拱形塔设计及安装_张玉坤.pdf

Total No 280December 2022冶金设备METALLURGICAL EQUIPMENT总第 280 期2022 年 12 月第 6 期拱形塔设计及安装张玉坤(北京中冶设备研究设计总院有限公司北京 100029)摘要分析了拱形塔的结构特点，功能特征和现场安装方法;通过对多种钢结构截面形式的研究和优缺点的对比，选择了变截面三角形空间管桁架的拱形塔结构。利用仿真计算分析了拱形塔结构杆件的极限应力载荷和运行工况下的位移，结果表明，拱形塔结构拱形结构满足在极限载荷和工作载荷下的强度要求，安全可靠。同时拱形塔具有外观简洁美观、强度高、刚性大等优点。通过对施工现场条件的分析，制定了专门的安装方案，并利用仿真软件对施工过程中关键节点的结构的强度、刚度、稳定性进行校核，结果表明，拱形塔的安装方法成本低，投资小，便于安装。关键词结构设计仿真计算三角桁架拱形塔中图法分类号F719 5文献标识码BDoi:10.3969/j.issn.1001 1269.2022.06.008Design and Installation of Arched TowerZhang Yukun(Beijing Metallurgical Equipment Research Design Institute Co，Ltd，Beijing 100029)ABSTRACTThis paper analyzes the structural features，functional features and site installation methods ofthe arch tower The arched tower structure with variable cross section triangular space tube truss is chosen throughthe study of various steel structure section forms and the comparison of advantages and disadvantages The ultimatestress load and the displacement of the members of the arch tower structure are calculated and analyzed bysimulation The results show that the arch structure of arch tower structure meets the strength requirements underthe ultimate load and working load，and is safe and reliable At the same time，the arch tower has the advantagesof simple and beautiful appearance，high strength and large rigidity Through the analysis of the construction siteconditions，a special installation scheme is made，and the simulation software is used to check the strength，stiffness and stability of the structure of the key nodes in the construction process The results show that theinstallation method of the arch tower is low cost，small investment and easy to installKEYWORDSStructural designSimulation calculationTriangular trussArched tower1前言随着我国国民经济持续增长、人均收入快速增加及城镇化率的不断提高，居民消费观念随之转变和升级，不再局限于单纯的物质消费，旅游消费需求大幅提高。旅游业的快速发展及居民消费观念的升级将进一步推动大型设施需求的提升，文旅行业迎来了飞速发展的黄金时期。旅游业的发展将大大促进文旅设施的升级换代，对文旅设施创意、结构设计、技术性能提出了更高的要求，大型个性化定制文旅设施的市场需求量也将显著增加1。自首台套大型框架秋千于 1996 年投入使用43作者简介:张玉坤，男，1982 年生，高级工程师，邮箱:eudl163 com以来，世界各地已有超过 80 台运营，它的运动形式与荡秋千相似，结合了跳伞和悬挂式滑翔的元素，又充分保障了乘客的安全，一经面世就广受好评，被称为娱乐行业中最受欢迎和最安全的“极限之旅”。目前现有世界上最高的框架无动力文旅设施高度为 91.4 米，位于佛罗里达 Fun Spot USA公园，国内还未有类似产品。因此，国内迫切需要研制一款大型框架秋千来丰富刺激类文旅设施的种类。本文项目作为国内首创、世界最高的框架秋千，设备体量大、安装困难、安全与环保标准高，对设备的研发与现场施工都提出了更高的要求，其中拱形塔结构研究是本项目的关键技术难题之一。2设计分析拱形塔结构体系复杂，工程所处地理位置和环境特殊，设备运行时对结构的强度、顶部变形量、整体稳定性、安全等级等方面要求高，结构分析难度及现场施工难度都很大，且拱形塔约占整个项目结构重量的 58%，其用钢量直接关系到项目总造价。21研究设计依据根据地勘报告确定设计依据，场地属于侵蚀山谷阶地地貌，原始地形为斜坡，现状地形基本为在原始地形堆载素填土。本设计在原有鹊桥原桥墩基础上进行，根据鹊桥原桥墩位置及运行需求，确定拱形塔框架的整体尺寸，宽 87.6m，高 79m，距地面高 100m;22主体结构形式经过调研和考察，发现框架结构主要有 A 型结构和拱形桁架结构两种。A 型结构由两根向中间倾斜的钢管和顶部连接钢桥组成，设备结构简单，稳定性稍差，通常需要斜拉索增强结构稳定性;拱形桁架结构稳定性好，不需要斜拉索，便于装饰布景，造型美观，且便于检修维护，用钢量较A 型结构大。故最终确定采用拱形桁架结构。主结构确定为拱形桁架结构后就要确定结构的横截面形状和构件的截面形式。传统的钢结构横截面为多边形见图 1。一般来说边数越少，用材越省;边数越多，耗材越多，外形也越丰满。这主要是由于边数越多，杆件数目越多，相应节点耗材增多，用以维持截面几何稳定性的横隔材料增多。本项目中三边形可以满足可以满足设计需求，且节省建设材料2。图 1钢结构横截面形状构件的截面形式通常采用圆钢、角钢、钢管等模式，分别具有各自的优缺点，通过表 1 对比，本项目选择钢管作为构件的截面形式。表 1构件截面形式对比表截面形式优点缺点圆钢单价低;安装、维修便利用钢量大;节点多;防腐处理繁琐角钢取材方便;连接方便;施工速度快风阻力大;材料受压各向异性;大规格材料缺乏，不宜用与大型塔架钢管体型系数小;风阻力小;受压各向同性;闭口截面，抗扭能力优于角钢;规格多样材料单价高;连接用钢量大单管塔风阻小;占地小;工期短;变形大，多用于对变形要求不高的通信塔、照明塔等本项目塔体高、拱形塔跨度大、抗震及风载要求高，经上述对比，确定拱形塔采用三角形空间管桁架结构，三角形管桁架结构具有以下优点3:1)结构整体性能好，抗侧力强，杆件之间传力明确。2)轴向抗压能力强。3)节点连接方便，主杆与腹杆采用相贯线连接，无需节点板，使得钢管内不与空气接触，防腐性能强，规避钢管内无法补漆的缺点。4)结构外形美观，可满足各种不同形式的要求，尤其可构筑拱形曲线的建筑。三角管桁架结构给人一种视觉上宽敞、明亮、轻巧的美感。4 5)结构整体刚度大，施工吊装时不易变形，施工方便。风荷载是拱形塔的主要控制工况，对结构产生的水平力很大，导致结构底部弯矩较大，顶部较53张玉坤:拱形塔设计及安装2022 年 12 月第 6 期小，根据此受力特点，本工程结构采用变截面设计。故拱形塔最终采用变截面三角形空间管桁架结构，其具有强度高、刚性大等优点。变截面包含两种形式，一是整体结构外形变截面，钢结构底部框架三角形边长大，由下向上渐变，越往上三角形的边长越小。二是钢构件断面变截面，结构底部选用直径大、管壁厚的钢管，随着高度变化向上逐渐采用直径小、管壁薄的钢管。本设备同时采用两种变截面形式相结合的方式，其一为三角桁架结构为变截面，拱形塔底部为边长为 7 米的等边三角形，顶部为边长 2 米的等边三角形;其二主杆钢管为变截面结构，底部主杆钢管 720 30，顶部主杆钢管 245 12。23仿真计算分析由于结构复杂、安全要求高等原因，需通过PKPM 和 3D3S 两种软件进行仿真计算及结构优化见图 2 5，确保计算结果的准确性。优化过程将计算结果中薄弱杆件加强，将强度过大的杆件适当减弱，充分利用各杆件的性能，得出最优结构，既保证设备的安全性，又达到经济性的目的。图 2极限工况下拱形塔杆件应力比分布图图 3拱形塔极限工况最不利内力包络图(kN)图 4拱形塔运行工况最大正位移组合图(mm)图 5拱形塔三维结构图钢结构杆件的连接采用等强连接的原则，即各杆件的各个横截面最大正应力都等于杆件的许用应力，并且满足材料最大应力的要求5。拱形塔有三根主杆，主杆受力大，需采用全熔透焊接连接，在不同的垂直力影响下，全焊透材料的应用结构应力值明显小于非全焊透结构的应力值6。考虑到工程进度、环保、现场焊接工作、施工吊装、结构防腐及运输等多方面因素，总体结构在车间分段预装配，拆开运到现场组装后，再吊装施工。通过仿真计算进行结构优化，专家论证、变截面研究，优化结构形式，继而深入研究钢结构的杆件连接方法和分段方案，实现结构强度大、质量轻、便于安装、现场焊接量小、后期维护方便等研制目标。3拱形塔安装施工拱形塔现场施工存在以下两个难点，分别为632022 年 12 月第 6 期总第 280 期冶金设备土建基础的特殊设计和拱形塔现场安装核验和安装方法。研究解决上述技术难题，以此实现了设备成功落地。31土建基础研究拱形塔的土建基础具有载荷大、位置险、地质差等特点，且拱形塔的基础要在原有鹊桥基础上改建，基础研究需充分考虑原有基础与新建基础有效连接方式和周围环境影响等因素。通过计算基础载荷，根据受力情况分析安全可靠、减少土方量、节约工期的基础结构形式。基础受力坐标系如图 6 所示，水平向右为+X 方向，竖直向上为+Y 方向，垂直纸面向里为+Z 方向，即 Z 为高度方向，向下为正，当 Z 值为负时表示基础受拉。图 6柱脚布置图由表 2 可以看出拱形塔的柱底内力中弯矩和水平力非常大，基础的大小主要由抗倾覆计算控制，且根据高耸结构设计规范要求，基础底面不允许出现零应力区，如若采用天然地基基础，则需要通过加大底面积增加基础自重来抵抗基础的倾覆，混凝土用量较大。根据本项目所在地实际地质情况，经过研究对比分析，最终决定通过采用岩石锚杆基础，实现基础与山体和原有鹊桥基础的紧密结合。此种基础既能抵抗柱底水平力和弯矩产生的倾覆，又能将基础底面积减小，同时节省混凝土及钢筋用量、减小开挖量、降低造价7，数据对比见表 3。拱形塔基础采用柱下独立基础设计，充分利用原有鹊桥基础，通过计算，采用增大基础底面积及高度的方式对原有基础进行改造。考虑到拱形塔底部水平推力较大，研究时将基础与两侧山体岩石连为一体，从而充分利用两侧山体岩石的强度抵抗较大的水平推力。新旧基础交界面处也采取特殊处理，除涂抹混凝土界面剂外，还梅花型布置植入了短筋，以增加新旧基础结合面处的抗剪和抗拉强度。表 2拱形塔 B1 柱底内力表拱形塔柱底内力立柱力/kN弯矩/kNmB1FXFYFZMXMYFXMIN392.8 732.4 3920.5 135.2170.6FXMAX523.7922.13577.273.1