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来源 网络 作者:陈韬 欧阳超 王显旺 发布于 2013/6/5 9:04:44 评论(0) 有3078人阅读

    1 概述

中央电视台新台址建设工程CCTV主楼重达1.8万吨的大悬臂钢结构的合龙是主楼施工最大的技术难题之一,其构件应力和位移控制是实现结构准确、安全合龙及完工质量目标的关键。受结构倾斜和悬臂延伸安装影响,部分悬臂构件在合龙前后的传力方向会发生改变,而且安装预调较大,结构变形与应力变化的不确定性因素较多,特别是温度、日照对构件变形影响较大,这些都需要模拟最不利工况,对悬臂合龙前后结构的安全性进行计算分析,制定可靠的合龙方式和相关技术措施,以确保悬臂顺利合龙。
    CCTV主楼大悬臂结构采用了“两塔悬臂分离安装、逐步阶梯延伸、空中阶段合龙”的安装方法,首次合龙仅采用七根杆件进行连接,为保证合龙的快速、准确、安全,需要对合龙节点的连接方式进行特别设计,以下主要介绍合龙连接节点的设计与施工。

    2 合龙连接构件内力计算
根据结构模拟计算分析,悬臂首次合龙的构件确定为悬臂底部正交区域的外框边梁、转换桁架下弦,构件主要为焊接箱形截面构件,最大截面尺寸为口900×600×80×80mm,材质为Q390D。按照最不利工况计算,合龙点受温度和日照影响较大,出现水平相向变形,在25 度变温条件下,最大相对变形为25 mm,最大合龙构件最大内力为4975kN,具体受力计算结果见图1所示。




    3 合龙连接节点设计
合龙构件原设计为焊接连接固定,属于高强厚板全熔透焊接,构件每端焊缝长度达到4m,焊接质量高、焊接时间长,每个焊接点需要两名焊工至少连续焊接16小时才能完成。在合龙过程中,如果不采取临时刚性固定而直接进行焊接连接,则受焊接工艺制约,合龙构件两端不能同时焊接,不能在短时间内完成,而且受温度、日照、风载等外界因素影响,合龙构件处于动态的“受拉、受压、受剪”等受力状态,焊接质量不易保证,因此,设计临时的刚性连接节点保证合龙在最短时间内连接上,并“保护”合龙构件的现场连接焊缝顺利完成,以保障结构安全,这是非常有必要的。
临时连接节点有两种方式可供选择,一种是高强螺栓连接,另一种是高强销轴连接。前者螺栓孔较多,群孔对位困难,受位移的动态变化,将会出现大量的修孔处理,不能保证短时间合龙和合龙质量;后者销轴数量少,通过对销轴和连接耳板进行特殊处理,以适应温度、日照对合龙部位产生的平面和竖向动态位移变化,能做到对位准确、快速连接。
因此,合龙临时连接固定主要采取高强销轴连接节点形式,根据合龙构件的内力计算结果,在合龙构件端部两侧和下方设置3块高强销轴连接卡板,卡板材质为Q345B,厚70~120mm;销轴材质40Cr,直径为Ф70~120mm。典型节点设计形式如图2、图3所示。




上图中,合龙构件的b、c两处的耳板间隙比卡板厚度大4mm设置,构件节点的a、的d两处耳板间隙比卡板大10mm间隙设置,合龙节点的a、b、c三处耳板和卡板的销轴孔径比销轴直径大1mm设置,销轴为带双螺母的标准件。合龙构件节点d处的耳板销轴孔径比销轴直径大19mm设置,卡板的销轴孔径比销轴直径大1mm设置,销轴为带双螺母的非标准件,在销轴中间设置销键,使销轴与耳板接触紧密。在所有耳板与卡板之间设置薄钢板使耳板与卡板接触紧密,保证合龙构件在焊接中不出现“松动”。合龙连接节点的零件形式如图3所示。




   4 合龙连接节点受力验算
(1)分析模型
合龙接头的销轴采用键连接,为验证销轴连接的安全性,以直径Ф120销轴为例采用有限元分析软件ANSYS接触分析功能对该连接节点进行分析。分析模型如图4、图5所示。




(2)边界条件
耳板底面自由度全约束。
(3)分析工况
工况1:销轴受X正方向剪力,在这种工况下连接键不起作用,销轴与孔壁直接接触传力,由于接触面较大,接触充分,局部应力较小,属于偏安全情况。
工况2:销轴受X负方向剪力,力通过连接键传递,连接键有可能承担较大的应力,为不利工况。
以下分析均在工况2之下进行。
(4)荷载取值
最大设计内力包络值为:
轴力Nt=4975kN, 弯矩M2=1021kN.m, M3=3685kN.m。
取上述内力作为控制内力设计销轴。
经计算得出:单销轴最大设计内力f= 4514 kN
销轴抗剪承载力:
销轴直径:D=120mm, 钢材采用Cr40,调质处理后的屈服强度不低于460N/ mm2
强度设计值: ,
截面积A= 11310mm2
双剪抗剪承载力  > 4514 kN,满足销轴抗剪要求。
耳板抗剪承载力:耳板钢材采用Q345,板厚60mm,
强度设计值: ,
耳板最不利抗剪截面:An=2×60×(600-140)=55200mm2
耳板最小抗剪承载力:V=fv× An=180×55200=9936kN > 4514 kN,满足销轴抗剪要求。
取上述3个力中的最小值4514KN(销轴连接的承载力设计值)作为分析时所加荷载。
分析时在销轴两侧面上加X负方向的剪力4514KN,如图6所示。




(5)本构关系
为准确反应实际应力分布,弹塑性分析采用钢材的三线性弹塑性本构模型,如图7所示。




(6)分析结果
这种销轴连接形式中,采用销键固定、塞紧销轴及孔壁,在各种荷载不利组合作用下产生较大的局部应力,但局部应力仅集中于销轴连接键附近,并随与接触面距离增大而迅速减小,说明该连接方式为较典型的局部应力问题,对母材的影响很小。离开局部应力区域以外的区域应力小于材料设计强度,且总变形量较小,说明临时合龙连接节点是安全的,且可以满足临时合龙连接要求。节点与零件的变形和应力结果如图8~图12




    5 合龙连接节点的施工要点
(1)利用XSTEEL深化设计软件将合龙临时连接节点随悬臂深结构深化设计一起建立设计模型,随构件本体一起在工厂加工制作,合龙连接节点的零件加工按照机加工要求,保证零件表面质量和镗孔精度。
(2)合龙连接节点的耳板在工厂与构件本体进行全熔透焊接,要求100%超声波探伤检测,耳板的定位精度误差需控制在±2mm以内。
(3)在合龙施工时,结合气象预报资料,一周连续观察,选择早上6:00~9:00点钟进行合龙,随着白天温度升高,合龙构件处于轴向受压状态,对临时合龙接头连接件受力和保证焊接质量有利。
(4)合龙过程持续的时间越短,对结构的安全就越有利,因此,为了保证在24小时内完成合龙构件的最终焊接固定,必须提前将构件吊装就位,用高强销轴连接卡板固定构件一端(标准销轴连接端),构件另一端(非标准销轴连接端)处于自由状态,并观测焊缝间隙的变化情况;在第二天早上预定时间内,将所有合龙构件的另一端同时用销轴连接固定,并楔入连接销键使销轴与连接板连接紧密,防止焊接时焊缝受力。

    6 结束语
上述销轴连接节点形式结合了机械轴承键连接的作用原理,节点既简单、又安全,而且操作方便,应用于CCTV主楼悬臂合龙连接施工中,成功解决了超大重型悬臂结构在高空短时间内快速合龙的难题,保证了合龙焊接质量,为类似工程提供了宝贵经验。

相关文章:钢结构销轴连接的设计计算探讨

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第1楼 undefined 发表于 2012-05-17 13:23
1983年,乔布斯对百事可乐的 CEO John Sculley 说:“Do you want to sell sugar water for the rest of your life, or do you want to change the world?”(你想卖一辈子糖水,还是改变世界?)就这样,一段传奇的合作开始了。

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