北京机场南线大棚设计介绍.ppt

北京机场南线大棚 工程概况 本项目位于北京市新建T2航站楼南侧 为北京新机场主要入口 作为北京2008奥运会的重要配套项目 本工程跨度为149 6米 边环索中心标高为17 097 谷索中心标高为15 705 膜投影面积约3275平方米 膜展开面积为3385平方米 结构特点 新建的南线大棚的结构形式为整个建筑曲面呈对称双曲抛物面 主路两边立四根桅杆 前后为边环索束 每根桅杆顶部交叉下拉7根吊索 拉住边环索 膜顶中间设置一根谷索 谷索与边环索之间由联系索联结 每根桅杆顶部有两根下拉索与外侧的锚座节点相连保持平衡 在满足结构体系受力要求的前提下 较好地解决了收费站上部覆盖的要求 将主要结构落点设在两侧 不仅使项目整体感觉轻盈飞舞 也在平面上极好地满足了收费口的视线要求 做到了完全无遮挡 结构特点 1 通过环索将平面索网连接成整体 构成空间稳定体系 整个环索体系均为单层 建筑效果较好 2 结构杆件较少 且大量杆件为受拉索 少量杆件为受压杆 3 结构刚度的相当一部分由预应力提供 4 结构存在机构位移模式 但在预应力作用下 能够成为几何稳定体系 结构的计算结果 弹性分析模型采用详细的空间三维模型 几何定位与实际结构保持一致 整个结构被离散化为 1728个索单元 468个梁单元 3836个膜单元 上述模型用来进行恒载 活载 风力 温度 地震作用下的非线性分析 也用来分析结构基本的动力特性 在地震反应谱分析时 则通过Ritz向量分析来获得三个方向上足够的有效质量参与 成型分析 1使用非线性有限元方法2其余的方法力密度法和动力松弛法3使用小E值法4在计算中考虑膜结构为正交各向异性 动力计算 1反应谱分析 适用范围探讨 2计算结果11 42970 699521 60130 624531 66810 59943钢结构中震弹性 基频振型图 支架稳定计算 索结构设计中需要研究的问题 1梭形柱的极限承载力研究 和结构设计参数对极限承载力的影响2风荷载研究3整体优化问题4施工过程中索膜结构的与应力监控问题 梭形柱研究 1顺义桥塌毁的原因浅析2如何建立一个快速 准确地极限承载力评估方法3过去设计时 建筑师和结构工程师的矛盾 设计参数对极限承载力的影响估判4使用钢管混凝土对极限承载力的贡献 几种梭形柱 梭形柱研究内容 1仿真试验双非线性2正交试验 程序生成批作业3梭形柱的计算长度研究4梭形柱的简单计算公式5梭形柱几何参数对极限承载力影响的估判6钢管混凝土的统一理论的应用 研究结果 一 1给出了计算长度公式2给出承载力校核公式 研究结果 二 几何参数对极限承载力的影响1在有斜缀杆的结构中加缀板影响不大2结构的分节影响不大3肢管面积增加和承载力增加呈线性关系4中部直径增加和承载力增加呈线性关系5在无斜缀杆的梭形格构柱增加缀板 承载力的增加合办后的平方成正比 一般为1 3至1 6倍 研究成果 3 1钢管混凝土的统一理论2在钢管中灌注混凝土可以提高梭形柱的极限承载能力3使用统一理论于梭形柱设计4给出梭形柱设计流程 风荷载计算 目前空间结构风荷载计算的几种方法1CFD计算体型系数随机振动计算风振频域2CFD计算体型系数时程计算风振频域3使用流固耦合技术计算风荷载 几种风荷载计算方法评述 1随机振动理论 1 所用风谱为经过多年统计处理的 有理论依据和实践检验 2 可以考虑风的相关性 3 可以形成和规范对应的处理格式 4 公式推导基理为线性 用于非线性结构应由使用估判 随机振动理论应用于索膜结构 1国内一些研究报告作过论证2在设计时 我们将力位移曲线限定在结构荷载态附近 此时 国际文献证明此时为拟线性3我们做了力位移曲线基本是直线 流固耦合计算的分析 1可以一次成活2可以反映结构的非线性特性3所得结果具有较少的个人假设4尚不能反映结构风的相关性 ALE ALE有限元方法与空间离散形式一样 运动描述方式也面临着选择的问题 采用Lagrange描述格式不存在确定自由液面位置的困难 并且方程中没有对流作用项出现 因而大大简化数值计算公式 节省大量的计算时间 然而Lagrange描述下的FEM对于会导致网格扭曲和纠缠的情况不能有效地处理 例如区域内部的流场可能存在涡旋 而它通常与边界的运动无关 ALE 2 采用Euler描述格式可以毫无困难地处理这些内部环流和剪切流 但引入了对流非线性项又不能很好地跟踪自由液面 正是以上这两种描述方式均存在各自的不足 1974年 Hirt 8 在研究有限差分法时 提出了任意的Lagrange Euler描述方法 简称ALE ArbitraryLagrange Euler 描述法 计算网格不再确定 也不依附于流体质点 而可以相对于坐标构架作任意运动 由于这种方法包含Lagrange观点 可应用于带自由液面的流动 但它仍保留了Euler观点 克服了纯Legrange方法常见的网格畸形的不如意之处 已逐渐成为连续介质力学中运动描述的流行方法 随机振动的风振计算结果 1有关文献认为可使用随机振动理论计算结构的风振力 我们分析的结果也正是这一点2从计算结果分析 风振力比较大的地方在索和支柱处 从理论分析 这些地方产生较大的风振力是因为索和支柱的质量较大造成的 但是他们的承载能力也很强3应当注意这些地方的连接 在构造处理时 所有膜和索连接的部位应当避免尖角 同时在安装时应当注意避免磨出现裂缝 一旦出现 立即修补 ALE分析结果 ALE分析结果 整体优化 1目前索膜结构设计均为索膜结构厂家设计他们在设计时往往只考虑索膜结构2这样使得 1 索力太大造成支撑构件和地基设计不合理 2 结构中使用索过多 有些地方不合理 3 基础和支撑结构的一些信息没有反映在设计中 整体优化的思想 1系统论2系统是可以分层的3每个子系统是可以通过连接变量传递信息4子系统在连接变量确定后可以进行优化5整个系统在获得个子系统的优化结果后可以通过连接变量对整个系统进行优化 从而达到整个系统的优化 系统的建立 1结构分为三个子系统 1 索膜子系统 2 梭形格构柱子系统 3 基础子系统2结构各子系统之间的交互变量为预应力张拉水平 索子系统的优化 1将所有需要一个截面的索在AUTOCAD建模时使用同种颜色标出2将控制应力控制在上限1 2 2破断力 下限100兆帕3按照控制应力选择截面 再将某种颜色的所得最大截面定为该类所得截面 梭形格构柱的优化 基础子系统 1我们通过研究 认为在预应力变化在一定的范围内基础的用量和预应力水平为线性变化2基础设计中我们估算了基础的弹性系数 并将此系数作为弹簧系数输入 所得结果和将支座设为固定相差不大 检测 本工程索力测量若采用传统的在索端部安装压力传感器方法测量 则有测试元件费用高 设计和施工中必须考虑的因素都比较多和复杂的缺点 加之压力传感器外露 防雨水不好处理 因此不宜采用 由于本工程是采用外表面PE套的钢索 所以在钢索外表面无法安装应变测量装置 由于拉索端部多为柔性支撑状态 所以使用加速度传感器测量拉索振动频率进而推算出拉索拉力的动测法无法保证测量精度 更无法计算出比较准确的拉索拉力 综上所述 本工程拉索的索力测量采用弹性工程磁学法 该方法的原理是通过测量缠绕在索体上的线圈组成电磁感应系统的磁通量变化确定索力 该方法可以不破坏索体 属于真正的无损检测 目前在国际技术先进国家已经得到广泛应用 检测 结论 1本文介绍了索 膜结构的基本计算理论并结合南线收费大棚的设计家与说明 2结合南线收费大棚的设计 本文使用正交设计法选择了2400个结构仿真试验模型 对其进行了双非线性计算 从而统计出梭形格构柱的承载力计算公式 并以此公式为基础 给出了梭形格构柱各个设计参数对极限承载能力的贡献度 并通过实例说明如何调整设计参数 获得建筑师满意 安全经济的梭形格构柱结构设计 3本文使用随机振动理论和流固耦合理论计算了膜结构的风振效应 在科学 准确的基础上给出了结构的风荷载效应 这是国内首次将这两个理论应用于索膜结构设计4本文使用系统论的思想 提出在索 膜结构设计中 应当考虑结构的整体效益 在优化过程中 使用分层次优化的方法 将索膜结构分为三个子结构 通过预应力水平这一全局变量和三个子结构交互信息 并通过虚拟现实世界系统实现设计过程的人机对话 5本文对拉力基础进行了设计研究 并给出了拉力和结构用量的数学关系6本工程使用磁通法监测预应力张拉过程 解决另外其他方法监测时数据不准 无法测得全量 无法实时监控等问题 检测