焊接而成的节点的工作机理还处在探索性阶段尤其是当钢管构件本身弯曲后性能变化的研究更是相当缺乏在施工过程中荷载的不断变化及外力的影响会使建筑物产生变形沉降及裂缝因此对结构在施工阶段和竣工后服役阶段的受力及变形分析显得很重要本文结合某大学体育馆大跨钢管拱桁架结构施工对其变形进行了监测及系统分析 本文首先简要地介绍了大跨度结构的应用及发展定义与分类并介绍了钢管桁架的结构特点及分类然后归纳整理了设计钢管桁架结构节点所要掌握的基本内容包括管节点的连接分类与破坏模式构造要求及节点强度计算公式 其次阐述了钢管桁架的结构形式受力特点及分析模型并结合实际工程采用不同的计算模型进行计算分析其结果对工程设计有着重要意义 最后本文阐述了建筑物产生变形的原因和类型对体育馆大跨度钢管拱桁架结构施工过程中变形监测方法变形结果进行分析对大跨度钢管桁架结构施工过程中的受力及变形进行有限元计算分析以确定体育馆产生变形的主要影响因素从而保证工程的顺利施工 关键词钢管拱桁架 大跨度结构 变形监测 变形分析 有限元 IIAbstract Steel tube arch truss, which has merits of definite load condition, concise calculation model, convinient construction, economical use of steel, etc, is a popular structural form in large-span structure system at present. In recent years, this modern structure presents in hallways, airports, gymnasiums, meeting exhibition centers and other designs with its concision, fluency, and handsome visual effect. However, the working mechanism of joints which are welded directly by the steel tube is still at exploratory stage, especially the research on the changes of performance is quite scarce after the bending of steel tube. In the process of construction, the building deformation, subside, and crack due to constant change of loads and influence of the external force. Therefore, strength and deformation analysis seem very important during construction and after completion stage. Combining with the university gymnasium, the deformation of large-span steel tube arch truss during construction is monitored and systematically analysed in this paper. Firstly, the application, development, definition and classification of the large-span structure are briefly introduced in this paper, and the structural feature and sort of the steel tube truss are presented; hence, design criterion, including connecting, sort, failure mode, configuration and calculating formula of intensity of tubular joints are settled. Secondly, the structural form, strength characteristic and analytical model of steel tube truss are explained. Combining with the actual project, different calculation models are adopted to calculate and analyze, the result is very significant for engineering design. Finally, the reason and type of deformation in building are explained; and the monitoring method, deformation results of large-span steel tube arch truss during construction are analyzed. Then the strength and deformation of the structure during construction are analyzed by the finite element method, in order to confirm the main influence factor of deformation in gymnasium, as well as guarantee the construction go on wheels. Key words: Steel tube arch truss Large-span structure Deformation monitoring Deformation analysis Finite element analysis 11 绪 论 近十几年来随着国家经济实力的增强和社会发展的需要我国大跨度结构取得了迅猛发展以体育馆航站楼机库和展览馆为代表的一系列大跨空间结构的成功建造作为我国建筑科技进步的象征之一在国内外得到了一定好评 1.1 大跨度结构的应用及发展状况 大跨度空间结构的发展是和人类生活生产的需要科学技术水平以及物质条件的发展紧密相连的大跨度结构不但是各个时期建筑师建筑技艺的杰作更是人类智慧文明不断进步的体现从今天看大跨度和超大跨度建筑物及作为其核心的空间结构技术的发展已成为代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一13 人类很早以前就认识到穹隆具有最小的表面封闭最大的空间的优点仿效洞穴穹顶人们建造了许多砖石穹顶如我国东汉时期河南洛阳的地下砖砌墓穴公元前1185年古希腊迈西尼Mycenae国王墓14.78m直径砖砌穹隆等公元120-124年古罗马最著名的穹顶是万神殿Pantheon其跨度达43.5m是建筑史上最早最大跨度的拱结构其跨度直到19世纪才被突破公元1612年建造的罗马圣彼得教堂Sant Peter是砖石建筑中央大厅之上覆盖着直径41.91m的大穹顶经当时科学家认真调研和计算分析后指出该结构已经成为壳不能简单看成是拱从此人类对大跨度结构的认识开始从平面拱结构向空间壳结构跨越19世纪中叶钢材用在建筑上引起革命性变化在多层建筑结构中摒弃承重墙结构而转向铸铁或熟铁的梁柱骨架结构1851年在伦敦海德公园举行首届国际博览会的展览馆水晶宫只用钢材与玻璃两种材料建房建筑形象轻巧透明备受社会高度赞赏1889年巴黎国际博览会机械馆是座前所未有的114.91m大跨度结构刷新了世界记录位居19世纪三大建筑 水晶宫机械馆埃菲尔铁塔之首45它第一次在建筑中采用三铰刚架展示出一项新的结构理论 三铰原理同时取得了极其宽大的通明轻盈具有悬浮感的展厅其后随着钢筋混凝土钢材复合材料的应用建筑结构出现了革命性的变化各种类型的大跨度结构在美日欧等发达国家发展很快建筑物的跨度和规模越来越大2跨度超过150m以上的超大规模建筑已非个别 结构形式丰富多彩 采用了许多新材料和新技术 发达国家对跨度为300m以上的超大跨度结构有了较深认识 如1999年建成的英国伦敦千喜穹顶张拉结构跨度达320m6在我国延续数千年的古代建筑采用木柱梁和砖石拱券跨度限制在10m以内20世纪初钢木屋架钢筋混凝土半圆拱和钢屋架的出现将建筑跨度扩大到20m左右50年代以来中国在大跨度结构领域取得了长足进步工程应用理论研究均有所建树网架结构的应用范围与面积居世界首位被誉为“网架王国”近年来网壳结构逐渐兴起在体育馆建筑中颇有取代网架之势中国悬索结构早在60年代即已起步其后在安徽体育馆等工程中采用的横向加劲悬索体系以及在吉林滑冰馆采用的双层悬索都体现了中国在这方面的创新值得提出的是中国在制定空间结构技术规范的工作在世界上独树一帜有关薄壳网架网壳悬索的规程与标准或已颁布或正在编制同时中国工程技术人员提出了许多新的空间结构体系如拱支网壳结构板锥网壳结构伞状折网架弦中幅结构以及张弦梁结构但与国际先进水平相比我国大跨度空间结构的发展仍存在一定的差距主要体现在结构形式较拘谨结构跨度相对较小结构类型相对集中在网架和网壳结构弦索结构用的较少而一些有巨大前景的新颖结构形式如膜结构整体张拉结构可开合结构折叠结构以及玻璃结构等在我国还处于空白和初步阶段711 1.2 大跨度结构的定义与分类 大跨度结构或大跨度建筑 涵盖范围广 包括内容多 较难用明确的定义来说明划分普通结构和大跨度结构的具体跨度数值也必定随着建筑技术的不断进步而变动 结合我国当前的实际情况 有学者提出可以定义结构跨度超过30m为中跨度结构跨度超过60m为大跨度结构 但由于结构形式的不同(如多跨 连续跨)受力特征不同(如壳体悬索)大跨度结构的范围大大扩展了 大跨度结构实际包含平面结构和空间结构两个范畴平面结构由于其受力特征在大跨度结构中只局限于相对较小的使用范围如一般工业厂房屋盖空间结构应该包括屋盖结构和墙体柱等支撑系统即空间结构不仅作为屋盖和楼盖结构而且还3可以将屋盖及其支撑系统合为一体 大跨度结构按其承力传力特征可划分为图1-1所示的体系12 13 平面结构梁式结构框架结构拱式结构空间结构刚性空间结构柔性空间结构组合空间结构空间网络结构薄壳结构折板结构空间拱结构表皮应力结构平板型网架曲面型网壳网格梁悬索结构薄膜结构全拉紧结构组合网架结构张拉网架结构张拉网壳结构悬挂薄壳结构悬挂折板结构悬挂板结构柔性索结构半刚性杆件结构充气结构张拉薄膜结构帐篷结构图1-1 大跨结构型式 1.3 大跨度钢管桁架结构的特点及应用 轻型钢管桁架结构是我国近期重点推荐的一种结构形式它具有重量轻造型轻巧美观施工速度快经济性好等特点1415目前主要应用在单层及二到三层的房屋结构轻型屋盖结构和一些大中小型公共建筑结构中应用范围从几米到几十米的中小跨度以及上百米的大跨度结构中管桁结构的结构体系为平面或空间桁架4与一般桁架的区别在于连接节点的方式不同网架结构采用螺栓球或空心球