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摩天轮临时结构设计及风荷载分析

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[摘要]根据结构形式和现场条件,地处入海口处的桥上摩天轮施工时,建立格构式支撑架作为临时结构。因体量大且结构重,对临时结构进行详细设计。支撑架为钢结构形式,结构较高,对风荷载较敏感,着重分析风荷载体型系数。

[关键词]钢结构;无轴式摩天轮;临时结构;设计;有限元分析

1工程概况

本工程为入海口附近的桥上无轴式摩天轮,为世界上首次采用编织网格形式的摩天轮(见图1)。轮盘外圆直径125m,内圆直径90m,非同心圆,建成后将是世界上直径最大的无轴式摩天轮,也将是“轮桥合一”形式综合体的最高摩天轮。该摩天轮轮盘由外圆2道弦杆、内圆1道弦杆及之间的网格钢管填充而成。两端支座为龙骨式多点支撑。为保证面外稳定性,在3个高度共设12根预应力拉索。钢结构总重约4485t,主体材质为Q345D。本工程摩天轮结构形式新颖,建筑高度大,尤其是轮盘断面上大下小,结构上重下轻,同时考虑施工现场条件不利环境因素,为保证摩天轮安全、顺利建成,对临时结构进行设计分析,并重点考虑风荷载的分析计算。

2临时结构设计

本工程摩天轮未合龙前会产生复杂的应力和变形,增加施工风险和施工难度,因此,为满足安装精度和保证安装质量,应对临时支撑体系进行设计,并对施工过程进行仿真分析。

2.1材料

因钢材施工快捷、成本低、质量较易保证,临时结构通常采用钢材。本工程临时结构的主要功能是支撑摩天轮、定位杆件和作为操作平台。采用钢结构加工规格统一、易于安装、质量可靠,施工完成后,材料可回收利用,降低施工成本。

2.2选型与结构布置

临时结构应选择经济、合理、传力简捷、易于现场施工的结构形式。对于大型复杂的永久结构,在临时结构设计初期,通常还需进行方案比选,确定合适的结构形式。结构布置应根据体系特征、荷载分布情况及性质等综合确定,宜刚度均匀、力学模型清晰。本工程在3种临时结构形式(见图2)中进行优选,同时考虑施工顺序和便捷性。1)方案1利用支撑架承重,落地式脚手架作为操作平台,该方案在施工过程中对摩天轮的支撑较少,杆件定位精度不易控制。2)方案2利用支撑架承重,提升脚手架作为操作平台,由于摩天轮上重下轻,该方案需较强的动力提升系统,且提升过程稳定性不易控制。3)方案3分段拼装,格构式支撑不仅起到弦杆定位的作用,保证安装精度,而且对未合龙的结构起到支撑作用,减小累计变形,保证后续拼装精度。支撑架为施工电梯和附着式塔式起重机提供支撑,实现多用途化,提高利用率。方案3施工精度容易控制、安装风险最小、技术成熟、施工简便,因此本工程采用将支撑架作为拼装胎架的临时结构形式进行施工。考虑杆件定位和安装精度,临时结构选择刚度较大的结构形式,支撑架长120.2m、宽22.7m、高138m。支撑架由竖向支撑、横向支撑、纵向支撑、斜支撑和缆风绳组成(见图3),材质Q345B。主受力支撑为格构式,受力合理,工厂加工成标准单元便于现场快速拼装。24道缆风绳沿轴线对称布置于支撑架44,80,116m3个高度。考虑对杆件的支撑和定位作用、施工方便性及在安全的前提下降低临时结构的造价,对临时支撑格构柱优化设计,包括结构形式、剪刀撑位置、局部加强和杆件截面形式等。图3支撑架平面Fig.3Theplanofsupport

2.3节点设计

节点设计是钢结构设计的重要内容之一,结构分析前应确定节点形式,正确模拟。本工程支撑架杆件之间为焊接连接,竖向支撑应避免在纵、横支撑交接处连接,以减少热影响区重叠。

2.4结构分析

临时结构可单独建立模型,只需考虑永久结构传递来的荷载,进行分析验算。但对于形式复杂的结构,为更好地分析永久结构和临时结构之间的相互作用,通常建立整体模型,共同受荷,分析验算。本工程建立摩天轮和支撑体系的整体模型,采用MIDAS/Gen软件进行结构分析,杆件均采用梁单元模拟。整体模型的约束要按照施工时的实际情况考虑,本工程摩天轮约束按设计采用的约束考虑,支撑架根据柱脚设计,取三向水平约束。永久结构和临时结构的连接可在满足要求的前提下适当简化,本工程使用较大截面的杆件代替千斤顶,模拟连接。在临时结构设计的荷载分析中,应考虑施工过程相较于结构使用寿命的短时性,如基本风压由于设计年限不同而取值不同;施工过程中可能出现永久结构设计时没有考虑的荷载,如塔式起重机附着等。本工程在整体建模的基础上,取结构自重系数-1.2;活荷载2.0kN/m2(操作平台);基本风压0.4kN/m2;温度±30℃;施工电梯每隔10m在支撑架上附着1道,每道水平荷载38.6kN;塔式起重机在支撑架上附着4道,设备方提供各道附着点反力。需要说明的是,潍坊地区设计年限为10年的基本风压为0.3kN/m2,但考虑结构高度较大、工程重要性、地处入海口等环境条件异常复杂,对风荷载较敏感,同时为更好地控制安装精度,本工程仍取设计年限为50年的基本风压0.4kN/m2。

2.5结果判断

软件运行后应对输出结果进行判断,可修改模型重新计算,也可按结构的重要程度和施工周期等因素修正计算结果。

3风荷载分析

对于一些较柔的高层建筑,风荷载是结构设计的控制因素。随着建筑物高度的增加,风荷载的影响逐渐增大。高层建筑中除地震作用的水平力外,主要的侧向荷载为风荷载,在荷载组合时起控制作用。本工程永久结构和临时结构均为钢结构,支撑架高138m,工程处于入海口附近,对风荷载较敏感,在结构分析时应重点计算风荷载。本工程临时支撑架结构的风荷载标准值计算时,基本风压和风压高度变化系数按照GB50009—2012《建筑结构荷载规范》(以下简称“荷载规范”)查表可得。风振系数可按照高层建筑的形式按荷载规范相应公式进行计算。体型系数应按荷载规范表8.3.1选取。本工程为格构式柱和纵横梁,前后2榀。如不考虑格构形式,支撑架类似于敞开式脚手架模式,在JGJ130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》中规定可按照荷载规范表8.3.1的桁架形式计算体型系数。如仅考虑单独的格构柱,又类似于起重机模式,在GB/T3811—2008《起重机设计规范》中体型系数的计算类似于荷载规范的桁架形式,因此,本工程临时支撑架结构按照桁架形式计算体型系数。本文按照2种方法计算体型系数,支撑架的外轮廓面积为总面积,不同之处在于挡风面积的计算和桁架榀数:①方法1将格构柱考虑成1根杆件,格构柱的外轮廓面积为挡风面积,整个支撑架考虑为2榀桁架;②方法2将每根杆件的面积汇总为挡风面积,整个支撑架考虑为4榀桁架。2种方法计算的体型系数如表1所示,差别不大,方法1没有考虑格构柱的镂空,计算结果偏大,方法2中4榀桁架并非等间距,综合考虑,本工程采用方法2的计算结果。本工程摩天轮的风荷载体型系数按照单根杆件1.3考虑,如支撑架也按此方法考虑体型系数,计算出的整体风荷载结果偏大。而对于临时结构,在满足安全性的前提下还需考虑经济性,实际上永久结构和临时结构整体建模分析时,应按联合体的体型系数考虑,鉴于本工程结构形式复杂,本文在这方面并未做进一步研究。为利用永久结构基础,支撑架两端内收,如图3所示,因此支撑架迎风面并非一个平面,本文近似按平面考虑并加载。

4结语

临时结构的设计首先应满足安全性,同时也应兼顾经济性、适用性和施工可操作性。综合考虑实际情况和施工周期等各因素,优选合适的结构形式,合理确定荷载作用和组合,正确模拟进行设计分析,做出合适的工程判断。本文以某摩天轮工程为例,阐述了临时结构的设计步骤。鉴于本工程的重要性,在实际施工过程中应加强监控,根据现场情况,必要时调整临时结构布置,进行过程仿真分析。较柔的高层结构对风荷载较敏感,设计时应重点分析。本文在考虑临时结构的风荷载时,分析比较了体型系数的计算,并进行一定简化,能为同类结构的风荷载体型系数计算提供一定参考。

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作者:张倩 余流 李娟 杜澎泉 单位:中国建筑第六工程局有限公司

摩天轮临时结构设计及风荷载分析责任编辑:张雨    阅读:人次
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