多功能滑雪场钢结构设计与施工措施.pdf

王清玲 多功能滑雪场钢结构设计与施工措施 多功 能滑雪场 钢结构 设计与施 工措施 王清玲 大庆石化工程有限公司 。 黑龙江大庆1 6 3 7 1 4 【 摘要】 结合空中技巧滑雪场这一特殊实际工程， 给出结构体系的构建与特色， 采用有限元软件 A N S Y S 对该体系中最不利的2榀平面钢框架开展了静力分析 ， 获得钢框架的内力和变形， 据此进一步开展 了框架在罕遇 地震下的时程分析， 获得弹塑性层间最大位移， 承载力和变形均满足规范要求。最后给出钢框架增强的构造措 施 ， 可为同类工程在不同地区的建设提供借鉴和参考。 【 关键词】 不规则钢框架； 薄弱层； A N S Y S ； 弹塑性层间位移 ； 施工措施 【 中图分类号】 T U 3 9 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 3 0 8 0 0 9 7 0 4 1 工程简介 空中技巧滑雪是近几年兴起的雪上运动项 目， 以 其空中翻转姿势优美、 竞技水平高而深受大众喜欢。 而在我国严寒地区尽管一年中有一半的时间与雪相 伴 ， 但还未建有标准 的空中技巧滑雪场 ， 致使运动员 得不到正规训练， 为充分利用地理条件 ， 给运动员提 供完善的训练基地 ， 经国家体委会决定在黑龙江省亚 布力滑雪基地拟建一座空中技巧滑雪场， 作为比赛场 地和 日常训练基地。空 中技巧 由高到底， 落差较大， 需要建造特殊的支撑体系才能满足， 参考国外的滑雪 基地建设， 结合 国内的结构特点， 给出多功能钢结构 滑雪支撑体系建筑立面如图 1 所示。该体系包括第一 平台区、 加速区、 第二平 台区和下落区， 在第二平台区 上方完成空 中技巧。为满足运动员和其他人员生活 需要 ， 除屋面作为 比赛场地外 ， 支撑体系内部建成多 功能会馆， 图 1中的① ～ ⑥轴为运动员活动区和临时 休息区， ⑧ ～⑥轴为宾馆 ， ⑥ ～ ⑧轴之间为大厅 ， 可接 纳数百人休闲活动， 建筑平面布置见图2 。该建筑总 面积为 5 4 0 0 m ， 屋顶高度为 2 8 ． 2 m， 各层层高见图 1 ， 加速滑道的半径为 1 6 ． 8 m。设计使用年限为 5 0年， 该 地区的抗震设防烈度为 6度⋯， 地质条件较好。本文 结合这一特殊实际工程， 采用有限元软件 A N S Y S l 2 对 该体系中最不利的⑦轴和⑩轴平面三跨钢结构开展 了静力分析 ， 给出截面的选取和体系所承受的特殊荷 载， 获得钢框架的内力和变形， 给出钢框架节点构造。 据此进一步开展了框架在罕遇地震下的时程分析， 获 得弹塑性层间位移 角和最 大水 平位 移 ， 均满 足规 范要 求， 可见该体系的设计是合理的， 可为运动员的安全 提供保障， 同时本文的分析为同类体系不同地区的建 设提供借鉴和参考 。 2结构体 系构 建与特 色 依据空 中技 巧滑雪场 的构 成特 点 ， 本设 计决 定采 用钢结构体系， 而未采用钢筋混凝 土结构体系， 主要 图1 多功能钢结构建筑立体图 } i l 日 ] t l【 J I 11 一 ’ 【 l L 一 i 图2 平面梁柱布置图 是考虑到两点 ① 由于大部分时间被积雪覆盖， 对结 构体系的腐蚀很严重 ， 而混凝土耐腐蚀能力 比钢结构 差， 这样会大大缩短结构的寿命和安全使用年限； ② 是钢结构的抗疲劳能力较强， 运动员在竞技 比赛过程 中会反复对体系产生荷载 ， 从长期的角度看 ， 结构承 受低周反复荷载的作用， 若采用混凝土结构 ， 一旦 混 凝 土受力 开 裂便 无法恢 复 原状 ， 钢筋 与外 界 接触 ， 造成结构过早丧失承载能力， 综合上述两点最终选取 钢结构支撑体系。该体系与常规的钢结构有所不 同， 顶层荷 载一般较小 ， 而本 结构顶层 要 附加承 受一定 厚 度的雪荷载， 导致顶层荷载最大， 这样结构内力分布 低温建筑技术 2 0 1 3 年第 8 期 总第 1 8 2 期 与地震作用就明显与常规结构不同。为增加底部柱 的刚度和承载力， 该框架底部三层柱采用内置 H型钢 一 方钢管混凝土柱M 】 ， 其他层采用 H型钢柱， 框架梁 均采用 H型钢梁， 楼面采用压型钢板组合楼板 ， 框架 梁、 柱之间采用混合刚性连接， 主次梁之间通过加劲 肋铰接。采用埋入式柱脚 ， 钢筋混凝 土基础埋深为 2 ． 3 m， 由于地质条件较好 ， 柱下全部采用独立基 础。 以受力最不利的⑦轴和⑩2榀框架为分析对象。 3 两榀钢框架静力仿真分析 3 ． 1 材料和截面选取 钢框架钢材采用 Q 3 4 5一B级， 焊条采用 E S O X X型 手工焊， 螺栓采用 1 0 ． 9级的承压型高强螺栓 ， 锚栓采 用直径 0的 Q 3 4 5钢， 底部三层框架柱内置 H型钢选 为 H M 4 0 0 X 2 5 0 X8 X 1 2 ， 混凝土采用抗压强度等级为 C 4 0的常规混凝土， 圆钢管采用 0 0 X 1 6 ， 其它层钢柱 采用 H M5 5 0 x 3 5 0 X 1 0 X 1 6 ， 顶层钢梁采用 H I 0 0 X 3 0 0 X 1 0 X 1 6 ， 其它层采用 H M 4 5 0 X 3 0 0 X 8 X 1 2 。梁、 柱截 面形式如图 3和图4中的 1 1 、 2 2和 3 3所示。楼 面采用压型钢板组合楼板， 在与梁交汇处设置剪力键， 上浇 1 0 0 ra m厚的混凝土。压型钢板在施工期间可作为 模板， 使用阶段与混凝土形成组合楼板共同受力。为防 止钢管受到环境的腐蚀， 采用镀锌钢管。 3 ． 2 荷载统计与计算简图 屋顶恒载除结构 自重外 ， 尚包括形成滑道所堆积 的雪荷载， 经计算作用在顶层 的恒荷载为 4 k N ／ m 2 ， 活 载取为2 ． 5 k N ／ m 2 ， 其他层楼面恒荷载为结构楼板、 吊 顶和瓷砖的 自重 ， 经计算取为 3 k N ／ m 2 ， 活载仍取为 2 ． 5 k N ／ m 。依据框架楼板所承受的跨度 f 0 ， 可按公 式 1 和 2 将面荷载简化到框架梁上形成线荷载， 如 图3和图4所示。7 轴和 1 0轴的跨度 l 。 分别为 5 ． 4 m 和 3 m。 [ 4 恒X 1 ． 2 2 ． 5 活X 1 ． 4 ] Xf 0 8 ． 3 l o k N ／ m 1 [ 3 恒X 1 ． 2 2 ． 5 活X 1 ． 4 ] X l 0 7 ． 1 1 o k N ／ m 2 4 4 ． 8 2 k N， m 4 4 ． 8 2 k N， m 4 4． 8 2 k N， m 1 3 s ． 3 4 k N ／ m lr 8 ． 3 4 k N I m l “ 1 3 S ．3 4 k N ／ m f J r 叫 l l l I I r n I ， kCn 、 t ． ce 38 ． 3 4 kN／ m 3 8 ． 3 4k N ／ m 3 8 ． 3 4k N／ m l l I l j J I I I 图3 ⑦轴平面框架计算简 图 3 ． 3 仿真与结果分析 A N S Y S中能模拟框架的单元较多 ， 如 B E A M 4 三 2 4 ． 9 k N， m 2 4 ． 9 k N／ m 2 4 ． 9 k N／ m 2 j 3 ， m l 2 1 ．3 k 12 2 } 3 ．二 l I l 同上 同 同上 l J l i I l l l l l l l I l 【 l Ln l I I I I l I J 1 r ， r 1 r 1 I I l 1 1 l n 1 1 l I l 1 I阿 上 l 同 同 上 l l I l 1 ． 曾 图4 ①轴平面框架计算简图 维 、 B E A M 3 二维 、 B E A M1 8 8 定义截面 、 B E A M1 8 9 定义截面 等， 考虑到本文分析的为平面框架， 故采 用 B E A M 3单元模拟梁和柱， 可较好得到框架的内力 分布与变形。采用间接建模法， 生成关键点， 然后连 线形成几何模型， 再进行 网格划分， 进而形成有限元 模型， 在柱底施加全部约束， 在框架梁上施加均布荷 载 ， 求解。通过建立单元表， 可提取框架的弯矩 M 、 剪力 V 和轴力 N 设计值， 其中弯矩示意如图 5和 图6所示。经统计 2榀框架的最大内力值如表 1所 示。按表 1 中给出的公式对框架梁、 柱截面的承载力 和稳定性验算 ， 均满足 钢结构设计规范 的要求。 MI N 一1 5 3．6 MAX Z O 6 ． 1 | ． L ’ 一 L |． L ．一 【 1 5 3 ． 6- 7 3 ． 7 0 I 3 8 6 ． 2 l 6 6 ． 2 一 l l 3．6 -3 3．7 4 6．2 l 2 6．2 2 0 6 ． 1 图5 ⑦轴弯矩分布 一1 盯 _ 3 ． B8 ． 2 - - 69 ． 0 - 4 9． 9 3 7 一l 1 ． 5 7 2 6 ． 8 4 5 6 5 l l 图6 ⑩轴弯矩分布 4 变形验算 通过静力分析可得 到 2榀框架 的最 大变形 为 1 6 ． 2 m m， 由 钢结构设计规范 附录 A可知， 梁的挠度 允许值为 ／ ,／ 3 0 0， 梁的跨度 为 7 ． 2 m， 框架 梁的变形 王清玲 多功能滑雪场钢结构设计与施工措施 1 6 ． 2 m m[ ]7 2 0 0 m m ／ 3 0 02 4 ra m， 弹性变形均满 足规范要求。依据抗震设计规范⋯的要求， 对该体系 进行罕遇地震下的弹塑性时程分析， 本文采用两组天 然波 E 1 一e e n t r o波、 T a f t 波 和一组人工波对该体 系 进行时程分析 ， 提取得到两榀框架的层 间弹塑性位移 如图 7所示， 可以看出两榀框架水平变形均以剪切变 形为主， 但⑦轴框架未产生薄弱层 ， 而⑩轴 的第四层 表现 出一定的薄弱， 水平变形略有突变， 原因是第 四 层为内置 H型钢钢管混凝土柱和钢柱的过渡层， 刚度 发生变化而引起的。由表2可知⑦轴框架最大层间位 移 A U 小于[ 0 。 ] h ， 同理⑩轴规律与⑦轴相同。可见 框架的弹塑性变形满足要求。 表 1 框架最大内力值及截面应力验算 表 2 ⑦轴框架层间位移 a 】 ⑦轴框架层间弹塑性位移 广 。 一 l ～‘ ． 1 一 J f I 卜一 ， 1 、一 一 ’ I f f f- - 一 ～ J I l I I r’一 一 _ r I ， | ， l 7 | ／ | ／ J3 一一 一一 一一一 ／ 1 2 ． ， ， ． ， r ⑩轴层间弹塑性位移 图7 两榀框架层问弹塑性位移 h 框架梁施加局部预应力筋 c 两种柱的过渡 区连接构造 图8 三个部位的构造措施 5施工措施 梁柱连接采用常规做法， 可参考文献 ， 这里不 在冗述 。为满 足抗震要求 及加强 整体稳 定性 ， 钢框 架 节点设置 p l 0 0 6的隅撑 ， 如图8 a 所示， 施工工序 在框架连接后但未承受外荷载之前； 在④轴和⑥轴的 柱问设置纵 向交叉支撑， 用来加强纵向体系承受横 向 荷载的作用 ； 由于⑦轴框架处于滑道的最低处， 钢梁 受 到 的疲 劳应 力 幅度最 大 ， 为增加 梁 的抗 疲 劳能 力 ， 在框架梁下局部施加预应力筋 ， 有助于钢梁的弹性 恢复， 由于预应力筋不从节点处穿过 ， 对节点无削弱， 而且便 于预 应 力 筋 的张 拉 和锚 固， 应用 方 便 ， 见 图 8 b ； 内置 H型钢钢 管混凝 土柱与钢柱 的过渡 区连接 H 1 0 0 低温建筑技术 2 0 1 3 年第 8 期 总第 1 8 2 期 冻土与地基基础 地下管道抗灾试验研究述评 李海青 ， 王威 ， 岳增书 北 京工业大学抗震减灾研 究所 ． 北京1 0 0 1 2 4 【 摘要】 由于工作环境的复杂性和承受荷载的不确定性， 地下管道抗灾试验研究必不可少。根据抗灾试 验研究内容的层次 ， 首先从试验对象、 荷载类型和试验设备三个方面， 评述了与管道行业标准试验、 土木结构试验 相比地下管道抗灾试验的特点， 然后根据试验研究的不同分类， 总结管道的抗灾试验研究的方法和内容， 其中侧 重介绍了不同试验采用的试验设备、 加载方式和试验过程 ， 总结以往抗灾试验的经验， 提出常规抗灾试验中存在 的问题和难点 ， 并探讨解决思路和方法， 为后继的类似试验提供参考。 【 关键词】 地下管道； 抗灾试验； 发展趋势 【 中图分类号】 T U 9 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 3 0 8 0 1 0 0 0 3 0引言 地下管道是城市运行和现代工业的大动脉， 被称 为城市生命线工程。城市的规模越大， 对生命线系统 的依赖性越强 ； 在各种致灾因素作用下， 地下管道系 统的破坏和由此产生的次生灾害， 以及对城市的危害 也越严重 。 地下管道的受力情况复杂 ， 除承受输送介质时的 内压 ， 还有地面的活荷载、 覆土压力、 土体位移和地震 波动等作用。这些都会扰动和破坏管道周围土体的 稳定性 ， 改变管道的正常工作状态， 使管道受到轴向 拉压、 弯曲、 扭转、 剪切变形和管道 内压 的耦合作用 ， 造成管道的泄漏破坏。 1 地下管道抗灾研究 的内容 研究地下管道的防灾措施， 需要研究以下 内容 管道及接 口的强度和变形能力， 确定其抗灾能力； 管 道的承载力， 确定管道承受的外力 ； 将管道的外力与 抗灾能力比对， 确定地下管道在荷载下是否处于安全 状态 。 地下管道按研究方法可分 为 理论研究、 数值模 拟和试验研究。地下管道抗灾能力理论研究和数值 模拟是对实际情况做出假定和简化后进行， 为验证计 算方法和模型假定的合理性， 准确把握地下管道响应 规律， 进行试验研究是必不可少的。地下管道抗灾试 验针对研究对象分为 管道性能试验、 管 一土相互作 用试验和外部荷载作用试验 ， 其层次关系如图 1 所示。 地下管道抗灾试验有以下特点 ①试验对象不同 于管道行业标准试验。 地下管道抗灾试验的对象主 要是超越标准限制的管道、 新型管材和特殊要求的管 材 ， 如大直径管、 钢骨架 P E复合管； ②荷载作用类型 不同于土木结构试验； ③试验尺度和设备不同于地下 [ 基金项目】 国家自然科学基金 5 1 208 0 1 7 ； 北京市博士后工作经费 2 0 1 2 Z Z一 1 7 ； 中国博士后科学基金资助项目 2 0 1 1 M 5 0 0 1 9 9 如图 8 c 所示， 在连接 区将预埋件 M ． I _1 放置在钢管 混凝土柱 中， 同时四周与钢管焊接在一起 ， 在其上焊 接钢柱 ， 实现两种柱形式 的连接过渡。 6结语 本文结合空中技巧滑雪场这一特殊实际工程， 给 出结构体系的构建与特色 ， 采用有限元软件 A N S Y S 对 该体系中最不利的⑦轴和⑩轴平面钢框架开展了静 力分析， 获得钢框架的内力和变形， 据此进一步开展 了框架在罕遇地震下的时程分析， 获得弹塑性层间最 大位移， 均满足规范要求。最后给出钢框架增强的施 工构造措施 ， 可为同类多功能滑雪场工程在不同地区 的建设提供借鉴和参考。 参考文献 [ 1 ] G B S 0 0 1 I 一 2 0 1 0 ， 建筑抗震设i -I - 范[ s ] ． [ 2 ] 张朝晖． A N S Y S 1 1 ． 0结构分析工程应用实例解析[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 3 ] G B 5 0 0 1 0 201 0 ， 混凝土结构设计规范[ s ] ． [ 4 ] 赵鸿铁． 钢与混凝土组合结构[ M] ． 北京 科学出版社， 2 O O 4 ． [ 5 ] C B 5 0 0 1 2 201 2 ， 钢结构设计规范[ s ] ． [ 6 ] G B 5 0 0 1 3 2 0 0 3 ， 结构荷载设计规范[ s ] ． [ 7 ] 薛伟辰． 现代预应力结构设计[ M] ． 北京 中国建筑工业出版 社 。 2 0 0 3 ． [ 收稿日期】 201 3一 o 4 - 0 8 [ 作者简介】 王清玲 1 9 6 2 一 ， 女， 黑龙江兰西县人 ， 工程师 从事土建现场施工监理和管理工作 。