一种大型钢屋盖多支承体系水平力控制分析方法与流程

1.本发明涉及钢结构施工模拟分析技术领域，具体涉及一种大型钢屋盖多支承体系水平力控制分析方法。


背景技术：

2.大型钢屋盖的施工过程是分阶段、分部位逐步拼装成形的过程，由于施工过程主体结构自身尚未形成稳定结构因而需要设置临时塔架提供支撑，临时支撑架与主体结构自身的混凝土柱、钢柱一起组成抗侧力支承体系。
3.现有针对大型钢屋盖多支承体系的水平力作用通常只考虑了风荷载作用，而忽略了温度荷载的作用，并且支撑架与屋盖的约束形式大多仅采用固定铰支座或设置模拟支撑架抗侧刚度的水平向点弹簧铰接约束。
4.采用固定铰支座模拟支撑架的作用时，高估了支撑架的抗侧刚度，导致支撑架承担的水平力偏大，因此需要保守设计支撑架，造成支撑架设计成本过高；而计算得到的主体结构混凝土柱和钢柱承担的水平力又比实际情况偏小，施工验算时存在安全隐患，同时计算时忽略温度荷载作用带来的水平力也时不安全的，导致这种方式无法对水平力的分布进行优化控制。
5.采用点弹簧铰支座模拟支撑架的作用时，可以准确模拟支撑架的抗侧刚度，支撑架和主体结构混凝土柱、钢柱的水平力分布较为合理。但是计算时忽略温度荷载作用带来的水平力也时不安全的。如果考虑温度荷载又由于临时支撑架支承点较多且支承刚度较大而导致支撑架水平力增加较多以及屋盖构件存在较大的温度内力，导致支撑架设计成本较高，屋盖结构也可能需要进行加固。本发明提供一种大型钢屋盖多支承体系水平力控制分析方法解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明提供一种大型钢屋盖多支承体系水平力控制分析方法，有效解决施工过程大型钢屋盖多支承体系下，由风荷载和温度荷载产生的水平力的分布控制，以及对水平荷载作用下屋盖结构与支撑架水平变形进行精度控制。
7.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种大型钢屋盖多支承体系水平力控制分析方法，包括以下步骤：s1，建立模型：在模拟软件中建立屋盖和支承体系的模型，支承体系与屋盖之间采用点弹簧约束；s2，添加施工步：设置施工步模拟屋盖的安装及卸载过程，根据施工步的不同进行支承体系的添加或删除，同时点弹簧约束属性的变换；s3，施加载荷：屋盖安装后，对屋盖添加自重载荷作为初始工况，然后施加风荷载和温度荷载，运行模型进行计算，在计算结果中查看支承体系的水平反力和屋盖的水平变形；
s4，调整约束：根据计算结果，对水平反力超出设计要求的支撑架处的点弹簧约束或屋盖水平变形超出设计要求的屋盖处的点弹簧约束进行调整；s5，二次计算：对调整后的模型进行计算，在计算结果中查看支撑架的水平反力和屋盖的水平变形；s6，二次调整：按照s4的操作对点弹簧约束进行调整；s7，迭代模拟：按照s5-s6的操作进行重复迭代操作，直至计算结果中的水平反力及变形满足要求，完成迭代模拟；s8，设计支撑架：按照s7中模拟结果，提取各施工步支撑架与屋盖连接约束处的反力，依据反力结果进行支撑架的设计；s9，验算钢屋盖变形：按照s7中模拟结果，提取屋盖变形结果，并与设计规范进行验算对比；s10，设计连接释放节点：按照s7中模拟结果，提取支撑架与屋盖连接处的相对滑动数值，设计相应的连接释放节点。
8.进一步地，点弹簧约束包括固定约束点弹簧、单向滑动释放点弹簧和双向滑动释放点弹簧；固定约束点弹簧在z向施加竖向约束，并在水平x向和y向设置点弹簧约束，点弹簧刚度为相应方向的抗侧刚度；单向滑动释放点弹簧包括x向滑动释放点弹簧和y向滑动释放点弹簧，在z向施加竖向约束，并在x向或y向设置点弹簧约束，另一方向自由滑动；双向滑动释放点弹簧在z向施加竖向约束，在x向和y向均自由滑动。
9.进一步地，支承体系包括支撑架、混凝土柱和钢柱，支撑架为临时支撑结构，混凝土柱和钢柱为永久支撑结构。
10.进一步地，步骤s2中，屋盖的安装及卸载过程的具体操作步骤如下：s21，屋盖主桁架全部采用支撑架支撑，支撑架与主桁架之间采用固定约束点弹簧；s22，屋盖主桁架的一端与混凝土柱连接，释放掉支撑架沿主桁架方向的水平约束，将此时的支撑架与屋盖之间的固定约束点弹簧调整为单向滑动释放点弹簧；s23，屋盖主桁架的另一端与钢柱连接，释放掉支撑架垂直于主桁架方向的水平约束，将此时的支撑架与屋盖之间的单向滑动释放点弹簧调整为双向滑动释放点弹簧；s24，通过s21-s23的操作，屋盖主桁架由固定约束点弹簧逐步调整为双向滑动释放点弹簧；s25，施加荷载及迭代模拟结束后，逐步拆除屋盖主桁架下方的支撑架进行支撑架的卸载，屋盖主桁架由支撑架的临时支撑转换成混凝土柱和钢柱的永久支撑。
11.进一步地，步骤s4中，点弹簧约束调整的操作如下：风荷载工况下，水平反力超出设计要求或屋盖水平变形超出设计要求处的支撑架，将其相邻位置处的支撑架上的点弹簧约束进行进一步的约束，调整为单向滑动释放点弹簧或固定约束点弹簧；温度荷载工况下，支撑架单个方向上水平力较大时，将此方向上的点弹簧约束去除进行释放。
12.进一步地，步骤s10中，连接释放节点包括支撑柱和限制座，支撑柱设在屋盖上，限制座设在支撑架上，支撑柱设在限制座中，支撑柱与限制座侧板之间预留间隙，间隙内设有塞板。
13.本发明有益效果如下：通过采用滑动释放点弹簧优化组合法来模拟施工过程中大型钢屋盖支承混凝土柱、钢柱以及临时支撑架等不同支承体系的真实结构刚度以及优化调整支撑架与屋盖结构的约束条件，有效解决了大型钢屋盖在风荷载和温度荷载作用下水平力分布优化控制的问题，以及屋盖结构与临时支撑架水平变形的精度控制问题，最终达到优化支撑架设计荷载，节省支撑架造价，避免或减少施工过程中屋盖结构杆件的加固量，并且能够对屋盖变形处进行结构改进及强化，保证屋盖的结构强度和使用安全性。
附图说明
14.图1为本发明的支承体系设置状态示意图；图2为本发明的支承体系设置位置俯视示意图；图3为本发明的屋盖的安装及卸载过程施工过程示意图；图4为本发明的屋盖变形结果示意图；图5为本发明的连接释放节点结构示意图；图6为本发明的连接释放节点实现点弹簧固定约束状态示意图；图7为本发明的连接释放节点实现点弹簧双向滑动释放状态示意图；图8为本发明的连接释放节点实现点弹簧x向滑动释放状态示意图；图9为本发明的连接释放节点实现点弹簧y向滑动释放状态示意图。
具体实施方式
15.下面将结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
17.一种大型钢屋盖多支承体系水平力控制分析方法，通过建立整体分析模型，真实模拟大型屋盖各支承体系的真实结构刚度，并且通过在支撑架与屋盖连接在水平向设置不同的释放条件，根据计算模型的变形协调方程以及应力应变关系方程模拟出各支承构件的内力和节点变形值，进而辅助支撑架的设计。
18.由于风荷载和温度荷载作用下水平力在不同的支承构件间具有不同的分布形式。风荷载作用下，支承点数量越多越有利于水平力的分散，减小了单个点的支承反力；支承点数越多，则支承刚度越大，越有利于减小风荷载作用下的结构侧向变形；而温度荷载作用下，支承点数量越多、支承点刚度越大，支承点反力可能会越大。设置支撑架与屋盖连接设
置水平向释放可以减小对应方向的支承点的有效数量，通过滑动释放点弹簧的操作，在考虑风荷载和温度荷载共同作用的情况下，得到了水平力分布较优解，并且能够实现屋面结构变形的精度控制，进而得出更符合实际施工的精确数据，提升施工效率和结构安全性。
19.如图1、2、3所示，一种大型钢屋盖多支承体系水平力控制分析方法，包括以下步骤：s1，建立模型：在sap2000模拟软件中根据实际建筑结构建立屋盖和支承体系的三维杆件模型，支承体系与屋盖之间采用点弹簧约束。
20.点弹簧约束包括固定约束点弹簧、单向滑动释放点弹簧和双向滑动释放点弹簧；固定约束点弹簧在z向通过施加竖向支座模拟竖向约束，并在水平x向和y向设置点弹簧约束，点弹簧刚度为相应方向的抗侧刚度，此时支撑架承担屋盖传递的竖向力以及x向和y向的水平力；单向滑动释放点弹簧包括x向滑动释放点弹簧和y向滑动释放点弹簧，在z向施加竖向约束，并在x向或y向设置点弹簧约束，另一方向自由滑动，此时支撑架承担屋盖传递的竖向力以及约束方向的水平力；双向滑动释放点弹簧在z向施加竖向约束，在x向和y向均自由滑动，此时支撑架仅承担屋盖传递的竖向力。
21.进一步地，支承体系包括支撑架、混凝土柱和钢柱，支撑架为临时支撑结构，混凝土柱和钢柱为永久支撑结构。
22.如图3所示，s2，添加施工步：设置施工步模拟屋盖的安装及卸载过程，根据施工步的不同进行支承体系的添加或删除，使得屋盖由临时支撑结构逐步替换成永久支撑结构，实现屋盖的安装，并在支承体系替换的同时对点弹簧约束属性的变换，实现屋盖的安装以及支撑架的卸载。
23.如图3所示，屋盖的安装及卸载过程的具体操作步骤如下：s21，屋盖主桁架全部采用支撑架支撑，支撑架与主桁架之间采用固定约束点弹簧；多个支撑架共同承担此施工步下的水平风荷载，减小单个支撑架的水平力以及支撑架的变形，避免了支撑架设计过于冗余，保证支撑架的经济性；s22，屋盖主桁架的一端与混凝土柱连接，释放掉支撑架沿主桁架方向的水平约束，将此时的支撑架与屋盖之间的固定约束点弹簧调整为单向滑动释放点弹簧；此施工步下沿主桁架方向的水平力传递至混凝土柱承担，支撑架不承担主桁架方向的水平力，而垂直于主桁架方向的水平力由支撑架和混凝土柱共同承担；不进行点弹簧属性调整时，会由于沿主桁架方向上的由支撑架和混凝土柱组成的抗侧体系刚度过大，导致的温度工况下桁架杆件内力较大以及支撑架承担较大的水平推力，因此需要按照超限的计算结果进行支撑架设计，通过对点弹簧属性的调整，避免出现支撑架应力超限的缺陷，也避免了主结构杆件应力超限的缺陷，进而保证了支撑架设计的经济性；s23，屋盖主桁架的另一端与钢柱连接，释放掉支撑架垂直于主桁架方向的水平约束，将此时的支撑架与屋盖之间的单向滑动释放点弹簧调整为双向滑动释放点弹簧；此施工步下沿主桁架方向的水平力和垂直于主桁架方向的水平力由位于两侧的混凝土柱和钢
柱承担，支撑架仅承担竖向力；s24，通过s21-s23的操作，屋盖主桁架由固定约束点弹簧逐步调整为双向滑动释放点弹簧；s25，施加荷载及迭代模拟结束后，随着屋盖结构的安装逐步拆除屋盖主桁架下方的支撑架进行支撑架的卸载，屋盖主桁架由支撑架的临时支撑转换成混凝土柱和钢柱的永久支撑，实现临时受力支撑向永久受力支撑状态的转换。
24.s3，施加载荷：屋盖安装在支承体系上后，对屋盖添加自重载荷作为初始工况，然后施加风荷载和温度荷载，运行模型进行计算，在计算结果中查看支承体系的水平反力和屋盖的水平变形。
25.s4，调整约束：根据计算结果，对水平反力超出设计要求的支撑架处的点弹簧约束或屋盖水平变形超出设计要求的屋盖处的点弹簧约束进行调整。
26.点弹簧约束调整的操作如下：风荷载工况下，水平反力超出设计要求或屋盖水平变形超出设计要求处的支撑架，将其相邻位置处的支撑架上的点弹簧约束进行进一步的约束，由双向滑动释放点弹簧调整为单向滑动释放点弹簧或固定约束点弹簧，增加该方向上的约束，共同抵抗风荷载；温度荷载工况下，由于温度内力导致支撑架单个方向上水平力较大时，将此方向上的点弹簧约束去除，减小该方向上的结构抗侧刚度，释放掉温度内力。
27.s5，二次计算：对调整后的模型进行计算，在计算结果中查看支撑架的水平反力和屋盖的水平变形。
28.s6，二次调整：按照s4的操作对点弹簧约束进行调整。
29.s7，迭代模拟：按照s5-s6的操作进行重复迭代操作，直至计算结果中的水平反力及变形满足要求，完成迭代模拟。
30.单次约束调整后，由于屋盖结构自身以及和支承体系之间相互影响，会导致其他区域出现超限问题，需要进行重复迭代模拟，直至所有模拟结果均满足要求，此时的计算数据能够用于支撑架的设计。
31.s8，设计支撑架：按照s7中模拟结果，提取各施工步支撑架与屋盖连接约束处的反力，依据反力结果进行支撑架的设计，此时支撑架所受水平力大小合适，能够满足支撑架设计的经济性。
32.如图4所示，s9，验算钢屋盖变形：按照s7中模拟结果，提取屋盖变形结果，并与设计规范进行验算对比，当验算结果满足规范要求时，以此屋盖结构进行施工，当验算结果满足规范要求时，对屋盖结构中变形超限位置进行结构强化，保证屋盖结构的安全性。
33.如图5、6、7、8、9所示，s10，设计连接释放节点：按照s7中模拟结果，提取支撑架与屋盖连接处的相对滑动数值，设计相应的连接释放节点，连接释放节点的结构特性使其作用与模拟操作中的点弹簧约束的作用相同，进而实现相同的约束转换。
34.如图5、6、7、8、9所示，进一步地，步骤s10中，连接释放节点用于实际施工时屋盖与支撑架之间的反力释放，连接释放节点包括支撑柱和限制座，支撑柱设在屋盖上，限制座设在支撑架上，支撑柱设在限制座中，支撑柱与限制座侧板之间预留间隙，间隙内设有塞板。支撑柱与限制座之间留有间隙时，即支撑柱四周均未设置塞板时，此时为双向滑动释放的反力释放方式，支撑柱与限制座之间在x向或y向留有间隙时，此时为单向滑动释放的反力
释放方式，并根据塞板设置位置分为x向滑动释放和y向滑动释放，支撑柱与限制座之间未留间隙时，即四周均设置塞板时，此时为固定约束的反力释放方式。
35.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

技术特征：
1.一种大型钢屋盖多支承体系水平力控制分析方法，其特征是，包括以下步骤：s1，建立模型：在模拟软件中建立屋盖和支承体系的模型，支承体系与屋盖之间采用点弹簧约束；s2，添加施工步：设置施工步模拟屋盖的安装及卸载过程，根据施工步的不同进行支承体系的添加或删除，同时点弹簧约束属性的变换；s3，施加载荷：屋盖安装后，对屋盖添加自重载荷作为初始工况，然后施加风荷载和温度荷载，运行模型进行计算，在计算结果中查看支承体系的水平反力和屋盖的水平变形；s4，调整约束：根据计算结果，对水平反力超出设计要求的支撑架处的点弹簧约束或屋盖水平变形超出设计要求的屋盖处的点弹簧约束进行调整；s5，二次计算：对调整后的模型进行计算，在计算结果中查看支撑架的水平反力和屋盖的水平变形；s6，二次调整：按照s4的操作对点弹簧约束进行调整；s7，迭代模拟：按照s5-s6的操作进行重复迭代操作，直至计算结果中的水平反力及变形满足要求，完成迭代模拟；s8，设计支撑架：按照s7中模拟结果，提取各施工步支撑架与屋盖连接约束处的反力，依据反力结果进行支撑架的设计；s9，验算钢屋盖变形：按照s7中模拟结果，提取屋盖变形结果，并与设计规范进行验算对比；s10，设计连接释放节点：按照s7中模拟结果，提取支撑架与屋盖连接处的相对滑动数值，设计相应的连接释放节点。2.根据权利要求1所述的一种大型钢屋盖多支承体系水平力控制分析方法，其特征是：点弹簧约束包括固定约束点弹簧、单向滑动释放点弹簧和双向滑动释放点弹簧；固定约束点弹簧在z向施加竖向约束，并在水平x向和y向设置点弹簧约束，点弹簧刚度为相应方向的抗侧刚度；单向滑动释放点弹簧包括x向滑动释放点弹簧和y向滑动释放点弹簧，在z向施加竖向约束，并在x向或y向设置点弹簧约束，另一方向自由滑动；双向滑动释放点弹簧在z向施加竖向约束，在x向和y向均自由滑动。3.根据权利要求2所述的一种大型钢屋盖多支承体系水平力控制分析方法，其特征是：支承体系包括支撑架、混凝土柱和钢柱，支撑架为临时支撑结构，混凝土柱和钢柱为永久支撑结构。4.根据权利要求3所述的一种大型钢屋盖多支承体系水平力控制分析方法，其特征是，步骤s2中，屋盖的安装及卸载过程的具体操作步骤如下：s21，屋盖主桁架全部采用支撑架支撑，支撑架与主桁架之间采用固定约束点弹簧；s22，屋盖主桁架的一端与混凝土柱连接，释放掉支撑架沿主桁架方向的水平约束，将此时的支撑架与屋盖之间的固定约束点弹簧调整为单向滑动释放点弹簧；s23，屋盖主桁架的另一端与钢柱连接，释放掉支撑架垂直于主桁架方向的水平约束，将此时的支撑架与屋盖之间的单向滑动释放点弹簧调整为双向滑动释放点弹簧；s24，通过s21-s23的操作，屋盖主桁架由固定约束点弹簧逐步调整为双向滑动释放点弹簧；
s25，施加荷载及迭代模拟结束后，逐步拆除屋盖主桁架下方的支撑架进行支撑架的卸载，屋盖主桁架由支撑架的临时支撑转换成混凝土柱和钢柱的永久支撑。5.根据权利要求1所述的一种大型钢屋盖多支承体系水平力控制分析方法，其特征是，步骤s4中，点弹簧约束调整的操作如下：风荷载工况下，水平反力超出设计要求或屋盖水平变形超出设计要求处的支撑架，将其相邻位置处的支撑架上的点弹簧约束进行进一步的约束，调整为单向滑动释放点弹簧或固定约束点弹簧；温度荷载工况下，支撑架单个方向上水平力较大时，将此方向上的点弹簧约束去除进行释放。6.根据权利要求1所述的一种大型钢屋盖多支承体系水平力控制分析方法，其特征是：步骤s10中，连接释放节点包括支撑柱和限制座，支撑柱设在屋盖上，限制座设在支撑架上，支撑柱设在限制座中，支撑柱与限制座侧板之间预留间隙，间隙内设有塞板。

技术总结
本发明公开了一种大型钢屋盖多支承体系水平力控制分析方法，通过采用滑动释放点弹簧优化组合法来模拟施工过程中大型钢屋盖支承混凝土柱、钢柱以及临时支撑架等不同支承体系的真实结构刚度以及优化调整支撑架与屋盖结构的约束条件，有效解决了大型钢屋盖在风荷载和温度荷载作用下水平力分布优化控制的问题，以及屋盖结构与临时支撑架水平变形的精度控制问题，最终达到优化支撑架设计荷载，节省支撑架造价，避免或减少施工过程中屋盖结构杆件的加固量，并且能够对屋盖变形处进行结构改进及强化，保证屋盖的结构强度和使用安全性。保证屋盖的结构强度和使用安全性。保证屋盖的结构强度和使用安全性。


技术研发人员：林跃福 曹腾飞 柴婷婷 张夏瑜 吴晶晶 张显达 王柯 金林 胡勇 申红旗 李小林 韩昊澎 张立超 董宇鹏
受保护的技术使用者：精工钢结构（上海）有限公司
技术研发日：2023.09.01
技术公布日：2023/10/11