专利名称：一种调整悬挑钢结构根部构件内力的方法
技术领域：
本发明涉及土木工程设计及施工领域，特别涉及一种多层悬挑钢结构的设计与施工方法。多层悬挑钢结构指具备两层以上悬挑结构层，并且悬挑结构层具有承载功能的钢结构体系。
背景技术：
目前，城市用地越来越紧张，城市地面空间越来越拥挤。为了满足人们地面活动，提供充足的地面空间，建筑设计越来越注重下部空间开敞，使部分建筑不落地。此时为了保证建筑选型的需求，采用悬挑钢结构体系。多层悬挑结构一般采用悬挑桁架作为上部结构 转换，由于结构自重大且悬挑结构上部托起多层楼面，因此造成结构悬挑桁架根部应力集中，是比较危险的关键部位。在设计过程中，通常采用加大截面的常规设计方法(常规设计方法不考虑结构的施工过程，采用一次性加载的设计方法)，但增大截面致使关键构件刚度增加，分担更多的结构作用，产生更大的应力集中，难以有效的减少关键构件的受力。对具有上述特征的多层悬挑钢结构进行设计，时如何有效的减少多层悬挑根部的构件内力，达到安全、经济、美观、适用的完美统一，同时具有安全可靠的施工安装可行性是问题的关键。
发明内容
本发明针对现有多层悬挑钢结构设计施工过程中的不足，提供了一种有效适用的设计与施工相结合的方法，有效解决了多层悬挑钢结构根部构件的应力集中问题，并在某多层悬挑钢结构工程的设计与施工过程中得到应用与验证。可广泛应用于多层悬挑钢结构设计与施工。为解决上述问题，本发明公开了一种调整悬挑钢结构根部构件内力的方法，该方法包括以下步骤
(I)对工程进行结构设计，提出后装构件。(2)对完成的设计进行施工仿真分析，明确临时支撑卸载量及卸载步骤。(3)比较分析临时支撑卸载时机与后装构件安装的各种可行性方案，得到最优的施工方案，明确杆件后装时机。根据分析结果调整关键构件的截面。(4)施工主体结构，安装临时支撑结构。(5)根据(3)的分析结果实施卸载及后装杆件的安装，同时对结构卸载过程进行监测。本发明主要应用于多层悬挑钢结构，此类结构一般具有多个悬挑桁架，且各个悬挑桁架的跨度和刚度不尽相同，各个悬挑桁架之间具有联系桁架或联系转换桁架。在竖向荷载作用下刚度大的桁架受力大，刚度小的桁架受力小，刚度大的悬挑桁架的弦杆根部受到弯矩和轴力也最大。常规设计方案是加大悬挑桁架弦杆截面，截面增加造成刚度加大，构件所承受的内力更大，难以满足设计要求。本发明对于悬挑钢结构的施工应具有临时支撑，临时支撑是施工过程中为保证结构定位及支撑结构重量所采用的临时结构；同时用来保证构件后装的施工方法的安全性，同时临时支撑分步卸载过程中即是竖向荷载作用在不同刚度悬挑桁架之间的重新分配的过程。本发明为设计与施工相结合的方法，步骤(I)选定应力集中的悬挑桁架根部弦杆作为后装杆件。步骤(2)采用有限元软件对施工过程进行施工阶段的仿真分析，确定临时支撑的卸载量及卸载步骤，临时支撑的卸载可根据实际情况进行等比或等量卸载，等比卸载即时所有临时支撑每步按比例进行卸载，不同刚度桁架对应支撑卸载梁不同。最后临时支撑同时退出工作；等量卸载为不考虑支撑的卸载量的不同，每步卸载一致，临时支撑退出工作有先有后。步骤(3)列出若干可行的临时支撑卸载步与后装杆件安装方案，采用有限元
软件进行对不同方案进行仿真分析，对分析结果从如下几个方面进行对比悬挑端部位移，关键构件内力减少量，非后装杆件内力增加量，综合考虑以上三个方面，在满足安全、经济、满足相应规范及设计要求的前提下确定最优的临时支撑卸载及后装杆件安装时机。根据施工仿真分析的结果对关键构件的构件大小进行设计调整。步骤(4)安装临时支撑，施工主体结构，预留后装杆件或预留后装杆件焊缝间隙。步骤(5)按照步骤(3)的分析结果进行临时支撑的卸载及后装杆件的安装施焊。步骤(6 )对卸载过程中悬挑桁架的主要腹杆、弦杆，柱的应力，悬挑桁架端部的位移进行监测，记录卸载及后装杆件安装过程中的所有阶段的数据。有益效果
首先对常规设计无法满足设计要求的结构通过施工阶段的调整减少关键构件的内力，达到了采用施工方法解决设计问题的一种方法。通过关键构件的后装，使悬挑桁架分担的内力趋于平均，有效的减少了悬挑桁架根部关键构件的内力，在满足安全的前提下可减少关键构件截面，增加结构的安全储备。采用有限元软件对临时支撑卸载与杆件后装时机进行优化，对结构的施工过程进行了全过程施工仿真分析，确定了后装杆件焊缝的预留间隙，保证结构在施工过程中后装杆件的可行性，保证施工完成后装杆件的焊缝质量满足要求。依靠卸载后施焊预留焊缝的方法实现构件的后装，减小关键构件在施工过程中由于结构自重产生的内力，在不增加工程成本和工程进度的前提下，减小了关键构件的内力峰值，具有较好的经济效益。施工过程中对结构变形、构件应力进行了全过程监测，获得了结构实际变形和受力情况。在保证施工安全性的同时，对实测值与仿真分析结果进行了对比，验证了本发明的可行性。
图I是本发明涉及的悬挑钢结构建筑平面图及施工采用的临时支撑的布置示意图。
图2是本发明悬挑桁架A的立面及施工采用临时支撑的示意图，即是图I中的A-A剖面。图3是本发明悬挑桁架B的立面及施工采用临时支撑的示意图，即是图I中的B-B剖面。图4是本发明悬挑桁架A的立面及施工采用临时支撑的示意图，即是图I中的C-C剖面。图5是本发明连接悬挑桁架的联系桁架D的立面示意图，即是图广图4中的D-D。图6是本发明方法的流程图。附图标记
I为悬挑桁架A的临时支撑的卸载装置；
2为悬挑桁架B的临时支撑的卸载装置；
3为悬挑桁架C的临时支撑的卸载装置；
4为上部桁架后装杆件5涉及的焊缝；
5为上部桁架后装杆件； 6为下部桁架后装杆件7涉及的焊缝；
7为下部桁架后装杆件；
8为桁架A根部构件柱；
9为桁架临时支撑；
10为桁架B根部柱；
11为桁架B根部弦杆；
12为桁架C根部柱；
13为桁架C根部弦杆。
具体实施例方式实施方式一
以某中心多层悬挑钢结构为例
(I)本发明所涉及的工程实例共有3种类型的悬挑桁架共20榀，其中桁架A共8榀，桁架B共8榀，桁架C共4榀，各桁架悬挑长度不同，竖向承载刚度不同，桁架A的刚度最大，分担的内力也最，仅靠增加截面的常规方法其悬挑桁架下弦根部的应力无法满足设计要求。选取桁架A中的杆件5和杆件7作为本发明的后装杆件。(2)对工程实例进行施工仿真分析，临时支撑卸载装置1、2、3进行同比卸载，卸载分4步进行。(3)桁架A中构件5和7的安装时机与临时支撑卸的可行性方案进行多次仿真分析，并对分析结果进行对比，最终得出5号杆件在临时支撑卸载I步后安装，7号杆件在临时支撑卸载3步后安装。(4)主体结构施工时，桁架A安装过程中预留焊缝4和焊缝6不施焊；操作1、2、3临时支撑卸载装置进行等比卸载，同时卸载I步后施焊焊缝4，同时卸载3步后施焊焊缝6，全部完成后，卸载第4步。
( 5 )对整个卸载过程对关键构件应力、结构位移进行全过程监测。(6)拆除临时支撑，完成内外装修。施方式二
以某中心多层悬挑钢结构为例
(I)本发明所涉及的工程实例共有3种类型的悬挑桁架共20榀，其中桁架A共8榀，桁架B共8榀，桁架C共4榀。各桁架悬挑长度不同，其中桁架A悬挑长度15. 8m,桁架B悬挑长度23. 6m，桁架C悬挑长度43. 2m，桁架A、B、C的悬挑根部高度均为6. 5m。桁架的竖向承载刚度不同，桁架A的刚度最大，分担的内力也最大，桁架B和C的刚度相对较小，分担的内力也较小，三类桁架之间通过桁架D联系协调，共同受力。若按常规设计方法，则靠增大构件截面来降低其应力，则桁架A的杆件截面大小已远超设计所能接受的范围，而桁架B和的 杆件截面均非常小。实际设计过程中要求桁架B、桁架C的杆截面与桁架A的外观尺寸基本一致。按一次加载发计算，桁架A的杆件5、8、7应力均较大，应力无法满足设计要求，而桁架B的10、11和桁架C的12、13的应力具有较大富余。采用本发明的方法对构件内力进行调整。选取桁架A中的杆件5和杆件7作为本发明的后装杆件。(2)对工程实例进行施工仿真分析，三类不同的临时支撑卸载装置1、2、3进行同比卸载，卸载分4步进行。卸载装置I、卸载装置2、卸载装置3 (包括与其对称的部位)每步的卸载量分别为6. 5mm>8mm和12mm。(3)桁架A中构件5和7的安装时机与临时支撑卸的可行性方案进行仿真分析。对构件5和构件7的安装时机与临时支撑的卸载步进行排列组合，共有16种组合。分析结果如下
杆件的后装对祐1架C端部位移的影响不大,随着后装杆件安装时机的推迟，祐1架C端部位移略有增加。卸载三部后安装构件5和构件7比卸载前安装位移增大5%。杆件的后装对7、8和5号构件内力影响对打，对其它构件影响较小。随着构件安装时机的推迟，10、11、12、13号杆件的内力最大增加量约3%。7、8号杆件的内力减少量最大可达22. 1%。最终得出5号杆件在临时支撑卸载一步后安装，7号杆件在临时支撑卸载三步后安装。与卸载前安装构件相比所采取的方案可有效减少构件内力，5号构件内力减少4. 5%。7、8号内力减少15. 3%。安装前焊缝4处的结构水平位移为5mm，竖向位移为2mm，6号焊缝处的结构水平位移为IOmm,竖向位移为4. 5mm,在构件加工过程中对构件和焊缝进行调整，增大焊缝间隙分别为5和10mm。(4)桁架A安装过程中预留焊缝4和焊缝6不施焊；操作1、2、3临时支撑卸载装置进行等比卸载，同时卸载I步后施焊焊缝4，同时卸载3步后施焊缝6，全部完成后，卸载第4步。( 5 )对整个卸载过程对关键构件应力、结构位移进行全过程监测。结构实际内力及变形与仿真分析吻合较好，证明对于多层大悬挑钢结构本方法的可行性。(6)拆除临时支撑，完成内外装修。
权利要求
1.一种调整悬挑钢结构根部构件内力的方法，其中包括以下步骤 步骤(I)对所述悬挑钢结构进行结构设计，选定应力集中的构件作为后装构件； 步骤(2)采用有限元软件对完成的结构设计进行施工阶段仿真分析，确定临时支撑的卸载量及卸载步骤； 步骤(3)比较分析临时支撑卸载时机与后装构件安装的各种可行性方案，确定最优的施工方案，明确后装构件的后装时机，并根据分析结果调整关键构件的截面； 步骤(4)主体结构施工，安装临时支撑结构； 步骤(5)根据步骤(3)的分析结果，实施卸载及后装构件的安装，同时对结构卸载过程进行监测。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于 所述步骤(2 )中临时支撑卸载为等比卸载或等量卸载。
3.根据权利要求I或权利要求2所述的方法，其特征在于 所述步骤(3)中确定最优施工方案时以悬挑端部位移、关键构件内力减少量及非后装构件内力增加量三方面衡量。
4.根据权利要求I至权利要求3中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述步骤(4)中，预留后装构件后装或预留后装构件涉及的焊缝间隙。
5.根据权利要求I至权利要求4中任一权利要求所述的方法，其特征在于 所述步骤(6)中，对结构关键构件的应力、结构位移进行全程监测。
全文摘要
本发明涉及一种减小悬挑钢结构根部构件内力的方法，属于结构工程领域。该方法是对悬挑钢结构根部构件在临时支撑部分或全部卸载后安装，使结构在卸载过程中内力重新分配，关键构件内力得到优化，有效解决悬挑钢结构根部构件的应力集中问题。本发明提出的设计施工方法可在多层悬挑钢结构的设计与施工，能取得很好的效果。
文档编号E04B1/34GK102704568SQ20121009574
公开日2012年10月3日 申请日期2012年4月4日 优先权日2012年4月4日
发明者张国军, 王明珠, 王树, 葛家琪, 黄季阳 申请人:中国航空规划建设发展有限公司