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【案例赏析】铝合金网壳深化设计施工技术介绍,西咸金...

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【案例赏析】铝合金网壳深化设计施工技术介绍,西咸金...

发表于 2021-4-30 22:36:34 阅读模式 倒序浏览
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钢结构设计

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西咸金融服务港-四季厅铝合金雨篷

铝合金网壳深化设计施工技术介绍

西咸金融服务港-四季厅雨篷项目坐落于陕西省西咸新区,该地为国务院批准成立的我国第七个国家级新区,也是“一带一路”中丝路经济带的起点。该项目位于西咸金融服务港核心区域,主体结构采用钢结构树形柱和铝合金自由曲面网壳,网壳表面由玻璃屋面板覆盖。该网壳形如起伏的波浪,与周边建筑交相呼应,形成了一道靓丽的风景线。

西咸金融服务港(图片来源于新浪陕西旅游频道)▲

建设中的四季厅雨篷铝合金网壳


1、项目概况

项目名称:西咸金融服务港-四季厅雨篷

项目地点:陕西省咸阳市沣泾大道以西,能源一路与金融一路交汇处

幕墙施工单位:西安高科幕墙门窗有限公司

劳务施工单位:陕西科添沃建筑工程有限公司

建筑设计单位:中国建筑西北设计研究院有限公司

结构深化单位:同济大学郭小农研发团队

该雨篷结构形式为单层网壳,高18.6m,长122.5m,宽26.5m,下部沿纵向布置7根钢结构树形柱,并在一侧边缘布置17个橡胶支座,用于承担网壳结构传来的自重和外荷载。树形柱下部为等截面圆管,上部举架为变截面三角形管,并采用销轴与鼓节点连接。网壳由工字型截面铝合金构件及少量钢构件组成,根据其内力大小采用三种截面,共计2172根杆件。网壳节点形式为铝合金板式节点,共计776个节点。铝合金构件及节点板材料均为6061-T6,钢杆件及鼓节点材料均为Q355B。

结构俯视图

结构左视图

结构前视图

结构轴侧图

典型节点如下图所示:

通用节点A(只含铝构件)

通用节点B(含钢构件)

边缘节点

支座节点

鼓节点

钢结构树形柱铸钢节点


2、节点板及构件深化设计

为配合网壳流线型的外观,需要采用双曲面板式节点连接构件。由于该结构几何参数复杂,每块节点板上不同构件对应的螺栓孔位、节点板拱度,以及每根杆件的长度均不相同,极大的增加了节点验算繁琐、深化放样的难度。该项目应用了同济大学郭小农团研发的一套基于ANSYS、ABAQUS、ObjectARX和Rhino的多平台铝合金板式节点单层网壳设计系统,完成了所有节点板及杆件的深化设计工作。

在应用该系统时,用户仅需输入结构节点坐标、节点连接信息、构件截面尺寸等信息,程序即可自动完成参数化建模、荷载输入、静力分析、动力分析和杆件截面优选;并进一步完成结构整体稳定分析,自动生成结构分析计算书。然后,对节点进行分类并完成板式节点设计,用户需要时还可生成典型节点的ABAQUS分析模型。最后,通过数据接口将设计结果传送至AutoCAD中,并基于ObjectARX和Rhino程序包进行二维加工图的批量绘制;并在此基础上绘制三维实体模型,以辅助结构制作和安装。

铝合金单层网壳结构深化程序界面▲

值得注意的是,该系统可直接对复杂的自由曲面网壳结构及复杂异形节点板进行深化设计,极大地提高了设计效率和准确性。

自动深化程序生成的异形节点板详图

自动深化程序生成的构件详图

三维精细模型(局部)

计算书中的构件破坏模式分析

计算书中节点应力比验算


3、双曲面节点板挤压加工

该项目采用的双曲面节点板加工工艺复杂,且加工精度对结构安装过程的难易程度和最终结构几何形状有很大影响。所有节点板均预先切割、钻孔成平面圆形板件,再通过液压千斤顶一次性挤压成型。由于结构几何形状变化较大,节点板拱度分类众多,需要定制多种规格的挤压模具,并按照不同拱度需求进行选择和组合使用。

节点板挤压模具

节点板挤压调试过程

节点板挤压过程

在铝合金节点板的挤压过程中,需要充分考虑节点板的回弹变形,以控制回弹后节点板的最终形状,减小加工误差。同济大学郭小农团队对铝合金板式节点的冲压回弹特性进行了大量的试验和数值研究,详细内容可参考论文《Springback characteristics of arched aluminum alloy gusset plate after stamping forming》。

为保证加工精度,对挤压后的节点板抽样进行三维扫描,并通过后处理软件生成三维模型,以准确测量节点板实际拱度和设计拱度之间的差别。

节点板三维扫描过程

节点板三维模型


4、安装过程

由于所有构件及节点板均在工厂加工完成,现场仅需进行结构拼装,因此施工速度很快且较为方便。


4.1 钢结构树状柱的安装

首先根据平面图定位完成钢结构树状柱下部圆形钢管,核对标高,并完成铸钢节点及上部变截面三角形管的焊接。随后根据标高及空间角度完成三角形管端部销轴节点外耳板焊接。

钢结构树状柱下部圆形钢管安装

钢结构树状柱上部变截面三角形管安装


4.2 铝合金网壳在加工厂的预拼装

为确保安装精度,在加工厂对曲率变化率最大的网壳进行了预拼装。

铝合金网壳的预拼装


4.3 铝合金网壳的现场安装

根据下部钢结构树形柱对网壳划分区域,并在每个区域内从网壳侧面波谷处(此处曲率最大)开始安装构件。首先根据编号对构件和节点板进行分类,再按节点板上刻有的编号逐一进行拼装,并采用普通螺栓进行临时固定,安装完成后核对各节点标高。

节点板分类

铝合金构件临时堆放

铝合金构件及节点板拼装

构件编号▲


4.4 鼓节点的安装

首先根据空间定位坐标及角度,调整鼓节点位置并完成销轴节点的安装。随后采用吊车将钢构件运输至鼓节点附件,采用普通螺栓与周边铝合金板式节点临时固定。最后调整鼓节点侧钢构件高度,并进行钢构件与鼓节点之间的焊接。

鼓节点安装及钢构件运输

钢构件与鼓节点焊接

焊接完成后的鼓节点


4.5 紧固件的安装

在大部分结构拼装完成后,校核各节点的空间坐标位置,然后采用Φ9.66不锈钢环槽铆钉将已安装好的节点完全固定。环槽铆钉的夹紧力是通过配套工具挤压套环使其发生塑性变形产生的,可产生精确的夹紧力。

不锈钢环槽铆钉

采用普通螺栓临时固定的网壳结构

不锈钢环槽铆钉的安装

安装完成后的边缘节点

安装完成后的六杆节点

安装完成后的局部▲


4.6 边缘橡胶支座的安装

在所有构件及节点板安装完成后,进行网壳一侧边缘橡胶支座的安装。在完成定位后首先安装支座内部的加劲板,然后进行焊接。

橡胶支座的安装


4.7 玻璃屋面板的安装

在网壳整体结构安装完成后,根据编号进行玻璃屋面板的安装,并布置排水措施。

玻璃面板的测量措施,定位圆孔可以放入测量针▲

安装玻璃面板


4.8 拆除脚手架

屋面玻璃安装完成后,拆除脚手架。

拆除脚手架

竣工后照片

竣工后夜景照片


5、要点总结

(一)该项目为自由曲面单层铝合金网壳结构,结构曲率变化明显,构件长度和节点板尺寸均不相同,深化设计、加工过程、结构施工难度较大。

(二)采用同济大学郭小农团队研发的铝合金网壳自动深化设计程序可较大的简化该类工程的设计难度,并提高设计效率和准确性。

(三)双曲面铝合金节点板的加工需要采用挤压工艺完成,且需要充分考虑节点板回弹变形的影响,节点板的加工精度对结构安装的难易程度和精度有很大影响。


6、参考文献

[1] 郭小农, COBLENCE Thomas, 朱劭骏,等. 基于多平台的铝合金板式节点网壳设计系统[J]. 建筑钢结构进展, 2019, 021(006):80-88.

[2] Guo X , Xu H , Zeng Q , et al. Springback characteristics of arched aluminum alloy gusset plate after stamping forming[J]. Thin-Walled Structures, 2020.


一段小视频展现了铆钉安装过程,效率还是很高的▲


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来源:“钢结构设计”公众号,作者:曾强博士,如有侵权请联系我们。


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