目前我国的电力系统正在稳步向前发展,电网建设的规模也是越来越大,庞大的电网系统使得电网的结构日益复杂,从而也导致了电网系统的安全问题变得更加严重。为了保证我国电力系统的长足发展,必须高度重视电网的结构安全问题。而且从目前的形势来看,电力系统的经营和发展越来越与市场接轨,正在一点点向企业化的经营模式迈进,因而电力系统的投资成本也成为相关企业极为关注的一个问题,而如何在保证电力供应的质量的同时还能够降低成本则成为电力企业的关注重点。网架优化问题是十分繁琐和复杂的,其需要考虑的对象和研究的阶段都很多,而且在网架优化的过程中遇到的不确定因素也很多,需要相关的工作人员考虑全面。
提到输配网的网架结构,首先应想到的就是网架结构的具体构造的灵活性,这是一切优化改进的根本之所在。考虑到我国电力系统的现状,电网建设的规模越来越大,电网的结构也越来越复杂,因而当对网架进行优化处理时,首先需要考虑的就是构造的灵活性。此外,工业的生产、人民的生活都离不开电力的供应,这就更加要求电网的可靠程度要得到保障。与此同时,经济的发展也促进了我国城市的建设,城市的发展一旦加快,就会对电力系统有更高的要求,需要构建的输配网的网架也会更多,这也要求了输配网的网架必须具备灵活机动的特点。
此外,考虑到现在电力企业的企业性质和发展模式,网架在优化改良的时候必须把经济性的原则放在极为重要的位置上。因此,在建设网架时就需要选择性价比高的材料。
对于网架的结构优化来说,有很多原则需要遵守。因为我国目前大力倡导可持续发展,所以在构建网架的时候,必须要保证网架的耐用性能和稳定性能。经济发展是国民发展的命脉,必须要高度重视,而电力系统则为促进经济的发展做出了巨大的贡献,更应该受到人们的关注。
对于城市的电网来说,因为其承担了城市居民较大的负载,电力系统相对来说比较脆弱,所以必须要加强电网方面的建设,提高输配网的承受能力。考虑到城市的特殊性,电网的网架还必须具备较强的抗干扰能力。城市的电力系统如果一旦瘫痪,出现大范围的电力故障,不仅仅使居民的生活受到困扰,附近工厂的正常生产、企业公司的正常运行都会受到很大的影响,带来极为严重的经济损失。
输配网的发展和配置水平不仅决定了输配网整体适应性的高低,还决定了变电站的电网结构,所以,对输配网网架结构进行优化,一定要遵循相应的原则,在输配网网架结构优化过程中,应遵循的原则有三种,分别是:稳定性原则,适应性原则,以及可靠性原则。稳定性原则和适应性原则是前提和基础,而可靠性原则是另一种需要考虑的原则范围。
可靠性原则是指:当电力需求提高时,为了保证用户能够进行正常的作业、用电,在线路出现一系列的问题时能够保障应急线路快速的应对响应突况。稳定原则是指:当线路的负载增加时,运用合理的优化配置使得线路的电流分流增加,从而提高线路的使用率。适应性原则指的是:通过各个地区不同的供电需求设计和分配适宜的供电系统和供电发展模式,保证相应地区的输配网使用率达到较高水平,增强供电能力。
对于输配网的优化内容主要包括以下三个方面,这三个方面分别是:对线路构成的分析,对主干线路长宽的分析,以及对相应的输配网网架的使用年限进行分析。对这三个优化内容进行分析,能够对不同区域的主干线路的使用率以及使用状况进行合理的分析,对供电线路的稳定性和输配网络的安全性能进行量化,促进企业对输配网的后续布局和优化,为企业提高线路的使用率,降低线路的安全隐患奠定了坚实的基础。
根据电网所能承受的最大电压的不同,优化算法的实施方案也会有很大的差别。对于输电网来说,如果它能承受的电压比较高,那么优化算法的重点就要放在高低压的变电站之间的连接上。因为高压的输电网所用的变电站的数量比较少,所用的变电站的位置也相对比较固定,而且变电站的位置大多远离市中心,所以线路连接起来也比较容易。
对于中、低压配电网来说,其所用的变电站的位置大多在市区里面,线路的分布也会受到街道排列的影响,所以在实际的线路连接过程中会有很大的难度。这种类型的网架优化有它自己的独特性,具体特点如下:第一,中、低压的配电网网架的运行方式为开环,同时采用分阶段进行联络的方式;第二,配电网需要承载的负载较多,而且负载的分布相对不算集中;第三,变电站的位置大多在市区内部,线路规划会受到街道排列的影响。正是因为上述这些特点使得中低压配电网网架的优化明显不同与高压输电网。
对于电力系统来说,输配网的网架结构属于极为重要的一个组成部分,而且平心而论,目前我国在输配网网架的结构优化方面的水平还不够高,只是初步应用了信息技术,还有很多的局限和不足,现阶段人工智能技术只是使数据的计算变得更加容易,但是对于算法的挑选还是需要人工设定,如何智能挑选算法也是今后需要进行研究的一个方向。除此之外,我国对输配网网架问题的重视程度不够,对输配网网架的研究力度也不够,这些都导致了我国网架优化的水平不高。因此,为了我国电力系统的整体发展,必须高度重视对网架优化问题的研究。
[1]陈小飞.萧山10kV输电网网架结构与经济性、可靠性分析研究[D].浙江大学,2014.
[2]胡珊.屋顶网架结构健康监测系统的设计与研究[D].武汉理工大学,2013.
现有的农村配电网由于网络结构不太合理、缺乏统一规划,存在网架结构比较薄弱、安全可靠性不高、线路损耗大、布局不合理等问题,不能很好地保证电能质量。因此,对农村电网必须进行合理地规划设计,采取有效措施适应农村电网供电的特殊性,大幅度地提高供电质量和可靠性,使农村电网安全、经济、可靠地运行。
对农村电网现状,大部分地区的分析还局限于统计现有的电网状况,未能深入细致地分析规划要求和内容,出现了基础数据收集不全、文字表述不清、前后数据不对应、数据不准确、负载率和容载比概念混淆等问题。
(1)由于目前一些从事农村电网规划的人员缺乏负荷预测方面的专业知识,在进行电力需求预测时完成的电力需求预测准确度不高,收集的历史数据不全,负荷预测的最终结果不准确。大多数地区没有对电气二次及配网自动化进行全面的规划,只有少数仅仅是介绍建设规划方案的系统,对设备、材料的选择,技术的要求和管理工作方面缺少规划,没有结合实际。
(2)投资估算不准确的现象也屡见不鲜。单位工程造价由于没有统一的规范,再加之缺乏经验和技术的指导,使单位工程缺乏可比性和统一性,投资方面差别较大。并且经济效益分析简单也是农村配电网规划方面的弱点。这是由于对规划实施之后的电网结构未作深入、全面、细致、科学的分析计算,缺乏规划前后线损率、供电能力提升、供电可靠性等一些重要指标的对比。
(3)农村配电网规划和目前新农村建设的要求不相适应。众所周知,服务于新农村建设,服务于三农工作是电网公司的责任,然而直到现在都几乎没有关于农村配电网规划中适应不同功能定位的村级低压网规划。
(4)电压、无功缺乏有效的、专项的规划。因为无功补偿能降低网络损耗,保持网络无功平衡,所以,它对电力网建设和改造十分重要。目前,在农村配网规划中,没有进行对无功补偿电压损失率和电压损失等的分析,由于现有的配电变压器布点不足、无功补偿容量欠缺、配电网导线较细等原因,导致农村电网电压的合格率较低。近几年,农村家用电器开始普及,彩电、电冰箱、电饭锅、空调、电磁炉等数量快速增多,用电负荷快速增长,农村配电网线径小、配电容量小、供电可靠性低的现实制约了新农村建设的发展。
研究调查农村电网规划的主要内容有电网的线路损耗率、供电可靠性、电网的电能损失、各主要线路的电压损失、供电能力是否满足现有负荷的需要和设备的使用情况等。农网规划与改造的基础是负荷预测,规划方案的质量与其准确性直接相关。在电网规划范围内搜集和调查各个生产部门的人日常生活用电的变化和发展计划的资料,运用负荷预测的方法再根据资料,测算用电负荷分区,然后依照预测结果做电网规划。在做电网规划时,依据负荷预测的结果来确定电网结构的原则和规划的总体目标。此时,要综合考虑农村电网供电的特殊性和电网规划的整体性。在对农网网架结构的研究中,需要从整体上来规划农网网架结构,再根据农村的各变电所确定最佳的地理位置和布局、线路路径、输配电线路的接线方式、输配电线路和变电所的建设进度,同时还要确定通信、自动化、调度的要求、规模和保护的方式。农网规划的目的是减少线路的电能损失和电压损失,降低线损率,提高供电可靠性。所以,需要分析和计算农村电网规划前后的各项指标,预测规划期末扩大供电能力后取得的社会效益和经济效益。
目前,在实际中普遍采用数学方法,以计算机为工具对电网进行优化规划,这里的数学方法主要包括数学规划方法和启发式方法,下面对这两种方法进行介绍。
数学规划方法研究规划问题中各因素或变量间的相互关系,从整体对问题进行考虑,相对启发式算法而言,在理论上数学优化方法更为优越。数学规划方法主要包括非线性规划、线性规划、混合整数规划、动态规划和整数规划。
(1)数学规划方法中的非线性规划法的目标函数与工程实际更为接近,十分精确,但是求解方法的难度也更大,用这种方法所得的结果和真正的最优方案同样可能存在偏差,这是因为用的是连续变量模拟离散变量。
(2)线性规划法研究是发展最成熟的方法,在实际工程中非线性问题是用的简化措施将其线性化,再用线性规划法对其求解。线性规划具有求解速度快和计算简单等优点,但是这种方法不能考虑配电网规划的离散性,导致结果不满足约束条件或者偏离最优解。
(3)混合整数规划法不仅给出了最优的发电机出力的调度计划,确定了最佳电网结构,而且模型中还考虑到线路的损耗,在经过线性化处理之后,求解就可以调用标准的数学优化程序来进行。
(4)数学规划方法中的动态规划是一种分阶段考虑问题的方法,它是把一个问题变成几个子问题来考虑,这样可以过渡和协调多阶段规划问题各阶段间的方案,然而这种方法的缺陷是计算时间较长,如果系统的规模比较大,则计算量会更大。
(5)整数规划解的数目是有限的,因为它考虑到配电网规划的离散性。这种方法适合解决小规模的问题,但是待选线较多时计算时间会较长。
随着电网规模的扩大,传统的数学优化方法的局限性也日益凸显。采取一些智能优化算法能够得到实用性较好的电网优化网架,所以,在电网规划中各种基于人工智能技术的优化算法开始得到广泛应用。下面着重介绍四种智能优化算法。
(1)在电网规划中广泛使用遗传算法,它是一种模仿生物进化过程最终找到最优解的优化算法。遗传算法与传统算法不同,具有随机操作、隐并行性、多路径搜索等特点,对搜索
空间和数据的要求很低,仅采用适应性信息,不需要导数等辅助信息,适应的范围更加广泛。但是,遗传算法的不足,是可能收敛到局部最优解和计算速度慢等,对此,现在也正在进行研究和改进。
(2)求解电力系统的组合优化问题开始应用Tabu搜索。例如,配电网规划问题、警报处理、输电网络的扩展规划问题、短期负荷预测电压和无功控制、配电网络的故障恢复等。不过Tabu搜索法还有待进行进一步的研究,这是由于收敛受到初始解的影响,导致无法从数学上证明最终的结果和搜索的效率一定能达到最优解。
(3)模拟退火算法主要模仿热力学中液体的结晶和冻结的退火和冷却过程,它是一种随机搜索技术,适用于大型组合的优化问题。这种方法能够有效防止造成局部最优,而且还保
留了局部搜索的简单性和通用性。它的不足之处在于存在多个最优解,而且算法的运行时间较长,适合同其它方法结合使用。
(4)蚁群算法是新型的仿生启发式优化寻优算法,它构造人工蚂蚁利用蚂蚁群觅食的机理,让人工蚂蚁选择前进的路径,再经过反复迭代,使大部分的蚂蚁沿最佳的线路完成搜索。求解组合最优问题适宜用蚁群算法。蚁群算法的寻优能力和效率都比目前已有的其它现代启发式优化算法强,应用前景十分广阔。
针对现有的农村配电网存在的问题,希望各级政府和电力部门根据当地的社会经济发展,加强对规划报告的评审、实施、编制的管理,合理规划农村配电网网架结构,提高供电可靠性和供电能力,有效降低网络损耗,最大限度地满足电网的自身发展和用电需求的增长,满足农村经济发展和人民生活质量不断提高的需要,做好农村配电网规划和农网建设的衔接工作,确保农村配电网可靠、安全地运行。
[1]张宁,任玲.农村配电网网架结构规划方法研究[J].农业网络信息,2011,(6).
[2]夏泽中,施三保.农村电网改造规划方法的研究[J].农机化研究,2006,(9).
相对于城区电网来说,农网的拓扑结构要简单、清晰,但由于负荷对电能可靠性要求等其他原因,一般都会有小型发电厂,且通常均为小容量机组,即系统除了通过若干220 kV、110kV变电所接受区域大电网电力以外,往往包括多个110 kV及以下并网发电的若干电源点,从而使得电网不是单纯的放射型单方向模型,需要通过建立数学模型来确立电源点的建设和系统接线 农网网架结构优化方法的选择
负荷预测是电力系统规划工作的基础,在负荷预测的基础上一般应结合区域规划进行负荷分布分析,进而确定负荷平衡结果,即确定变电所的分布和容量规划,在负荷预测和变电所布点确定的基础上进行网络优化规划。一般来说,网络规划的目标是满足系统有功负荷的最优网架设计,有静态规划和动态规划之分。静态规划考虑的是针对某一负荷水平进行网架规划,一般从基准年开始按年度进行,需考虑现有的网架,同时后一年的网架结构规划需将前一年的网架设定为已有网架,因此,每规划目标年的网架规划既要瞻前也要顾后,做到从时间序列上的前后协调相互呼应,从而节约建设投资。但规划设计方案的评价指标一般考虑整个规划期的总的性能指标最优来评价方案,而且往往加入投资分析,甚至列入资金的时间价值,因而称为动态规划。网架规划优化方法常用的有两类,即启发式方法和数学优化方法。数学最优方法是通过将电网规划问题用数学化模型进行描述,然后采用一定的算法求解,从而获得满足系统要求的最优规划方案。该类方法从理论上将可以保障方案的最优性,但一般要求得最优解需要很大的计算量。启发式方法则是通过定义方案运行性能以及投资需求等综合指标,根据一定规则对线路进行逐步迭代选择直至得到满意的最优解。该类方法难以保证方法的最优性,但计算量较数学优化方法要小,计算较为方便且便于与规划设计人员的检验相结合,因而是一种更为经济而实用的方法。
根据所确定的衡量安全性指标的不同,启发式方法分为基于支路性能的启发式方法和基于系统性能指标的启发式方法。基于支路性能指标的启发式分析方法中,线路的选择是根据系统运行时线路功率传输情况来实现的,常选用的有线路是否能满足负荷要求或者线路过负荷程度等指标;而基于系统性能指标的启发式方法中,线路的选择是根据线路对系统运行时整个系统的一个特定运行性能指标的影响程度来实现的,常选用的指标有系统缺负荷大小指标等对线路的逐步选择。
基于线路指标的启发式网架规划方法分为逐步倒退法和逐步扩展法两种。逐步倒退法是根据目标年数据构成一个虚拟网络,该网络除了已有线路以外,包括所有待选的线路,这样,构成的就是一个冗余度很高但不经济的网络,然后采用潮流模型对该网络进行分析,比较各待选线路在系统中的作用和有效性,逐步去掉有效性低的线路,直到网络没有冗余线路为止。而采用逐步扩展法是根据各待选线路对过负荷线路的过负荷量的消除的有效度,选择适当的线路到现状网络上,直至网络无过负荷为止。为计算各待选线路的有效度,需要进行变结构时的潮流计算。
基于支路性能指标的启发式方法有计算简单灵活等优点,但由于通常是独立地考虑各待选线路的作用,无法直接体现系统充裕的大小等性能指标,而基于系统性能指标的启发式方法则能体现系统性能指标,从而可以从整体上识别薄弱环节并充分考虑各待选线路对系统的整体影响来选择最佳扩建线 网架结构的数学优化方法
网络优化的数学化方法可以分为确定性和不确定性两种优化方法。传统上采用的常常是确定的网络优化方法,即将规划问题表达成确定性的优化问题来进行求解。但随着规划的环境以及相关要求日益复杂,且负荷、设备费用、线路路径等因素均具有不确定性,这些不确定性对电网规划有较为显著的影响,因而在规划中考虑不确定性因素是必要的。按照考虑不确定性因素特征的不同,不确定网络优化有分为随机优化法和模糊优化法。随机优化法常常用于事件是否发生以及发生的时刻存在不确定性的情形,而模糊优化法则常常用来处理有关事情表达不清晰的这种不确定性的情况。在通常情况下,在满足对保障负荷电能供应的前提下,可能有多种架线方法和导线截面的选择,要对多个方案进行比较选择,则需要选择目标函数,在电网规划设计中常用到的目标函数有网架建设总投资、电能损失、维修运行费用为目标函数。由于电能的特殊性,需要考虑各种约束条件,如电压范围、线路的长期极限传输容量限制等。因此,网架优化过程实际上是目标函数与约束条件、状态参数之间的协调处理过程。
网络规划法是针对网络的拓扑特性所提出来的一种数学规划方法,也是在线形规划中专门处理网络问题的一种特殊算法。数学上把图看作节点和弧的集合,弧是连接在两个节点之间的有向线段。在电力系统中,节点就是接受电力或者发送功率的发电厂、变电所或者负荷点,弧就是线路。这种优化网架方法在电力系统网络优化中常用的数学模型有最少费用法、最短路径法、费用最小最大流法等方法。
结合农网高压配电网结构特点,选用支路交换法来进行这种辐射式结构的高压配电网的优化计算较为适用。采用该方法是从一个既定的辐射式电网开始,增加一条闭合联络支路后使辐射型网络变成一个闭合回路,然后将某一条支路断开,恢复网络的辐射型结构,并按照给定的目标函数对新构成的辐射型网络进行计算。重复上述计算过程,直到目标函数值最好为止,对应的网络即为所选用网络接线。采用这种方法简单实用,但只能达到局部最优解,对于农网来说,一般规划年需要新建的高压(110 kV及以上)线路是局部的,因而采用支路交换法可以满足其要求。一般地对于既定的系统接线,考虑到节约投资,其改建项目的实施相对于系统网损等指标来说往往是不经济的,且由于受电压、可靠性等电网分析计算的约束性条件的影响。在工程实际中,其高压配电网往往是通过对新增支路,以及由于负荷的增长需要改建的线路的多个建设方案的比较,来确定规划年内网络结构的优化方案。在分析中,我认为需引入动态经济比较的概念,而对于网络优化设计方案来说,结合个人设计方案比较的经验来看,最适用的经济方案比较以年费用比较法较为适合。
当新建或者改建线路对支路潮流仅是局部影响时,只需对所需考察的支路进行网损最小分析。 采用最小网损作为目标函数,即函数为:
计算步骤二:先计算电网的潮流分布,再找出与本次计算相关的支路,即列出目标支路集合,交换支路前辐射型网络网损计算。
计算步骤三:第一次支路交换后,重新进行潮流计算后,在潮流计算结果的基础上进行支路交换后的辐射型网络网损计算。
在电力系统规划设计的实际应用中,单纯采用以上支路交换法优化网络接线是不够的,应该结合经济比较,即在对方案进行投资分析计算的基础上进行比较,从而得出经济的方案。常用的方案比较方法有最小费用法、净现值法、内部收益率法、折返年限法,每种方法又可以演化成不同的表达式。最小费用法是电力系统规划中较为普遍的方法,适用于比较效益相同或者效益基本相同,但难以具体估算的方案。最小费用法通常有以下三种不同的方案:费用现值比较法、计算期不同的现值费用比较法和年费用比较法。费用现值比较法是将各个方案基本建设期和生产运行期的全部支出费用均折算到计算期的第一年,现值低的方案是可取方案。对于不同建设期的方案则一般按照方案中计算期最短的进行计算,及计算期不同的现值费用比较法。
年费用比较法是将参加比较的诸方案计算期的全部支出折算成年费用后进行比较,费用低的方案为经济上的优越方案。其表达式为:
在比较方案部分费用相同的情况下,可以采用只考虑有差别的费用的年费用比较法,即只考虑差别部分的费用的比较,这种方法将初始投资差额以及末期残值差额折合为年费用或者年值,再综合运行维护、改造等运行年需要投入的差别费用,比较即可以得出经济最优方案。对于农网电力建设项目,笔者推荐使用这种简化了的年费用比较法。
结合农网作为辐射型受端电网的特点,用支路交换法来进行这种辐射式结构的高压配电网的优化计算,虽只能达到局部最优解。对于农网来说,一般规划年需要新建的高压线路是局部的,因而采用支路交换法可以满足其要求。在工程实际中,其高压配电网往往是通过对新增支路,以及由于负荷的增长需要改建的线路的多个建设方案的比较,来确定规划年内网络结构的优化方案。在分析中,文中引入了动态经济比较,并提出对于农网采用有差别的年费用比较法最为适用。
[13]李林川.夏道止等.电力系统电压和网损优化计算.电力系统及其自动化,1995.7.
[5]中电联供电分会技术管理专委会.城市配电网优化的指导意见.2003年.
[6]杨捷.城区电网规划的研究和应用[硕士学位论文].西安:西安交通大学,2003.
某火车站进站大厅上方,结构形 式为7 m×7 m 网格的双向正交斜放平板网架,双 向跨度为42 m×42 m,网架高度为3 m,周边柱 点支承,网架位于支座上方.由于网架上弦杆节 间有集中荷载,增设了再分式腹杆.网架屋面排 水坡度的形式是采用整个网架起拱,三坡排水, 中心部分初始起拱高度为0.63 m.网架杆件材料 均采用A2 号钢、双等肢角钢T 型截面,少数竖 杆采用4 根等肢角钢十字型截面;节点构造采用 焊接钢板节点,由十字节点板和盖板组成.
该网架原设计是按《钢结构设计规范》的要求采用梁系 差分法进行设计的,1977 年设计施工并投入使 用,2001 年11 月进行可靠性检测鉴定.检测结 果表明,跨中挠度小于规定的允许挠度,但与支 座相连的部分原设计为零应力的杆件发生了平面 外变形,杆件内部产生了压应力,杆件长细比不 满足稳定性要求.本文对用于分析双向正交斜放 平板网架的交叉梁系差分法和空间桁架位移法进 行了比较,指出了交叉梁系差分法存在的问题. 以现行规程[2]和计算分析结果为依据,网架 杆件的截面根据承载力和稳定性的计算和验算确 定.该网架2001 年12 月进行加固改造,此时部 分荷载已卸除,包括吊顶荷载,马道荷载和吊灯 荷载.本文加固改造是基于上述条件下进行的.
网架是一种高次超静定空间杆系结构,要完 全精确地分析它的内力和变形是相当复杂和困难 的.常需采用一些假定,忽略某些次要因素的 影响,使计算工作得以简化.网架杆件之间的连 接可假定为铰接,且忽略节点刚度的影响,不计 次应力对杆件内力所引起的的变化.模型试验 和工程实践都已表明:对空间网架结构构件的铰 接假定是完全许可的,所带来的误差可忽略不计, 现已为国内外分析计算平板形网架结构普遍 采用.由于一般网架均属于平板形的,受荷后网 架在板平面内的水平变位都小于网架的挠度,而 挠度远小于网架的高度,是属于小挠度范畴内 的.也就是说,不必考虑因大变位、大挠度所引 起的结构几何非线性性质.此外,网架结构的材 料都按处于弹性受力状态而未进入弹塑性状态和 塑性状态计算,亦即不考虑材料的非线性性质(当 研究网架的极限承载能力时要考虑此因素).因 此,对网架结构的一般静动力计算,其基本假定可归纳为:
网架的计算模型大致划分为3 种:铰接杆系 计算模型;梁系计算模型;平板计算模型.铰接 杆系计算模型是离散型的计算模型,比较符合网 架本身离散构造的特点,这种计算模型把网架看 成为铰接杆件的集合,未引入其它任何假定,具 有较高的计算精度.后2 种是连续化的计算模型, 在分析计算中,必然要增加从离散折算成连续, 再从连续回代到离散这样2 个过程,而这种折算 和回代过程通常会影响结构计算的精度.
为了求出网架的内力和变位,网架结构的分 析方法大致可分为:(a)有限元法,包括铰接杆元 法、梁元法等;(b)力法;(c)差分法;(d)微分方程 近似解法.
交叉梁系差分法可用于由平面桁架系组成 的网架计算.我国在没有大量专用程序电算网架 之前,工程设计中遇到这类网架的计算,几乎都 普遍采用这种简化为梁系差分的分析法.其基本 假定如下:
将网架中的每榀平面桁架简化为等 刚度的梁,梁的高度与网架高度相等;2 交叉梁 在相交处的竖向位移相等;网架全部荷载集中在 各交叉点处;不考虑梁的剪切变形的影响,并认 为梁的抗扭刚度为0;假定网架节点均为铰接, 所有杆件只承受轴向力,梁的弯矩由网架的上、 下弦杆承担,其剪力由腹杆承担.
用差分方 程近似地代替微分方程及其边界条件,把微分方 程的求解改变为线性方程组的求解,以简化解题 工作.该方法一般不计剪切变形和刚度变化,可 以直接查用计算图表.
空间桁架位移法是一种铰接杆系结构的有 限元分析法,以网架节点的3 个线位移为未知数, 采用适合于电子计算机运算的矩阵表达式来分析 网架结构,该方法的使用范围不受网架类型、平 面形状、支承条件和刚度变化的影响,而其计算 精度也是现在所有计算方法中最高的,并常以此 法作为各种简化计算方法计算精度比较的基础. 双向正交斜放网架的2 个方向桁架的跨度长 短不一,节间数有多有少,靠近角部的短桁架刚 度较大,对与其垂直的长桁架起支承作用,减少 长桁架跨中弦杆受力,使长桁架在其端部产生负 弯矩,使跨中弯矩减少,对网架受力有利.网架 4 角隅处的支座产生拔力,应按拉力支座进行设 计.但网架支座设在上弦节点和下弦节点有所区 别,尤其对与支座相连的下弦杆的受力影响较大. 采用交叉梁系差分法进行应力分析的结果 表明,与支座相连的下弦杆件为零应力杆;在双 向正交斜放网架设计中,这些杆件的截面面积往 往很小,长细比较大.而采用空间桁架位移法分 析时,这些杆件一部分受压,另一部分受拉,应 分别按压杆和拉杆进行设计.因而,本文认为, 交叉梁系差分法不适于分析双向正交斜放网架的 受力性能.对采用2 种方法计算分析的与支座相 连下弦杆的应力结果比较如图1 所示,图中的应 力系数为没有考虑稳度系数的应力值。
非预应力轴心受压构件的加固方法主要有2 种:(1)减小其计算长度(加附加支撑、横杆等); (2)增加构件截面.本文根据实际施工条件和经济 条件,采用2 种方法相结合.对一部分杆件采用 添加竖向支撑以减小一个方向的计算长度;对另 一部分轴心受压采用对称或不改变形心位置的加 固截面形式,极大限度地增加了截面的回转半径 和减小了纵向偏心力矩.
加固计算是以保证已有和附加断面共同工作 为基础,考虑了被加固压杆负荷条件下的工作状 态和初始应力,同时也考虑了被加固杆件的锈蚀 影响[9],没有考虑加固构件和被加固构件截面塑 性工作阶段的应力调整.
加固构件的连接是以焊接来实现的.在一段 时间范围内,对于荷载作用下的被加固杆件,其 焊接变形的存在将是决定加载的主要因素.为了 减少焊接变形的影响,当构件被压紧后,先在夹 具安装处对构件进行点焊,然后着手焊接主要焊 缝.这样就可以保证,当主杆有微小过烧时,加 固构件与主杆能共同抗压并使焊接变形大大减 小.最后以间断焊缝完成加固构件的最终焊接.间 断焊缝的不足是其始端和末端会出现应力集中, 但间断焊接可减小焊接时的变形,减少焊接工作 期限和减小熔融金属量.
增加腹杆时,先将缀板与原节点板或原杆 件进行焊接,然后将腹杆与缀板进行焊接.
施工过程中对具体施焊工艺方案、施焊焊 工资格认证、施焊电流、焊条直径和环境温度均有相应要求.
因角钢平板网架在受力工作状态下施焊加固 作业,具有相当的危险性.主要是由于施焊点的 局部焊点温度可高达1 200℃以上,可使钢材受力 杆件截面发生软化,从而造成应力失效而发生事 故.因此对杆件最大应变变化量和节点挠度变化 量给出了控制值并进行了现场监控.
经本文的设计与方法加固后的网架结构可满足现行规 范要求,加固方法简单、可操作性强;加固后的 网架目前使用状况良好.本文可以得出如下结论:
采用交叉梁系差分法和空间桁架位移法 分析双向正交斜放网架,存在一些差异,尤其是 与支座相连的下弦杆的内力.
(2)网架结构的压杆加固是为了满足稳定性 要求.加固方法主要是减少计算长度、增大回转 半径和增大截面面积.加固分析中需考虑原有杆 件的受力状态.
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近年来螺栓球节点网架因其造价低、工期短、易装修、外形美观而得到了广泛应用,使网架屋盖受到建筑界人士的普遍认可。本文结合鲁商蓝岸丽舍午山小学工程浅谈螺栓球网架结构安装的一点心得。鲁商蓝岸丽舍午山小学项目位于青岛市崂山区,东北南三面环山,西侧的松岭路是崂山区南北向的一条主要交通干道,可直通海滨;南至南崖路,与青岛第二中学隔路相望;北至翠岭路、午山路,与青岛市高尔夫球场隔午山相望;东至规划中的环午山西路,与午山山脉相依。该工程建筑面积1.7万平方米,质量要求为合格。本工程车库部分地下一层, 行政楼地上2-4层,搭设高度18.6m;教学楼4层,建筑高度15.6m,;车库及主体为框架结构,层高3.9米。风雨操场采用网架结构,屋架为正方四角锥螺栓球形空间网架结构,其顶部大屋架为31m×22.5m的长方形,12根边长为0.6m的柱子分布在风雨操场四周,其顶部由12个支座支撑整个屋架。网架高度为1.6m。网架总的节点数为528个,总的杆件数为1264根。午山小学风雨操场网架外形为平板形,屋架采用正交空间桁架结构体系。均支承在7.42m高的12个支撑混凝土柱上。屋架所有杆件均采用空心圆钢管,节点采用相贯线直接交汇螺栓球连接。四周悬挑部分为倒三角形的空间桁架结构,悬挑长度为3.8m。整个屋架以16个弧形支座为支承点,支座处节点采用螺栓球节点,支座选用金属弹簧抗震支座。网架四坡起拱,起拱高度为150mm。屋架结构是由纵向主桁架、悬挑桁架及支托组成的空间结构。高空拼装过程中,在屋面拉杆未安装前各构件的受力状况与设计受力状况是不同的,施工过程中的主要施工工况需计算核定。由于工程跨度大、重量大、构件尺寸大,在组装和拼装过程中的刚度、稳定性、挠度、杆件内力等要进行施工验算,必要时需采取加固措施。工程构件长度及截面尺寸都较大,整体连接必须在工地进行,这就要求对施工组织、工厂生产调度、构件运输调度等问题要精密组织,保证工地顺利拼装。控制屋架下沉量为本工程的难点之一。屋架安装需要根据安装方案进行工况计算,以满足拆除临时支撑后的工况内力接近屋架在该阶段的设计内力。为了保证网架的安装质量,网架杆件及钢球、屋面板等零部件在工厂加工制作好后,运至现场,网架安装必须待基础砼达到设计强度后,方进场安装。施工现场场地必须平整夯实,柱顶预埋件要求按图纸尺寸放置,预埋件的尺寸误差、水平标高应在公差范围之内。交通:运输有能进汽车至施工现场内的道路。钢球采用胎膜加工,原材料为45号钢。采用车床切边,加工允许公差为:直径偏差±1mm,球椭圆度偏差
毛坯锻造:圆钢棒料锯床 下料 炉 加热 胎模、空气、锤 锻打成形(球状)。
检验方法:用10倍放大镜100%检查钢球有无过烧、裂纹缺陷。用卡钳、游标卡尺检查球坯直径―D≤.120时允许偏差D;D>
120时允许偏差D,球的圆度≤120时,允许偏差值1.5MM,D>
120时允许偏差值2.5MM。工艺过程方法:球坯 车床 打工艺孔 车床专用夹具 分度车削螺孔端面 车床专用夹具 钻孔 车床专用夹具 攻螺纹 车床专用夹具 螺孔倒角――检查――至整个球孔加工完――检测。
①用标准螺纹规检测螺纹的精度6H级,数量:每种规格抽查5%,且不少于5只。
取受力最不利的同规格的螺栓球600只为一批,每批随机抽样3个钢球;在拉力试验机上进行抗拉试验,至钢球螺纹被剪断时的承载力值作为螺纹的抗拉强度。
本工程以计算机模拟理论为依据和指导,制定了详细的拼装方案。根据工程结构特点和施工现场平面布置情况,在地面搭设脚手架工作平台,在脚手架上平铺木板,然后在脚手架工作平台上组拼网架,网架的拼装采用空中散装法进行施工。根据网架结构的实际情况和左右对称的特点,为了减小网架在拼装工程中的误差积累,整体网架的组拼应从起步单元7轴、8轴之间开始,先组拼起步单元的纵横轴,随时校正尺寸,在认为起步单元网架无误后方可从中心向两侧展开。拼装过程中由扒杆将杆件吊装到位,在设计位置进行拼装栓接。 首先将原地面进行地基处理,确认能够满足承载力要求后再搭设脚手架施工平台,顶面采用1cm厚木板平铺,平台平面尺寸应大于网架1m左右,施工平台顶面标高应低于下层网架标高300mm。直接将单根杆件、单个节点拼装成网架,在拼装过程中每个节点的位置都应测量复核。起步单元的网架安装完成后,立即进行自检,保证所有节点处的螺栓紧固到位。进行定位电焊(每个支座处焊接3点),以保证网架在后面的安装过程中不产生位移。然后分别以起步单元为中心向两个方向同时拼装。 起步单元以外的网架采用空中散装法进行拼装, 首先拼装小单元,然后再总拼成网架,拼装时把网架根据实际情况合理地分割成小单元体,最后形成整个网架。首先选择1个上弦三角锥,用1根上弦水平杆、3根腹杆和1个上弦球拼出1个符合设计要求的单元锥体(见图2)。拼装时应将单元锥体节点球处的所有螺栓全部拧到位。拼完此锥体后应进行校正,下弦矩形对角线mm,符合上述规定即为合格,可以进行下一步施工。
拼完单元锥体之后即可进行整体网架的组拼。首先按照设计要求安装下弦节点,再安装水平杆件,调整无误后拧紧螺栓。安装下弦节点球时,为了防止网架下垂,应先在下弦节点球处搭设临时支撑架,对于有起拱的位置其临时支撑架顶面应符合设计标高要求。安装完下弦杆件即可安装上弦杆件,利用已经拼装好的单元锥体进行拼装,最后再安装斜杆,经调整无误后拧紧螺栓,这样就拼出一个完整的整体单元了。之后以此类推,拼出整体网架。拼装过程中应随时校正尺寸,确认符合设计要求后方可进行下一整体单元的安装。
严格按设计图纸和国家规范组织施工和质量检查,确保工程质量。构件加工实行“三检制”即个人自检测(初检)、车间中检、质检部终检。每一构件,用表格形式记录每道工序的加工操作者、检验者和质量情况。材料进厂必须有质保书,进厂后按规范进行抽检,检查钢材的化学成份和力学性能,必须符合规范和设计要求。网架杆件、锥头、封板、套筒、高强螺栓、紧定螺钉、支座均严格按照设计图纸要求制作。在制作全过程中,切实遵循经检验不合格的毛坯件及材料不投产,不合格的半成品不转工序,不合格的零件不拼装焊接。钢管开料及上述零件制作完成后,均应经质检部门检验,确认符合图纸要求方可拼装点焊。 拼装点焊杆件在专门拼装台上进行,钢管与封板(锥头)间的焊缝间隙两端均匀、尺寸保证、预留相应焊缝收缩量,确保杆件施焊后的长度。杆件焊接后,用超声波或磁粉探伤,检测焊缝质量。 螺栓球在制作过程中,从材料的化学成份及机械性能均应符合钢号的要求,毛坯应无裂纹,不圆度应在规定范围内,方能上专用机床上加工,并精确分度、切削平面、钻孔、攻丝。一个球完工后操作者应按图纸要求对照检查,打上钢印、编号并经质检部门检验认可后方可投入使用。网架杆件焊接后打上焊工代号钢印,责任落实到人。焊工经过国家有关部门考核合格方可上岗施焊。节点进行拉力破坏性综合试验,检查高强螺栓的抗拉极限承载力,杆件及焊缝强度、锥头底板(或封板)的抗剪强度。所有构件表面除锈后,才涂上除腐涂料。各零部件在安装前,按图纸进行复查,装配后用加力扳手检查网架螺栓的拧紧度,边组装边检查网架的标高。网架安装好,必须检查焊接部位是否可靠,用油灰堵上多余的球孔。
随着我国社会经济的迅速发展,网架结构的应用越来越广泛,其分析、设计和施工技术将不断完善。本工程风雨操场网架结构在施工过程中应用了许多工艺,通过上述技术措施,钢屋架的安装精度和焊接质量均达到有关国家标准和设计要求,为相关工程技术人员提供参考。
目前社会发展中,随着城市化进程的不断加快和城市能用土地的日益缩小,各种超高层、大跨度建筑结构不断的涌现了出来,给城市建筑事业的发展和兴起提供了必然依据。在这些建筑结构施工的过程中,其施工技术和施工要求都得到了人们的高度重视与关注。随着科学技术的发展,以高大跨度预应力混凝土梁为主的建筑工程施工技术日渐成熟,其施工手段和施工要求都得到了一定程度的完善与优化。这种建筑结构在施工的过程中聚集了大跨度、重荷载与高度为一身的一种结构模式,因此在施工的过程中就需要我们针对各个环节去进行系统、全面的总结和分析,尤其是在屋盖施工中,更是要得到我们深入系统的研究和探讨。下面就对钢结构网架安装施工及其组织进行探索。
钢结构网架安装工艺方法主要包括顶升施工工艺、升板机提升工艺、整体吊升工艺、高空滑移工艺、分条分块工艺以及高空散装工艺等等,在施工企业实施钢结构网架安装施工的过程中,要求施工企业必须要根据具体施工环境和施工条件来选择适合的安装工艺,安装工艺的选择直接关系到了钢结构网架安装的质量,更加是钢结构网架安装施工及其组织的关键部分,因此,实施钢结构网架安装施工及其组织首要任务就是选择适合的安装工艺。
钢结构网架安装施工及其组织的时间、方法以及质量这三者是整个全寿命周期管理最为主要的三大实施目标,这三者之间具有对立统一以及相互关联的矛盾关系,总的来说,这一种关系可以说是客观存在辩证的关系,是在钢结构网架安装施工及其组织目标控制整个系统里面唯物辩证法具体的体现,任何一个管理方法,都必须要对人和社会质量标准以及功能需求进行满足,与此同时,钢结构网架安装施工及其组织中任何工艺的使用价值都受到了一定的限制,具有明确的要求和进度,所以,钢结构网架安装施工及其组织的质量不仅是一种价值的标志,是实施方法的目标,更加是钢结构网架安装施工及其组织方法得到稳定实施的根本保障,我们只有保证了价值,才能够真正有必要来实施前卫的管理措施和方法。
所谓的完善制度就是指在施工企业遵守国家各项法律法规这一前提和基础下,对自身的钢结构网架安装施工及其组织方法以及质量等方面进行严格的规定和控制,施工企业的质量控制首先要有一个标准的制度,其次要求施工企业的每一名工作人员都按照制度的要求去开展自身工作,施工企业只有拥有一个完善的钢结构网架安装施工及其组织制度,才能够保证自身钢结构网架安装施工及其组织工作能够在正确的轨道上实施。施工企业经营最终的目的就是为了在最大限度上获得经济利润,在施工企业实施钢结构网架安装施工及其组织方法的时候,通常都会根据政府相关的政策,对施工企业自身钢结构网架安装施工及其组织方法以及取得成效进行综合考虑,对于自身的方法控制方案进行优化和选择。
如果工作人员在落实钢结构网架安装施工及其组织的过程中能够将理论与实践进行很好的结合,那么,一定会达到将琐碎的知识进行系统化整理这一目的,原因就在于,理论只有应用到实际操作中去才能够真正发挥其自身所具有的指导作用,也只有在日常工作中不断实践,才能够对理论进行不断完善,使其更好地指导实践。在工作人员操作过程中,难免会存在一些内容比较多、操作性比较强、记忆量很大的知识点,如果工作人员仅仅是在工作过程中将这些知识点泛泛越过,那么,即使工作人员能够在短时期之内将这些方法和知识掌握,也不能够长时间掌握这一知识以及方法,伴随着时间的不断发展,工作人员一定会将这些知识以及钢结构网架安装施工及其组织方法抛之脑后,想要避免这一问题的出现,要求工作人员在落实钢结构网架安装施工及其组织措施的时候,要先使自身对知识和方法进行感性的认识,在感性认识以后再进行实际操作的学习。需要我们明确的是,钢结构网架安装施工及其组织关系到了施工企业的生存和发展,更加关系到了国家和人们的利益,施工企业想要创造良好的经济效益以及社会效益,就必须要将理论应用到实际之中去,通过实践来检验理论,进而对理论不断完善,使其更好地指导实践。
伴随着科学技术不断得到发展,新技术和新方法信息已经呈现出了爆炸式增长的特点,新技术本身也呈现出全新的特点,想要准确把握钢结构网架安装施工及其组织自身所具有的特点,就要求工作人员必须要采取灵活的钢结构网架安装施工及其组织形式,并且将这些灵活的形式贯穿到整个钢结构网架施工以及操作的过程中,旨在能够更好的为提高钢结构网架安装施工及其组织质量以及提高工作人员综合素质奠定坚实的基础。因为在工作人员落实钢结构网架安装施工及其组织方法的过程中,很多感官系统都在进行交替使用,这样就很容易将工作人员的兴趣、求知欲以及好奇心很好的调动起来,如果工作人员在此时能够对技术和方法实施有效的利用,那么,一定能够使钢结构网架安装施工及其组织体现出自身的特征。所以,在工作人员实施钢结构网架安装施工及其组织的过程中,必须要将这一点准确的把握,将自身所具有的创造性以及主动性很好的发挥出来。
从近年的发展看,钢结构工程在施工中,其施工结构逐步朝着大型化和复杂化发展,各种单一的安装方法可能已经不能够满足当前施工需要,一个工程中往往采用多种不同的安装技术,安装方法在朝集成化的方向发展。在满足质量、安全、进度及经济效益的前提下,应结合现场施工条件和设备机具等资源落实情况等因素综合确定安装方案。
6.1 在高空散装法的安装的时候,应当随时检查网架安装的各种质量问题,针对施工的各个环节及对角线尺寸进行分析,确保网架长度和质量的稳定合理。若发现安装过程中尺寸等有出入时,应当及时针对其中存在的问题进行调整,确保准确无误的施工质量。
6.2 安装网架时,必须检查网架整体挠度。测试点为5个,网架中心设1点,测试点挠度平均值须小于等于设计值的115%。网架的挠度可以通过上弦和下弦尺寸的调整来控制挠度值。
在人们的日常生活和工作过程中,施工企业一直都具有很大的作用,同样占有很重要的地位,而施工企业能够安全以及稳定的实施钢结构网架安装施工及其组织,就必须要采取一个十分有效以及合理的方式,这也就对方法具有很多要求。本文中,笔者主要从钢结构网架安装施工及其组织要选择适合的安装工艺、钢结构网架安装施工及其组织要体现自身价值、钢结构网架安装施工及其组织要完善制度、钢结构网架安装施工及其组织要坚持理论与实践相结合以及钢结构网架安装施工及其组织要体现特点这五个方面探讨了钢结构网架安装施工及其组织。其中最为关键的措施就是要因地制宜的选择安装工艺。
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1.1 随着改革开放的进一步深化,我国建设市场也出现了前所未有的繁荣景象,特别是一些文化、体育等公共设施,在建筑风格、平面及造型上日新月异,千变万化,给结构工程师提出了许多新的课题。目前,许多大跨度、大空间的建筑大多都采用了网架结构。为了最大限度的满足建筑平面与功能上的要求,美化人民生活,网架结构已越来越多的被应用于各种建筑中。
(1)结构构件的尺寸与结构整体尺寸相比很小,具有大致相同的网格或单元,力流能够均衡地向各方向传递,充分利用了钢材的耐拉优势。
(5)可以使结构具有明暗对比,有韵律性,体现“韵律美”,得到其它结构所不能得到的观感效果。
1.3 网架结构是把力学的合理性与生产的经济性相结合,建筑美与结构美相结合的结构。为建造合理形体,大跨度、大空间结构提供了可能性和广阔性。
布龙湖游乐园之夏威夷馆是整个游乐中心的场馆之一,建筑风格独特,平面复杂,立面起伏变化,具有一定的特点。建筑物的平面基本上由三个扇形组合而成,建筑面积3200m2,网架总覆盖面积2738m2。主馆半径为45m,圆心角为90度的扇形,屋面与水平面的夹角为11.91度。侧馆分布在主馆两侧,为半径40m,圆心角为45度的两个轴对称扇形。根据建筑平面、立面及功能上的特点要求,设计中支承结构采用钢筋混凝土结构,屋盖采用网架结构,特别是主馆网架与一般的矩形平板网架的不同之处在于:
3.1 网架选型涉及的因素很多,如具体工程的平面形状和尺寸大小,网架的支承方式,荷载的种类及其量级,屋面构造和材料,建筑功能要求,以及网架的制作安装方法等。
网架是由杆件和节点组成的空间结构,具有一定的刚度、延性。普通的平板网架与水平面成0度角,故根据平衡条件,支座处杆件在X方向内力自平衡,支座一般在垂直荷载的作用下均没有水平推力。而本工程的网架结构由于与水平面成一夹角(11.91度),且因网架在受力状态下有一定的容许变形,故支座处X方向的杆件内力之合力不为零,这就需要支座提供水力使节点平衡,于是网架就产生了对支座的水平推力。支座水平推力的大小对网架支承结构的设计有很大的影响。
3.2 根据本工程的平面形状,结构所能提供的支承位置,荷载的特殊性及建筑要求等。本工程主馆采用四角锥螺栓球节点网架,网格布置:圆弧方向10x2.3m,5x2.4m,半径方向每4.5度辐射布置,网格为梯形,最大网格2.35x3.543m,网架上弦荷载90Kg/m2,下弦荷载100Kg/m2,局部下弦荷载500Kg/m2。
3.3 在本工程设计中,我们在上述条件不变的情况下,仅对网架在两种不同的支承方式下进行了两种方案的计算分析,计算的主要数据见表1。
3.3.1 方案(一)中,杆件的最大拉、压力相差较大,单位用钢量也较高,尤其是在C轴处支座在X方向的水平推力给下部支承结构的设计带来了很大的困难, C轴处支承结构为一道14m高,14m宽的混凝土墙。
尽管在墙体的两顶点设置了一根与混凝土墙体成45度的斜梁来协调墙体的变形,但因斜梁的刚度很小,只能起连系作用。虽然,支座处在X方向的水平推力之合力为零,但每一点的水平力变化很大,单靠混凝土墙体本身来抵抗水平力,所需墙体厚度很大,但受力状态不明确,也给建筑设计带来了较大的困难。因此,方案(一)显然是不太合理,不可取的。
3.3.2 方案(二)中,杆件的最大拉、压力相差较小,单位用钢量也较小,尤其是支座处在x方向的水平推力及挠度的大大减小,解决了方案(一)中因水平推力过大而带来的一系列问题。但方案(二)中,也存在几个小问题:
(2)最大支座拉力达36.2t,普通的螺栓球支座承受力不够,不能满足设计要求。设计中,采取的解决办法是:第一,在②轴圆弧段采用落地混凝土墙体来解决竖向力过大的问题。第二,由原来的螺栓连接支座改为焊接十字板连接支座,以抵抗支座拉力。
3.4 通过分析比较方案(一)、(二)的各种因素,虽然,方案(二)较方案(一)增加了六个支座及一道混凝土墙体,使现场工作量加大,但方案(二)较方案(一)合理可行,具有更好的效益。这是因为:
(3)杆件的最大内力由97t将为90t,降低了8%,杆件的拉压力之差由12t变为4t,拉压杆的内力比由0.87提高为0.95,基本上达到了拉压杆平衡,使网架的受力状态更加合理。
(5)用钢量由85 Kg/m2降为64Kg/m2,降低了32%,使网架的总用钢量大大减少,节约钢材33t,节省投资20多万元,取得了较好的经济效益。
通过对本工程实例的分析比较,可以看出,复杂平面下平板斜网架的支座设置,直接影响下部支承结构的优化设计和网架设计的经济合理性。在条件许可的情况下,充分运用建筑平面所能提供的有利因素,通过调整支座的位置及数量,来实现网架支承结构和网架本身的最优化设计,改善网架与支承结构的受力状态,尽可能的减小对结构的各种不利因素,使两者有机的结合起来。
《钢结构设计规范》和《建筑抗震设计规范》这两部关于建筑工程的文献对建筑工程网架结构设计有重要的指导作用,在实施网架结构保护配置工作时,可以参照这两部文献,对于建筑屋盖理应借助网架增设纵向水平支撑和横向水平支撑,一起构成封闭的网架支撑体系。其次,要设计好支撑参数,估算由端部柱间支撑及屋面横向水平支撑负担山墙面的风力。对于刚架柱和斜梁必须采用刚性系杆来保证其侧向稳定,不宜依靠隅撑保证侧向稳定。网架的檩条不宜兼作系杆,系杆必须用型钢另外设置;网架支撑不宜采用圆钢,宜采用型钢;网架柱顶侧向位移限值宜控制在h/100;网架斜梁及柱子腹板的高厚比宜控制在小于120。另外,通过一些实际的项目计算分析得出,当地震烈度为7度(0.15g)及以上时,网架的跨高比为1.5~3.0时,地震作用对门式刚架设计起控制作用。同时设计人员应注意纵向地震对柱间支撑的作用,此时柱间支撑不建议继续使用圆钢,应采用角钢或方刚截面为宜。
控制网架结构的应力,首先要明确建筑网架属于焊接球网架或者螺旋球网架,图一就是焊接球网架结构,图二是螺栓球网架结构。对于焊接球网架,理应充分发挥它的优势,如强度高、硬度好、结构紧密,这样有助于控制焊接球网架结构的应力。对于螺栓球网架,必须全力解决其抗压能力和抗剪能力较弱的这一问题,用高强度螺栓连接网架之间的节点,优化螺栓球网架的提升点及其杆件。
实施网架结构的悬吊拼装,必须做好五步工作。在施工前,施工管理人员应细化提升网架结构的每一步过程,分析不同网架结构的具体状况,测算网架结构的提升设备,像跑绳、缆风绳、吊索绳、拔杆、地锚和受力杆件等。一般情况下,建筑工程在东、西方向所布置的拔杆共计28根,而且要坚持拔杆布置的三大原则,即保持拔杆的均匀受力、不能妨碍建筑工程网架的拼装与提升、确保拔杆的牢固与可靠。第二步,布置好拔杆以后,接着要在地面上拼装网架,等网架布满以后,就开始提升网架,当提升高度达到标准以后,开始实施网架外扩拼装,完毕后开始实施空中网架就位,设计好网架梁柱,完善网架整体结构。需要注意的是要将空中网架结构的标高控制在200mm,锁好提升跑绳和钢丝绳,避免出现网架下滑现象。第三步,缓慢放松拔杆上面一侧的缆风绳,与此同时,要缓慢拉紧另一侧的钢丝绳,将网架向北边移动600mm。然后,将网架下落到200mm的位置,与支座进行安装固定。第四步,控制网架的提升过程,适当进行微调。在提升网架的过程中,要注意保持网架结构的各个吊点能够同时提升,在网架结构距离地面1000mm时,施工人员理应认真检查各吊点之间的受力状况和各锚点的固定程度,保持其安全可靠性。对于网架结构相邻的提升点,施工人员应该将它们的升差值控制在1/400以内,距离在100mm,并对其进行适当地微调。第五步,做好各项同步工作。在整个网架结构施工过程中,要做好五个同步工作,即保持滑轮数和滑轮组钢丝绳缠绕方法的一致性与同步性;保持所有起重钢丝绳直径的一致性;保持钢丝绳长度与松紧度的相同性;保持检验数据的统一性;同步检测提升过程中的关键杆件与拔杆。
综上所述,网架结构施工工艺在现代建筑工程建设中发挥着重要作用,优化网架结构施工工艺,必须重视参照《钢结构设计规范》和《建筑抗震设计规范》做好网架结构保护配置;全面控制网架结构的应力,发挥焊接球网架在强度、硬度与结构方面的优势,用高强度螺栓连接网架之间的节点,优化螺栓球网架的提升点及其杆件;提升网架结构的悬吊拼装质量,细化提升网架结构的每一部过程,分析不同网架结构的具体状况,测算网架结构的提升设备,做好地面网架拼装,避免出现网架下滑现象,保持网架与支座的安装固定,控制网架的提升过程,适当进行微调。
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网架和网壳结构的适用性、美观性、可靠性、安全性和经济性已为世人所公认,因而它得到了广泛的应用和迅猛的发展。特别是网架结构的应用,我国不论在规模上还是数量上都居于世界的领先地位。但是,随着网架大量应用的同时,也发生了一些大小不同的事故。据不完全统计,自然灾害、意外事故者较少,而大多数事故是责任事故,设计、制作、运输、安装和管理等方面都曾发生过,使国家的财产和人的生命遭受了不少损失。但这些事故并未受到应有的重视,从中吸取教训,引以为戒,本文主要进行了钢网架结构事故分析。
②严重事故。网架结构虽未塌落,但已丧失了承载能力,不能正常使用,不得不报废或重建,造成经济上的重大损失。
③重大事故。事故发生后,网架整体或较多的杆件、节点经过处理或加固后仍可继续使用,但造成了较大的经济损失。
④小事故。网架结构在制造、安装或使用初期,发现局部存在问题和隐患,但可以用较少的时间和资金予以解决,不影响以后的正常使用。
①整体事故。网架结构整体塌落或局部有严重缺陷,影响了结构的完整性,使结构丧失了承载能力和正常使用能力。
②局部事故。网架结构局部有缺陷或严重缺陷,必须及时处理才能保证结构安全正常地使用。
②多种因素事故。由于多种因素组合所造成的事故,但其中可以找出最主要的因素。
(1)结构型式选择不合理,支撑体系或再分杆体系设计不周,网架尺寸不合理。如当采用正交正放网架时,未沿周边网格上弦或下弦设置封闭的水平支撑,致使网架不能有效传递水平荷载。
(2)力学模型、计算简图与实际不符。如网架支座构造属于两向约束时,计算时按三向约束考虑。
(3)计算方法的选择、假设条件、电算程序、近似计算法使用的图表有错误,未能发现。
(5)荷载低算和漏算,或由于网架工况复杂,荷载组合不当。对自然灾害(如地震、风振、温度变化、积水积雪、火灾、大气或有害气体及物质的腐蚀性等)估计不足或处置不当,或对一些大中型网架结构应该进行的非线性分析,稳定性分析,支座不均匀沉降、不均匀侧移,重型桥式吊车对网架的影响,中、重级悬挂吊车对网架的疲劳验算等,没有进行验算和分析。
(7)网架结构设计计算后,不经复核就增设杆件或大面积的代换杆件,从而导致超强度设计值杆件的出现。
(8)设计图纸错误或不完备。如几何尺寸标注不清或矛盾,对材料、加工工艺要求、施工方法及特殊节点的特殊要求有遗漏或交代不清等。
(1)材料验收及管理混乱,不同钢号、规格材料混杂使用,特别是混用了可焊性差的高碳钢,钢管管径与壁厚有较大的负偏差,拼装前杆件有初弯曲而不调直。
(3)不按规范规定对钢管剖口,对接焊缝焊接时不加衬管或不按对接焊缝要求焊接。
(6)螺栓未拧紧,网架在使用期间在接缝处出现缝隙,螺栓受水气侵入而锈蚀。
(7)支座底板与底板连接或肋板采用氧气切割而不将其端面刨平,组装时不能紧密顶紧,支座受力时产生应力集中或改变了传力路线)焊缝质量差,焊缝高度不足,未达到设计要求。
(1)胎具或拼装平台不合规格即进行网架拼装,使单元体产生偏差,最后导致整个网架的累积误差很大。
(2)焊接工艺、焊接顺序错误,产生很大的焊接应力,造成杆件或整个网架变形。
(3)杆件或单元或整个网架拼装后有较大的偏差而不修正,强行就位,造成杆件弯曲或产生很大的次应力。
(4)对网架施工阶段的吊点反力、杆件内力、挠度等不进行验算,也不采取必要的加固措施。
(5)施工方案选择错误,分条分块施工时,不采取正确的临时加固措施,使此局部网架为几何可变体系。
(6)网架整体吊装时采用多台起重机或拔杆,各吊点起升或下降时不同步,用滑移法施工时,牵引力和牵引速度不同步,使部分杆件弯曲。
(7)支座预埋钢板、锚栓位置偏差较大,造成网架就位困难,为图省事而强迫就位或预埋板与支座底板焊死,从而改变了支承的约束条件。
(1)使用荷载超过设计荷载。如屋面排水不畅,积灰不及时清扫,积雪严重及屋面上随意堆料、堆物等,都会导致网架超载。
(2)使用环境的变化(包括温度、湿度、腐蚀性介质的变化),以及使用用途的改变。
(1)查阅网架及其相关的下部结构的图纸、计算书、设计修改等资料,注意其支承条件、荷载状况、工况组合及必要的验算是否正确无误。
(2)查阅网架结构的零部件的生产检测记录、材料的质量证明和试验报告、零部件产品合格证书及试验报告、焊缝质量及零部件检验资料等,是否符合国家有关标准的要求。
(3)查阅网架结构安装施工记录及检测验收文件,包括网架就位后的纵横向边长偏差、支承点中心偏移、高度偏差和挠度记录等。
(1)调查网架的实际状况,包括总平面尺寸、网格尺寸、网架高度、支承情况、荷载、抗震设防烈度、地基土类别、使用环境等。
(1)首先对原设计进行复核,即以原设计条件为依据,对原杆件截面进行校算,看是否存在超强度设计值杆件。
(2)当原设计有不安全杆件时,按实际的支承状况、荷载和使用状况,用规范允许的强度设计值进行复核,看其是否安全。
(3)当原设计已经改变,如有增设的杆件及大量的截面代换、增加较大孔洞等,则应按实际的结构状况进行复核。
[1] 中华人民共和国建设部主编.钢结构设计规范(GB50017-2003).北京.中国计划出版社,2002
使用钢卷尺复测支撑点位的轴线尺寸,纵横向长度偏差±L/2000,且不应大于±30mm。
根据施工图纸,结合市场情况及时组织材料的采购工作。检查构配件与钢管杆件的匹配情况,复核确定杆件下料尺寸。
1)网架安装,杆件下料是至关重要的,因此必须严格按设计尺寸加上各杆件收缩量下料。焊接收缩量通过焊接试验确定数据。
2)钢管壁厚大于6mm时管端应打坡口,壁厚小于6mm时管端可不打坡口。钢管坡口下料时采用车床切割,开30°~45°坡口。杆件下料长度应预加焊接收缩量。具体收缩量根据施工经验和进行的焊接收缩量试验确定。钢管杆件下料长度允许偏差±1mm;杆件轴线)焊接球加工:
用于制造焊接球节点的原材料品种、规格、质量必须符合设计要求和有关标准的规定。焊接球节点的半圆球,由机床下料加工,并开坡口。焊接用的焊条与对接焊缝必须符合设计要求和钢结构焊接的专门规定。焊接完成后的成品球表面光滑平整,不应有局部凸凹或褶皱。焊接球制作的允许偏差及检验方式符合规范要求。焊接空心球按规格分堆放置。
网架材料制作加工完毕后,为防止混装和缺失,要求由专人清点材料并检查核实,最后进行打包成捆堆放待用。
1)安装前用钢卷尺、经纬仪或水准仪检查各支座的标高和轴线mm,水平度允许偏差l/1000。
2)根据本工程的结构特点,结合以往同类工程的施工经验,经过比较和优化选择,确定采用“搭设满堂红脚手架整体安装”的施工方法。
3)网架施工方法:搭设满堂红脚手架,观众厅搭设标高至+15.8m,舞台厅搭设标高至+21.7m。上部满铺钢脚手板或钢模板,作为预制、拼装与焊接网架的操作平台。先在操作平台上每个下弦球节点位置安放支承胎模,再在支承胎模上铺设下弦杠铃单元与相应连接杆件,紧随其后安放四角锥单元,最后在上弦节点间安装相对应的上弦杆件。网架拼装完毕后,将网架进行调正,调整支座位网架就位。
网架安装平台的搭设采用满堂红扣件式钢管脚手架,上面满铺钢脚手板或钢模板,其搭设要求满足规范标准规定,搭设高度应满足施焊操作和方便就位的要求。脚手架必须具有足够的强度、刚度和稳定性。注意平台的安全围护,确保施工时安全可靠。
a.根据设计图中网架下弦平面安装布置图,确定各球节点的水平位置及相对高差。利用AutoCAD辅助绘图软件进行微机放样,进行网架上弦坐标定位,建立网架节点坐标网图。
b.根据网架上弦节点坐标网图,确定上弦球节点的规格和位置、轴线间距等参数,使用仪器、钢卷尺等进行平台放线,将上弦球节点的位置测设到操作平台上。
c.上弦胎模的制作:使用机制红砖或砌块进行制作,要求位置准确,标高正确,符合规范和使用要求。
d.胎模制作时,要求使用240mm×240mm独立砖柱,砖柱不宜过高,以300mm至400mm为宜,其高度根据操作平台和焊接操作方便来确定。砖柱必须保证具有足够的强度、刚度和稳定性。
e.胎模制作完成后,使用测量仪器复核砖柱顶面标高,误差较大的进行填补调整,直到达到使用要求为止。
6) 网架单元预制:本网架工程焊接工程量大,为确保焊接质量,减少定位焊和高空施焊,将网架进行单元预制。
a.单元胎模预制:为确保“杠铃单元”和“四角锥单元”预制质量,按要求预制单元预制用胎模。
b.杠铃单元预制:根据网架下弦拼装平面布置图,由中心向四周将下弦杆件和相对应的节点球分别点焊预制成“杠铃单元”,分别把各节点分三点均称点焊固定,然后把点焊固定的“杠铃单元”进行焊接。
c.四角锥单元预制:根据网架腹杆拼装平面布置图,由中心向四周将腹杆和相对应的上弦节点球点焊预制成“四角锥单元”,分别把各节点分三点均称点焊固定,然后把点焊固定的“四角锥单元”进行焊接。
a.根据网架上弦平面拼装布置图,由中心向四周铺设上弦杆件和相对应的节点球预制成的“杠铃单元”。
b.根据网架腹杆平面拼装布置图,铺设预制成的“四角锥单元”。四角锥的铺设要由中心向四周扩展拼装。
c.腹杆“四角锥单元”铺设完毕,在下弦节点球之间安装相应的下弦杆件,下弦杆件的铺设也要由中心向四周扩展拼装。
d.在拼装过程中反复核对尺寸,发现误差及时调整,全部拼装完毕后检查网架整体纵、横向轴线) 网架焊接:
a.网架检查:网架拼装完毕后,要求检查网架纵、横向轴线几何尺寸,核对几何尺寸符合本规范规定后方可进行施焊。
b.焊接顺序:焊接时要求由中心向四周对称扩展进行,以减少焊接应力与焊接变形量。
c.焊接方法:焊接时采用对接焊、贴角加强焊的组合焊接法即第一遍焊透(打底焊)、第二遍加强面焊接遍数。每遍焊接完成后,施焊操作人员必须随手清除药皮,并经观察检查符合焊缝质量标准要求后,方可继续施焊下一遍。焊口焊接完成后,使用药皮锤清理药皮和焊渣等飞溅物,经过质检人员进行检查,对不饱满焊缝及时修补,不合格焊缝必须铲除重焊。
9) 网架安装完成后再涂装一层灰防锈漆,涂装前应检查钢材表面除锈是否符合设计要求和国家现行有关标准规定。
10) 网架就位:网架整体安装焊接完成,经检查无误后,调整支座位置使网架就位。
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