大跨度平行四边形底双曲混凝土组合扭壳屋盖结构分析与施工控制研究

论文摘要

双曲混凝土扭壳是薄壳混凝土结构中比较简单同时也是比较优秀的结构型式,它具有优美的曲面外型、施工支模容易、造价经济、结构工作效率高等优点。而双曲混凝土组合扭壳不仅能够提供更大的跨度和建筑空间,而且能产生更为丰富的建筑艺术造型,因而当建筑美学的需要超过经济要求时,选用双曲混凝土组合扭壳结构较为合适。本文通过对大跨度双曲混凝土扭壳屋盖结构的结构设计与优化分析、双曲混凝土组合扭壳屋盖结构施工以及工程实例应用,掌握了双曲混凝土组合扭壳屋盖结构的基本结构性能、结构设计与施工方法,为将来大跨度双曲混凝土组合扭壳屋盖结构的应用提供了较好的参照。在大跨度双曲混凝土扭壳屋盖结构的结构设计与优化分析中,详细阐述大跨度双曲混凝土组合扭壳屋盖结构设计和优化分析方法,当采用有限元和数值模拟分析时应该合理的采用有限单元和合适的求解方法,并指出结构设计方法要点,这对于同类结构的设计具有较好的指导作用。利用数值模拟技术,对大跨度双曲混凝土组合扭壳屋盖结构从尺寸角度进行了优化设计分析,包括重量优化和矢跨比优化分析,得到最优矢跨比的分布范围及相应的平缓度。通过矢跨比对结构最大位移、滑动支座位移、屋盖水平推力、应力分布等方面的影响分析,得到矢跨比和混凝土组合扭壳平缓度的合理取值范围取值,分析表明:通过重量优化,可以使屋盖重量减少19.8%。通过矢跨比对结构最大位移、滑动支座位移、屋盖水平推力、应力分布等方面的影响分析,得到当矢跨比取值在0.15~0.2时,其对应的扁平度取值在0.74~1.31时,壳体内力分布较为合理,且能够很好的发挥其索拱机制。优化分析结论能够为类似的双曲混凝土组合扭壳屋盖结构设计提供较好的参考,这是论文的第一个创新点(论文第3.6节)。考虑到大跨度双曲混凝土组合扭壳结构的空间曲面复杂性,采用常规传统的测量方法不能快捷、准确地完成空间测量定位。本文采用简化的方法,对华南理工大学体育馆双曲混凝土组合扭壳屋盖进行了空间精确测量定位,即利用扭壳直纹特点,先进行二维平面的定位测量,将组合扭壳由三维空间投影至水平面,转化为二维平面,在此基础上在水平面内找寻第三维的变化规律,进行高程放样实现空间坐标精确定位,并通过利用壳面角点的关键控制点,确定控制坐标。并且运用高精度测量准确地完成了空间定位和消除了系统误差。这种方法快速、准确解决了双曲混凝土组合扭壳结构的空间精确定位问题,为模板支撑以及后续的施工奠定了良好的基础,同时也为空间曲面的平滑度提供了必要的保证,这是论文的第二个创新点(论文第4章)。大跨度双曲混凝土组合扭壳外形生动、美观,壳体由两个方向的直纹组成,支模、扎筋和预应力筋铺设等都很方便,与斜柱人字架组合后采用现代预应力技术,跨度达到100m,而且壳体的厚度达到130mm,无论是跨度还是厚度都较以往有所突破,这是论文的第三个创新点(论文第6章)。大跨度双曲混凝土组合扭壳屋盖混凝土结构施工完毕后,模板拆除顺序的不同,对强度还未达到最大的扭壳结构影响很大,本文采用有限元方法,对其施工拆模进行了考虑多种拆模方式的优化分析,通过优化拆模方式和拆模顺序,分析了不同拆模顺序的内力分布,并通过对比分析,得到其最优拆模方式和拆模顺序。在双曲混凝土组合扭壳屋盖结构施工部分中,以华工扭壳为基本算例,重点讨论双曲混凝土组合扭壳屋盖结构临时支撑体系拆模顺序的优化,对双曲混凝土组合扭壳屋盖结构满堂脚手架施工拆模顺序进行了全面的优化分析,将混凝土组合扭壳的主拉应力控制作为其不利受力状态的标准,并以此来确定合理的临时支撑体系拆模顺序。分析之前,考虑了多种拆除方式,并通过对比分析得出当立杆间距为1.2m时,按照2.5m2/单元左右进行拆除时,屋盖结构受力较为合理,即按照环状分割的拆除方式,每次拆两排立杆支撑较为合理。通过实际施工拆模顺序的计算和实测分析,得出壳体最大拉应力和各方向最大位移的变化情况,进一步掌握大跨度混凝土组合扭壳屋盖结构的受力变化和安全储备,为施工拆模期间的安全提供了理论上的保障,分析结论为今后类似的工程施工提供了理论基础,这是论文的第四个创新点(第7章)。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的来源及问题的提出
• 1.1.1 课题的来源
• 1.1.2 问题的提出
• 1.1.3 问题的研究意义
• 1.2 双曲混凝土组合扭壳结构研究的回顾与应用现状
• 1.2.1 双曲混凝土组合扭壳理论研究回顾
• 1.2.2 双曲混凝土组合扭壳工程设计回顾及其应用现状
• 1.2.3 双曲混凝土组合型扭壳施工技术研究的回顾及其应用现状
• 1.3 本文的研究目的及研究内容
• 1.3.1 本文的研究目的
• 1.3.2 本文的研究内容
• 2 平行四边形底双曲混凝土组合扭壳基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 双曲混凝土扭壳的无矩理论
• 2.2.1 基本假设
• 2.2.2 双曲混凝土扭壳的无矩理论
• 2.3 双曲混凝土扭壳的有矩理论
• 2.3.1 扁壳理论
• 2.3.2 双曲混凝土扭壳的有矩理论
• 2.3.3 矩形底面双曲混凝土组合扭壳内力分析方法
• 2.4 平行四边形底双曲混凝土组合扭壳的曲面方程
• 2.5 有限单元法与数值模拟
• 2.5.1 概述
• 2.5.2 有限单元法与ANSYS 程序简介
• 2.5.3 钢筋混凝土的材料模型与有限元描述
• 2.6 本章小结
• 3 双曲混凝土组合扭壳屋盖结构分析
• 3.1 屋盖表面风压测试分析
• 3.1.1 试验概述
• 3.1.2 试验方法及数据处理
• 3.1.3 试验数据结果及分析
• 3.1.4 主要试验结论
• 3.2 双曲混凝土组合扭壳屋盖结构分析
• 3.2.1 屋盖结构分析概述
• 3.2.2 结构分析模型与设计要点
• 3.2.3 屋盖抗震设计及结构整体稳定性分析
• 3.2.4 屋盖的应力控制措施
• 3.3 计算结果分析
• 3.4 结构设计对施工的要求
• 3.5 结构施工图设计
• 3.6 双曲混凝土组合扭壳优化设计分析
• 3.6.1 优化设计概述
• 3.6.2 矢跨比的选取原则
• 3.6.3 双曲混凝土组合扭壳屋盖重量优化
• 3.6.4 双曲混凝土组合扭壳矢跨比优化分析
• 3.7 本章小结
• 4 双曲混凝土组合扭壳屋盖空间坐标精确测量定位
• 4.1 空间坐标精确测量定位基本原理
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 基本原理
• 4.1.3 空间坐标精确定位技术的精度估算
• 4.2 华工扭壳空间坐标精确测量定位
• 4.2.1 空间坐标精确测量定位方法
• 4.2.2 测量仪器的选择及施工要求
• 4.2.3 施工控制网桩点的测量
• 4.2.4 双曲混凝土组合扭壳屋盖定位放线测量
• 4.3 本章小结
• 5 双曲混凝土组合扭壳屋盖高支模体系施工
• 5.1 屋盖高支模施工概况
• 5.2 屋盖高支模体系设计
• 5.2.1 设计思路
• 5.2.2 方案选型
• 5.2.3 模型验证
• 5.2.4 定型方案的设计
• 5.3 屋盖高支模体系的搭设
• 5.4 实施效果和结语
• 6 双曲混凝土组合扭壳屋盖预应力钢筋混凝土施工
• 6.1 概述
• 6.2 钢筋的定位与铺设
• 6.2.1 钢筋的定位
• 6.2.2 钢筋网间距的控制
• 6.2.3 壳体厚度的控制
• 6.2.4 保护层的控制
• 6.2.5 抗滑移措施
• 6.2.6 钢筋的保护
• 6.2.7 钢筋铺设顺序
• 6.3 双曲混凝土组合扭壳的预应力施工
• 6.3.1 屋面无粘结预应力施工
• 6.3.2 超长地下拉杆有粘结预应力施工
• 6.4 双曲混凝土组合扭壳混凝土浇筑施工
• 6.4.1 壳体施工段划分
• 6.4.2 混凝土配合比控制
• 6.4.3 混凝土的输送
• 6.4.4 钢筋的保护
• 6.4.5 混凝土的浇筑
• 6.4.6 混凝土的养护
• 6.5 实施效果和结语
• 7 双曲混凝土组合扭壳屋盖施工拆模及其优化分析
• 7.1 混凝土壳体施工方法
• 7.2 临时支撑体系拆除的基本假定
• 7.3 拆模状态的结构离散化方程
• 7.4 双曲混凝土组合扭壳屋盖施工拆模优化分析
• 7.4.1 屋盖结构不利受力状态的确定
• 7.4.2 影响临时支撑体系拆模顺序的因素
• 7.4.3 华工扭壳临时支撑体系拆模顺序分析
• 7.5 双曲混凝土组合扭壳内架支撑的拆除及变形监测
• 7.5.1 双曲混凝土组合扭壳屋盖内架支撑的拆除
• 7.5.2 双曲混凝土组合扭壳屋盖施工监测
• 7.6 本章小结
• 8 结论及展望
• 8.1 主要结论及创新点总结
• 8.1.1 主要结论
• 8.1.2 创新点总结
• 8.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录