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大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工臨時(shí)支撐體系及結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換技術(shù)研究

作者:建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間:2013-03-29 13:13:52 [收藏]
大跨度空間結(jié)構(gòu)施工中,應(yīng)用最廣泛的施工方法是高空分段或分塊吊裝法,這類施工方法最主要的一個(gè)技術(shù)措施就是臨時(shí)支撐體系的合理設(shè)置。臨時(shí)支撐體系保證施工過程順利進(jìn)
    關(guān)鍵詞:大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工

    1  概述
          大跨度空間結(jié)構(gòu)施工中,應(yīng)用最廣泛的施工方法是高空分段或分塊吊裝法,這類施工方法最主要的一個(gè)技術(shù)措施就是臨時(shí)支撐體系的合理設(shè)置。臨時(shí)支撐體系保證施工過程順利進(jìn)行和施工過程的安全性,臨時(shí)支撐體系提供永久結(jié)構(gòu)在未成形前的支撐依靠,使得永久結(jié)構(gòu)與臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)組成一個(gè)共同作用的混合結(jié)構(gòu)體系,臨時(shí)支撐體系已成為結(jié)構(gòu)施工系統(tǒng)的一部分并直接起著傳遞荷載的作用。
          1.1臨時(shí)支撐體系分類
          大跨度空間結(jié)構(gòu)安裝,應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)體系、吊裝單元分割、下部結(jié)構(gòu)情況以及施工現(xiàn)場(chǎng)的條件不同,合理地選擇和設(shè)計(jì)臨時(shí)支撐體系,確??刹僮?、安全、便利和經(jīng)濟(jì)可行。
    臨時(shí)支撐體系可按如下分類。
          按支撐結(jié)構(gòu)形式可分為:實(shí)腹式、格構(gòu)式、組合式支撐等。
          按支撐材料可分為:型鋼支撐、鋼管腳手架、貝雷架支撐、網(wǎng)架支撐等。
          按支撐的作用方向可分為:豎向支撐、水平支撐、斜撐等。
          1.2臨時(shí)支撐體系的選形和支撐點(diǎn)布置
          臨時(shí)支撐體系由基礎(chǔ)連接、主體結(jié)構(gòu)和支撐構(gòu)造三部分構(gòu)成。臨時(shí)支撐體系的選形和布置需要綜合考慮安裝方案、需支撐的結(jié)構(gòu)形式、下部結(jié)構(gòu)、施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等技術(shù)條件,分析以下方面:臨時(shí)支撐自身的強(qiáng)度、變形及穩(wěn)定性;下部混凝土結(jié)構(gòu)的承載安全;臨時(shí)支撐裝拆的方便性;臨時(shí)支撐的經(jīng)濟(jì)性。
          1.3臨時(shí)支撐系統(tǒng)卸載及結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換
          臨時(shí)支撐體系的卸載過程,實(shí)質(zhì)上是將施工用混合結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換為理論設(shè)計(jì)的永久結(jié)構(gòu)體系的過程,所以也稱為結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過程,是永久結(jié)構(gòu)在臨時(shí)支撐點(diǎn)處支座約束的動(dòng)態(tài)減弱直至消除的變化過程。結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過程的計(jì)算,就是尋求安全合理的循環(huán)卸載過程,以保證卸載過程中永久結(jié)構(gòu)和卸載過程的安全。
          2 工程概況與安裝方案
          2.1 工程及結(jié)構(gòu)概況
          鄂爾多斯機(jī)場(chǎng)新建航站樓整體建筑造型酷似一只展翅的雄鷹,總建筑面積約為10萬?。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用空間大跨度立體桁架和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。出港、到港大廳(A區(qū)),為直徑108m的大型穹頂,由中心球殼、內(nèi)環(huán)桁架、24榀主桁架及其間扇形區(qū)域網(wǎng)殼、外環(huán)桁架組成,穹頂結(jié)構(gòu)通過Y型鋼柱與混凝土柱相連接。登機(jī)長廊兩翼翼展為490m,螺栓球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。
          2.2 施工安裝方案
          在此僅介紹A區(qū)穹頂安裝方案,登機(jī)指廊螺栓球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用搭設(shè)滿堂腳手架高空散裝的施工方案,不再敘述。
          A區(qū)穹頂采用對(duì)稱旋轉(zhuǎn)累積滑移的施工方案。徑向主桁架采用地面拼裝,分兩段高空組裝,主桁架間單層網(wǎng)殼、內(nèi)環(huán)和外環(huán)桁架采用高空散裝。在結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)分別搭設(shè)兩跨拼裝平臺(tái),內(nèi)環(huán)先完成拼裝,左右結(jié)構(gòu)再同時(shí)拼裝,對(duì)稱旋轉(zhuǎn)累積滑移。拼裝平臺(tái)與滑移軌道布置(圖1)。

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    圖1  拼裝平臺(tái)與滑移軌道示意圖

    結(jié)構(gòu)布置內(nèi)、中、外三環(huán)滑移軌道,內(nèi)環(huán)布置在內(nèi)環(huán)桁架下方,中環(huán)布置在半徑24.479m上,外環(huán)布置在混凝土結(jié)構(gòu)柱上(半徑54m),三環(huán)滑移軌道不等標(biāo)高。外環(huán)和中環(huán)布置動(dòng)力裝置,沿逆時(shí)針方向頂推滑移,內(nèi)環(huán)安裝滾輪作為從動(dòng)軌道。第一次滑移同時(shí)拼裝兩個(gè)區(qū)間(30度)進(jìn)行滑移,以后每次左右同時(shí)累積結(jié)構(gòu)的1/24區(qū)間,共累計(jì)滑移10次。
          結(jié)構(gòu)卸載采取先固定穹頂結(jié)構(gòu)鋼柱支座,連接安裝雨棚和穹頂結(jié)構(gòu)連接桿件后,卸載穹頂中環(huán)軌道,再卸載內(nèi)環(huán)軌道,最后拆除卸載雨棚支撐架。
          3 臨時(shí)支撐體系布置與選型
          3.1臨時(shí)支撐體系布置及技術(shù)要求
          在該大直徑球形穹項(xiàng)的安裝過程中,為滿足鋼構(gòu)件支撐和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的需要,需搭設(shè)臨時(shí)支撐體系,支撐體系要滿足以下的技術(shù)要求:?jiǎn)吸c(diǎn)支撐力大,支撐高度高;支撐點(diǎn)多,分布面廣;支撐落點(diǎn)均分布在下部混凝土結(jié)構(gòu)的頂板上,支撐體系應(yīng)確保下部混凝土結(jié)構(gòu)的安全。
          在結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)搭設(shè)兩跨拼裝平臺(tái),在內(nèi)環(huán)桁架和中心球殼單元下搭設(shè)滿堂腳手架支撐。外環(huán)滑移軌道采用鋼梁布置在砼結(jié)構(gòu)柱上,中環(huán)滑軌下布置十二個(gè)支撐架,內(nèi)環(huán)滑軌下布置八個(gè)支撐架,另有左右各兩個(gè)支撐架用于主桁架高空對(duì)接,共布置二十四個(gè)支撐架(圖2)。
     

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    圖2    結(jié)構(gòu)支撐架布置圖


          3.2支撐架結(jié)構(gòu)選型
          支撐架的柱身選用3m×3m格構(gòu)柱,為提高支撐架的整體剛度和穩(wěn)定性,設(shè)置格構(gòu)式桁架結(jié)構(gòu)水平支撐(圖3)。支撐塔架的柱腳與基礎(chǔ)剛接。根據(jù)主結(jié)構(gòu)的安裝方案,將內(nèi)環(huán)支撐架、主桁架高空拼裝支撐架與滿堂腳手架連成整體(圖4)。
     

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    圖3   支撐體系三維圖 
     
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    圖4   支撐架及桁架拼裝剖面圖

    3.3抗側(cè)力體系的形成
          支撐架主要考慮的水平側(cè)力為風(fēng)荷載。除支撐架自身需抵抗風(fēng)荷載外,主要考慮支撐于塔架塔身上的主桁架受風(fēng)作用。為增強(qiáng)各支撐塔架整體協(xié)同抗風(fēng)的能力,在各支撐架頂部設(shè)置格構(gòu)式柱頂系桿作為水平支撐體系。另外,為提高整結(jié)構(gòu)柱頂平面支撐系統(tǒng)的抗扭剛度,在角部區(qū)域設(shè)置隅撐。
          根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件,施工時(shí)可在內(nèi)環(huán)和中環(huán)的支撐架頂部設(shè)置雙向纜風(fēng)用以傳遞屋蓋主桁架所受風(fēng)載,內(nèi)環(huán)支撐架所受屋蓋主桁架的風(fēng)載由整體結(jié)構(gòu)傳遞。
          4 臨時(shí)支撐體系設(shè)計(jì)計(jì)算
          臨時(shí)支撐體系考慮支撐的重復(fù)使用按永久結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。荷載考慮靜荷載和動(dòng)荷載,靜荷載:結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重荷載+施工荷載;動(dòng)荷載:風(fēng)荷載。支撐體系計(jì)算內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)靜力分析計(jì)算、結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析、結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析、結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度分析和結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析。
          4.1荷載工況
          4.1.1靜荷載
          荷載計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)屋蓋自重荷載和鋼結(jié)構(gòu)施工均布荷載。作用于支撐架柱頂?shù)淖畲筘Q向荷載設(shè)計(jì)值取安裝過程和卸載階段各步驟中的最大值。
          4.1.2溫度荷載
          由于支撐塔架體系不是溫度敏感結(jié)構(gòu),塔架設(shè)計(jì)不考慮溫度效應(yīng)。
          4.1.3地震作用
          由于施工過程持續(xù)的時(shí)間短暫,故支撐塔架設(shè)計(jì)不考慮地震作用。
          4.1.4風(fēng)荷載
          基本風(fēng)壓:0.5KN/?。風(fēng)荷載計(jì)算:格構(gòu)式柱身所承受的風(fēng)荷載、水平支撐所受的風(fēng)荷載以及屋蓋桁架的風(fēng)荷載。
          4.2滑移支撐架、軌道梁設(shè)計(jì)驗(yàn)算
          4.2.1外環(huán)滑移軌道梁設(shè)計(jì)及驗(yàn)算
          (1)計(jì)算模型
          外環(huán)滑移軌道頂面標(biāo)高與混凝土柱頂標(biāo)高(支座底部標(biāo)高)相同,混凝土柱頂架設(shè)滑移軌道梁,跨度為14m,滑移梁箱型構(gòu)件截面H700×400×14×25,下部設(shè)置鋼管斜撐P219×10,斜撐支承于軌道梁的1/3處。
    鋼屋蓋在三條軌道上旋轉(zhuǎn)滑移時(shí),滑移梁承受上部傳遞的豎向荷載及徑向水平荷載?;屏荷献饔玫呢Q向荷載為F=507KN,水平力Fh=137KN。水平力作用于滑移軌道頂面,根據(jù)滑移過程中滑靴位置按以下四種狀態(tài)建模分析(圖5)。
     

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    圖5   外環(huán)滑移軌道梁計(jì)算模型

    (2)變形分析
          外環(huán)軌道梁在上述荷載作用下的豎向變形△max=8.16mm,約為跨度的1/1700,軌道梁變形較小能滿足拼裝及滑移精度要求。
          (3)桿件驗(yàn)算
          從計(jì)算結(jié)果可知,滑移軌道梁最大應(yīng)力比值為0.737,支撐桿件最大應(yīng)力比為0.668,軌道梁和支撐桿件強(qiáng)度和穩(wěn)定性滿足滑移施工要求。
          4.2.2 中環(huán)滑移軌道梁設(shè)計(jì)及驗(yàn)算
          (1)計(jì)算模型
          中環(huán)滑移軌道設(shè)置于徑向主桁架下弦處半徑為24.479m的圓周上,中環(huán)滑移軌道支撐架承受上部鋼構(gòu)件傳遞的豎向力和水平力,滑移梁上作用的豎向荷載為F=241KN,水平力Fh =92KN??紤]滑移過程中各種不利狀態(tài)按兩種模型(圖6)進(jìn)行分析。
     

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    圖6-1    支撐架計(jì)算模型一
     
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    圖6-2   支撐架計(jì)算模型二

     
          (2)變形分析
          外環(huán)滑移軌道支撐架系統(tǒng)變形如圖7所示。
     

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    圖7   外環(huán)滑移軌道支撐架變形圖

    由以上變形圖可知,外軌道梁的豎向變形△max=-7.75mm,約為跨度的1/1600,中環(huán)滑移軌道支撐系統(tǒng)變形較小,能滿足滑移及拼裝過程中精度要求。
          (3)桿件驗(yàn)算
     

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    圖8  中環(huán)軌道支撐架系統(tǒng)應(yīng)力比柱狀圖

    從上圖可知,滑移軌道支撐架系統(tǒng)桿件最大應(yīng)力比為0.743,桿件強(qiáng)度和穩(wěn)定性滿足滑移施工要求。
          4.2.3內(nèi)環(huán)滑移軌道梁設(shè)計(jì)及驗(yàn)算
          (1)計(jì)算模型
          內(nèi)環(huán)滑移軌道設(shè)置于內(nèi)環(huán)桁架下弦桿位置,環(huán)形軌道直徑為20m。內(nèi)環(huán)滑移軌道支撐架只承受上部鋼構(gòu)件傳遞的豎向力F=403.37KN,滑移梁承受滑移軌道與上部滾輪間的靜摩擦力Fh =80.674KN。根據(jù)滑移位置的不同,按兩種設(shè)計(jì)狀態(tài)建立滑移軌道計(jì)算模型(圖9)進(jìn)行計(jì)算分析。 
     

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    圖9-1    內(nèi)環(huán)支撐計(jì)算模型一
     
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    圖9-2    內(nèi)環(huán)支撐計(jì)算模型二

     
          (2)變形分析
          內(nèi)環(huán)滑移支撐架系統(tǒng)變形如圖10所示:
     

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    圖10  內(nèi)環(huán)滑移支撐架變形圖


          由以上變形圖可知,內(nèi)環(huán)軌道梁的豎向變形△max=7.011mm,約為跨度的1/1100,內(nèi)環(huán)滑移軌道支撐系統(tǒng)變形能滿足鋼屋蓋滑移及拼裝過程中精度要求。
          (3)桿件驗(yàn)算

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    圖11 內(nèi)環(huán)支撐架系統(tǒng)應(yīng)力比柱狀圖

    從上圖可知,滑移軌道支撐架系統(tǒng)桿件最大應(yīng)力比為0.763,桿件強(qiáng)度和穩(wěn)定性滿足滑移施工要求。
          5 臨時(shí)支撐體系卸載及結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過程模擬分析
          5.1卸載控制原則和卸載方案
          由于臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)?載或結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換將造成永久結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重分布,必然會(huì)對(duì)永久結(jié)構(gòu)的局部構(gòu)件受力產(chǎn)生較大的影響,因此,永久結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換中的受力性態(tài)和安全性與臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的卸載過程密切相關(guān)。
          5.1.1卸載過程的控制原則
          (1)結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換引起的內(nèi)力變化應(yīng)是緩慢的;
          (2)在卸載過程中,結(jié)構(gòu)各桿件的內(nèi)力應(yīng)在彈性范圍內(nèi)并逐漸趨近設(shè)計(jì)狀態(tài);
          (3)在卸載過程中,各臨時(shí)支撐點(diǎn)的卸載變形應(yīng)協(xié)調(diào);
          (4)卸載過程中,應(yīng)避開不適宜的環(huán)境狀況,如大風(fēng)、雨雪天氣;
          (5)卸載過程應(yīng)易于調(diào)整控制、安全可靠。
          5.1.2卸載方案
          本工程支撐點(diǎn)卸載順序按下列步驟:安裝焊接外環(huán)鋼柱支座,進(jìn)行外環(huán)鋼柱的卸載;卸載中環(huán)滑移軌道上支撐點(diǎn),可采取間隔選取每次12個(gè)支點(diǎn)同時(shí)卸載;同時(shí)卸載內(nèi)環(huán)滑移軌道上支撐點(diǎn)。
          根據(jù)“變形協(xié)調(diào),卸載均衡”的原則,通過放置在支架上的可調(diào)節(jié)點(diǎn)支撐裝置千斤頂,多次循環(huán)微量下降來實(shí)現(xiàn)“荷載平衡轉(zhuǎn)移”。臨時(shí)支座分批逐步下降,其狀況相當(dāng)于支座的不均勻沉降,這都將引起桁架結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化和調(diào)整。對(duì)少量桿件可能超載的情況應(yīng)事先采取措施局部加強(qiáng)。為防止個(gè)別支撐點(diǎn)集中受力,宜根據(jù)各支撐點(diǎn)的結(jié)構(gòu)自重?fù)隙戎?,采用分區(qū)、分階段按比例下降或用每步不大于10mm的等步下降法拆除支撐點(diǎn)。
          5.2 臨時(shí)支撐體系卸載過程的計(jì)算方法
          卸載過程需要確定的具體內(nèi)容包括:卸載步數(shù)、每個(gè)卸載步中同步卸載點(diǎn)的數(shù)量及范圍、每個(gè)卸載步中需要控制的位移量。安全合理的卸載方案需經(jīng)過多方案反復(fù)計(jì)算比較得到。計(jì)算過程如下:
          (1)根據(jù)預(yù)定的卸載方案,在第一卸載步的同步卸載點(diǎn)均施加已設(shè)定數(shù)值的強(qiáng)迫位移,計(jì)算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的內(nèi)力和位移。
          (2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果,驗(yàn)算永久結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性和結(jié)構(gòu)的變形,驗(yàn)算臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)反力是否超過原設(shè)計(jì)值。
          (3)若永久結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)均滿足要求,則在第1卸載步計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上,施加第2步卸載步應(yīng)增加的強(qiáng)迫位移值,計(jì)算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的內(nèi)力和位移,否則,調(diào)整強(qiáng)迫位移值,重新進(jìn)行第1卸載步計(jì)算。
          (4)依次進(jìn)行下一步計(jì)算,直到完成所有卸載步計(jì)算。
    在計(jì)算過程中,若多次調(diào)整強(qiáng)迫位移值,永久結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)均不能滿足安全性要求,則應(yīng)調(diào)整卸載方案,重新進(jìn)行驗(yàn)算。
          5.3卸載計(jì)算變形分析
          5.3.1施工卸載后變形分析
          計(jì)算僅考慮結(jié)構(gòu)件自重,考慮節(jié)點(diǎn)重量乘以1.1系數(shù),鋼屋蓋按上述步驟卸載后屋蓋變形(圖14):
     

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    圖14       完成卸載和安裝雨棚后屋蓋變形圖

    完成內(nèi)環(huán)支撐點(diǎn)卸載后穹項(xiàng)變形△max=-25.2mm,安裝完成雨棚構(gòu)件后穹項(xiàng)變形△max=-28mm,雨棚端部變形△max=-33.6mm。
          5.3.2設(shè)計(jì)狀態(tài)變形分析(圖15)
     

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    圖15-1   穹頂變形圖

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    圖15-2  雨棚變形圖
     

    設(shè)計(jì)狀態(tài),穹頂最大變形△max=-25.4mm,雨棚端部變形△max=-49mm。
          5.3.3施工卸載與設(shè)計(jì)狀態(tài)變形對(duì)比分析
          在結(jié)構(gòu)自重情況下,原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)變形與考慮施工卸載分析得到的結(jié)構(gòu)變形相比(圖16),穹頂最大撓度從-25.4mm,增大到-28mm,雨棚懸挑處最大變形從-49mm,減小到-33.6mm。施工過程對(duì)內(nèi)部穹頂變形為不利影響,增大2.6mm,對(duì)雨棚變形為有利影響,減小變形15.4mm。
     

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    圖16    施工卸載與設(shè)計(jì)狀態(tài)變形對(duì)比圖


    5.4 卸載計(jì)算應(yīng)力比分析
          5.4.1施工過程分析
          從結(jié)構(gòu)應(yīng)力比圖可以看出,施工過程最大應(yīng)力比為0.215(圖17)。
     

    \
    圖17   桿件應(yīng)力比云圖


    5.4.2設(shè)計(jì)狀態(tài)分析
          從結(jié)構(gòu)應(yīng)力比圖可以看出,設(shè)計(jì)狀態(tài)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比為0.196(圖18)。

     \
    圖18  桿件應(yīng)力比云圖

          5.4.3設(shè)計(jì)狀態(tài)與施工狀態(tài)應(yīng)力比差值分析
          從設(shè)計(jì)狀態(tài)與施工狀態(tài)應(yīng)力比差值(圖19)對(duì)比分析可以看出,考慮卸載施工過程分析后,結(jié)構(gòu)桿件受力有所變化,結(jié)構(gòu)應(yīng)力比最大增大0.047(不利影響),最大減小為0.135(有利影響),總體說,卸載施工過程對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響很小,在5%以內(nèi)。卸載方案安全可靠。
     

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    圖19    應(yīng)力比差值分析

    6 結(jié)語
          本文以鄂爾多斯機(jī)場(chǎng)航站樓大跨度空間結(jié)構(gòu)工程實(shí)踐為背景,通過對(duì)結(jié)構(gòu)的整體分析,綜合考慮安裝方案、施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等技術(shù)條件,提出了大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過程中臨時(shí)支撐體系的布置方案,并對(duì)所使用的臨時(shí)支撐體系進(jìn)行分析,得到了施工過程中支撐體系的桿件應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形情況。針對(duì)該工程,提出了一整套結(jié)構(gòu)卸載方案和分階段整體分級(jí)同步卸載的原則和卸載步驟,通過對(duì)卸載過程的數(shù)值模擬分析,得到了卸載過程中臨時(shí)支撐體系的受力變化情況和結(jié)構(gòu)本身受力的轉(zhuǎn)變過程,順利實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換,對(duì)類似工程的施工與卸載提供了參考依據(jù)。
     

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