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1、鋼結(jié)構(gòu)變截面壓彎構(gòu)件設(shè)計,武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計QC小組 二00八年十二月,一、武漢站概況 二、QC小組概況 三、課題選擇 四、目標(biāo)設(shè)定及可行性分析 五、提出方案并確定最佳方案 六、制定對策 七、實施對策 八、效果檢查 九、標(biāo)準(zhǔn)化與鞏固措施 十、總結(jié)與今后打算,武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計,,目錄,一、武漢站概況,1.橋建合一：結(jié)構(gòu)與橋梁一體化設(shè)計。 2.多種結(jié)構(gòu)形式組合而成：橋梁結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、樹枝結(jié)構(gòu)等等。 3.多種材料組合：不同等級鋼材、不同標(biāo)號混凝土、鋼+混凝土。 4.跨度大：最大跨度116m。 5.連接關(guān)系復(fù)雜：結(jié)構(gòu)之間的連接通過特殊結(jié)點和特殊構(gòu)件組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。,武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計,,
2、二、 QC小組概況,小組名稱：武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計QC小組（城08-1） 小組類型：創(chuàng)新型 課題名稱：鋼結(jié)構(gòu)變截面壓彎構(gòu)件設(shè)計 活動次數(shù)：25次 注冊日期：2006年12月18日、 2008年1月5日 活動日期：2006.122008.12,武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計,,三、 課題選擇,1.技術(shù)要求與設(shè)計現(xiàn)狀,武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計,,屋面通過變截面V撐與拱結(jié)構(gòu)連接,主拱是變截面桿件,概念： 構(gòu)件有缺陷； 破壞受穩(wěn)定控制。 (例子：倒塌的積木；右下圖受軸心壓力的桿件失穩(wěn)) (1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計需要計算桿件的穩(wěn)定強(qiáng)度 (2) 武漢站面臨變截面桿件,屋面通過變截面V撐與拱結(jié)構(gòu)連接,,,三、 課
3、題選擇,2.結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的限制,武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計,,(1) 規(guī)范在計算構(gòu)件穩(wěn)定時采用的主要方法,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 GB 50010-2002,,按照框架、排架確定計算長度，通過計算中附加偏心距考慮穩(wěn)定強(qiáng)度,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 GB 50017-2003,,框架：通過梁、柱的剛度比確定計算長度，進(jìn)而考慮穩(wěn)定系數(shù)來計算穩(wěn)定強(qiáng)度,桁架：通過桿件平面、內(nèi)外的連接關(guān)系確定計算長度， 進(jìn)而考慮穩(wěn)定系數(shù)來計算穩(wěn)定強(qiáng)度,(2) 規(guī)范計算方法的局限性,武漢站結(jié)構(gòu)的梁柱關(guān)系不明確，V撐并不是嚴(yán)格意義上的框架柱，而且相連的構(gòu)件也不是嚴(yán)格意義上的框架梁。 由于整個武漢站結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)復(fù)雜的三維特性，構(gòu)件的平面內(nèi)和平面外也難以區(qū)
4、分。 V撐的計算截面是變化的，每個截面的物理特性都是不同的，難以準(zhǔn)確描述其物理量，如：截面積(A)、慣性矩(I)等等。,三、 課題選擇,2.結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的限制,武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計,,(3) 確定課題,武漢站的建筑造型和效果是項目的生命，結(jié)構(gòu)應(yīng)該配合建筑師完成建筑設(shè)計理念。必須維持變截面構(gòu)件的形態(tài)，不改變建筑的外形。 同時，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中對變截面的構(gòu)件的穩(wěn)定強(qiáng)度驗算沒有提出具體方法，而武漢站又面臨著現(xiàn)實的問題需要解決，因此QC小組成員提出：在武漢站設(shè)計中，需要對變截面桿件的設(shè)計提出可行的方法，并在設(shè)計中予以應(yīng)用。 通過理論上的初步分析和計算工具的功能分析，小組成員一致認(rèn)為“鋼結(jié)構(gòu)變截面壓彎構(gòu)
5、件設(shè)計” 可作為QC小組活動課題。,四、目標(biāo)設(shè)定及可行性分析,1. 課題目標(biāo),武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計,,(1)探索變截面壓彎構(gòu)件的計算方法 (2)變截面構(gòu)件的應(yīng)力比1.0,2.目標(biāo)可行性分析,(1)對于具有固定幾何參數(shù)的變截面構(gòu)件，其受力特性應(yīng)該是一定的。設(shè)計人員要做的工作就是找到一種方法去描述這種必然性。 (2)設(shè)計人員通過大量的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，特別是我院參與的多項大型項目的磨煉，已經(jīng)具有了比較強(qiáng)的理論分析能力和操作能力。 (3)目前的計算軟件發(fā)展已經(jīng)日新月異，達(dá)到了一個比較高的水平，配合理論研究，是可以解決決大部分結(jié)構(gòu)設(shè)計問題的,五、提出方案并確定最佳方案,1. 變截面構(gòu)件計算的基本問題,武漢站結(jié)
6、構(gòu)設(shè)計,,(1)構(gòu)件的失穩(wěn)破壞是由于初始缺陷引起的結(jié)構(gòu)承載力降低。 (2)變截面構(gòu)件的穩(wěn)定破壞與等截面桿件的破壞機(jī)理是一致的。 (3)計算需要緊扣規(guī)范進(jìn)行，需要l0、EA、EI等計算數(shù)據(jù),2. 提出方案并比較優(yōu)缺點,(1) 通過試驗的方法，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結(jié)合等截面桿件的設(shè)計參數(shù)，對不同直徑比的桿件提出可行的計算參數(shù)。 優(yōu)點:可以直觀的得到構(gòu)件的穩(wěn)定強(qiáng)度。 缺點：需要進(jìn)行大量的試驗才能符合統(tǒng)計學(xué)上要求，才能符合設(shè)計使用的要求。,五、提出方案并確定最佳方案,武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計,,2. 提出方案并比較優(yōu)缺點,(2) 通過理論分析，進(jìn)行數(shù)值積分，對構(gòu)件進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)計算。 優(yōu)點:可以得到精確解。 缺點
7、：計算量太大，效率極低。 (3) 分別按照最大截面和最小截面的等截面桿件進(jìn)行計算，按照長度加權(quán)取值或者平均值。 優(yōu)點:計算過程簡化，而且有規(guī)范可用。 缺點：沒有一個準(zhǔn)確的目標(biāo)值，無法知道計算結(jié)果是否慢足要求，計算結(jié)果或者太保守造成浪費，或者結(jié)構(gòu)的不安全。 (4) 按照面積等效進(jìn)行計算(EA等效)。 優(yōu)點:可以準(zhǔn)確求解軸壓應(yīng)力。 缺點：彎曲應(yīng)力計算不準(zhǔn)確。 (5) 按照慣性矩等效進(jìn)行計算(EI等效)。 優(yōu)點:可以準(zhǔn)確求解彎曲應(yīng)力。 缺點：軸壓應(yīng)力計算不準(zhǔn)確。 (6) 按照屈曲計算得到l0，同時按照等效的EA EI進(jìn)行等截面計算 優(yōu)點:可以準(zhǔn)確求解變截面構(gòu)件各項物理特性，進(jìn)而計算構(gòu)件
8、的穩(wěn)定強(qiáng)度。 缺點：每個桿件都需計算多項物理特性值，需要大量的計算資源，如：人力，軟件的占用。,3. 提出方案,通過以上分析、比較，小組成員一致認(rèn)為方案(6)為實現(xiàn)變截面桿件計算的最佳方案！,五、提出方案并確定最佳方案,武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計,,4. 最佳方案流程分析,設(shè)計流程圖,選擇需要計算的 變截面構(gòu)件,確定構(gòu)件兩端的支座 并建立變截面模型,按照簡支梁施加水平力 q計算側(cè)向位移f,支座的選擇對計算結(jié)果影響較大,按照簡支梁豎向力 進(jìn)行屈曲計算,按照簡支梁豎向力F 計算豎向位移,計算等效EI,得到第一階屈曲荷載值,計算等效EA,,,,,,得到等效計算長度,按照規(guī)范的等截面計算公式 進(jìn)行計算,,,,,
9、,,,,,,,,,,,,,五、提出方案并確定最佳方案,武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計,,5. 分析關(guān)鍵步驟,(1)確定邊界條件：邊界可能自由端、鉸接、固結(jié)。 (2)構(gòu)件計算：必須進(jìn)行EA、EI、l0的計算和換算并進(jìn)行構(gòu)件計算。,,,,,,六、制定對策,武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計,,,,,,,對策表,七、實施對策,武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計,,,,,,,1.確定邊界條件,在SAP2000中進(jìn)行整體模型計算,(1)按照整體模型計算。 (2)計算時，按照中間截面，等截面進(jìn)行計算。 (3)按照計算的固端彎矩進(jìn)行判斷邊界條件,變截面桿件簡化為等截面桿件,七、實施對策,武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計,,,,,,,1.確定邊界條件,彎矩較小處，按照鉸接支座考慮,
10、彎矩較大處，可按照固定支座考慮,七、實施對策,武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計,,,,,,,1.確定邊界條件,邊界確定,七、實施對策,武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計,,,,,,,2.構(gòu)件計算,(1)按照實際構(gòu)件截面建立模型。,,(2)施加水平荷載。,,,施加水平力 q,,計算等效EI,計算側(cè)向位移f,七、實施對策,武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計,,,,,,,2.構(gòu)件計算,(3)施加豎向荷載。,,,按照簡支梁豎向力F 計算豎向位移,計算等效EA,得到第一階屈曲荷載值,得到等效計算長度l0,,(4)施加豎向荷載。,,,,七、實施對策,武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計,,,,,,,2.構(gòu)件計算,(4)進(jìn)行構(gòu)件計算。,八、效果檢查,武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計,,,,,,,1.設(shè)計
11、經(jīng)過三家單位的確認(rèn),已經(jīng)將新方法的應(yīng)用到了設(shè)計中，設(shè)計文件和設(shè)計圖通過了三家審察單位的確認(rèn)，已經(jīng)開始加工制作。,八、效果檢查,武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計,,,,,,,2.將本設(shè)計方法寫入了武漢站的研究報告，正在提交業(yè)主組織評審 相關(guān)成果已經(jīng)完成論文，被建筑結(jié)構(gòu)收錄,八、效果檢查,武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計,,,,,,,通過開展QC活動，完成了武漢站“鋼結(jié)構(gòu)變截面壓彎構(gòu)件設(shè)計”,效果檢查表,九、標(biāo)準(zhǔn)化與鞏固措施,武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計,,,,,,提出了變截面構(gòu)件計算的一個新方法，從計算的源頭著手,有條理的解決了設(shè)計中的問題。并對相關(guān)成果進(jìn)行了總結(jié)，制定了設(shè)計的基本流程，形成了報告和論文。 通過本次活動，提高了設(shè)計水平，增強(qiáng)了
12、面對新、難工程的設(shè)計信心和解決具體問題的能力，達(dá)到了預(yù)期的目的。 為了使本次活動的成果進(jìn)一步深化、鞏固和提高，我們將經(jīng)常組織學(xué)習(xí)并定期開展知識培訓(xùn)活動，進(jìn)行技術(shù)交流，更好地學(xué)習(xí)掌握先進(jìn)的經(jīng)驗和技術(shù)；同時深入工程現(xiàn)場調(diào)研，將設(shè)計、施工有效地結(jié)合起來，使結(jié)構(gòu)設(shè)計更好的服務(wù)于建筑設(shè)計。,十、總結(jié)與今后打算,武漢站結(jié)構(gòu)設(shè)計,,,,,,(1)小組通過本次QC小組活動，不僅取得了顯著的技術(shù)及社會效益，而且使小組成員運用QC方法、個人能力、團(tuán)隊精神、質(zhì)量意識等都有了明顯提高。 (2)由于建筑設(shè)計的千變?nèi)f化，給結(jié)構(gòu)設(shè)計不斷帶來新的挑戰(zhàn)，本次QC小組活動，給了我們很多挑戰(zhàn)難題的信心和戰(zhàn)勝困難的決心。 (3)積極協(xié)助建設(shè)單位，對武漢站的研究成果進(jìn)行評審。 (4)關(guān)注各種結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用，研究基礎(chǔ)理論，并結(jié)合理論研究對設(shè)計中的盲點進(jìn)行探討。,匯報結(jié)束，謝謝 ！,
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