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1、钢结构变截面压弯构件设计,武汉站结构设计QC小组二00八年十二月,一、武汉站概况二、QC小组概况三、课题选择四、目标设定及可行性分析五、提出方案并确定最佳方案六、制定对策七、实施对策八、效果检查九、标准化与巩固措施十、总结与今后打算,武汉站结构设计,目录,一、武汉站概况,1.桥建合一：结构与桥梁一体化设计。2.多种结构形式组合而成：桥梁结构、桁架结构、网壳结构、框架结构、树枝结构等等。3.多种材料组合：不同等级钢材、不同标号混凝土、钢+混凝土。4.跨度大：最大跨度116m。5.连接关系复杂：结构之间的连接通过特殊结点和特殊构件组合结构进行连接。,武汉站结构设计,二、QC小组概况,小组名称：武汉
2、站结构设计QC小组（城08-1）小组类型：创新型课题名称：钢结构变截面压弯构件设计 活动次数：25次注册日期：2006年12月18日、2008年1月5日 活动日期：2006.122008.12,武汉站结构设计,三、课题选择,1.技术要求与设计现状,武汉站结构设计,屋面通过变截面V撑与拱结构连接,主拱是变截面杆件,概念：构件有缺陷；破坏受稳定控制。(例子：倒塌的积木；右下图受轴心压力的杆件失稳)(1)结构设计需要计算杆件的稳定强度(2)武汉站面临变截面杆件,屋面通过变截面V撑与拱结构连接,三、课题选择,2.结构设计规范的限制,武汉站结构设计,(1)规范在计算构件稳定时采用的主要方法,混凝土结构设
3、计规范GB 50010-2002,按照框架、排架确定计算长度，通过计算中附加偏心距考虑稳定强度,钢结构设计规范GB 50017-2003,框架：通过梁、柱的刚度比确定计算长度，进而考虑稳定系数来计算稳定强度,桁架：通过杆件平面、内外的连接关系确定计算长度，进而考虑稳定系数来计算稳定强度,(2)规范计算方法的局限性,武汉站结构的梁柱关系不明确，V撑并不是严格意义上的框架柱，而且相连的构件也不是严格意义上的框架梁。由于整个武汉站结构呈现复杂的三维特性，构件的平面内和平面外也难以区分。V撑的计算截面是变化的，每个截面的物理特性都是不同的，难以准确描述其物理量，如：截面积(A)、惯性矩(I)等等。,三
4、、课题选择,2.结构设计规范的限制,武汉站结构设计,(3)确定课题,武汉站的建筑造型和效果是项目的生命，结构应该配合建筑师完成建筑设计理念。必须维持变截面构件的形态，不改变建筑的外形。同时，由于结构设计规范中对变截面的构件的稳定强度验算没有提出具体方法，而武汉站又面临着现实的问题需要解决，因此QC小组成员提出：在武汉站设计中，需要对变截面杆件的设计提出可行的方法，并在设计中予以应用。通过理论上的初步分析和计算工具的功能分析，小组成员一致认为“钢结构变截面压弯构件设计”可作为QC小组活动课题。,四、目标设定及可行性分析,1.课题目标,武汉站结构设计,(1)探索变截面压弯构件的计算方法(2)变截面
5、构件的应力比1.0,2.目标可行性分析,(1)对于具有固定几何参数的变截面构件，其受力特性应该是一定的。设计人员要做的工作就是找到一种方法去描述这种必然性。(2)设计人员通过大量的结构设计工作，特别是我院参与的多项大型项目的磨炼，已经具有了比较强的理论分析能力和操作能力。(3)目前的计算软件发展已经日新月异，达到了一个比较高的水平，配合理论研究，是可以解决决大部分结构设计问题的,五、提出方案并确定最佳方案,1.变截面构件计算的基本问题,武汉站结构设计,(1)构件的失稳破坏是由于初始缺陷引起的结构承载力降低。(2)变截面构件的稳定破坏与等截面杆件的破坏机理是一致的。(3)计算需要紧扣规范进行，需
6、要l0、EA、EI等计算数据,2.提出方案并比较优缺点,(1)通过试验的方法，进行数据统计，结合等截面杆件的设计参数，对不同直径比的杆件提出可行的计算参数。优点:可以直观的得到构件的稳定强度。缺点：需要进行大量的试验才能符合统计学上要求，才能符合设计使用的要求。,五、提出方案并确定最佳方案,武汉站结构设计,2.提出方案并比较优缺点,(2)通过理论分析，进行数值积分，对构件进行精确的数学计算。优点:可以得到精确解。缺点：计算量太大，效率极低。(3)分别按照最大截面和最小截面的等截面杆件进行计算，按照长度加权取值或者平均值。优点:计算过程简化，而且有规范可用。缺点：没有一个准确的目标值，无法知道计
7、算结果是否慢足要求，计算结果或者太保守造成浪费，或者结构的不安全。(4)按照面积等效进行计算(EA等效)。优点:可以准确求解轴压应力。缺点：弯曲应力计算不准确。(5)按照惯性矩等效进行计算(EI等效)。优点:可以准确求解弯曲应力。缺点：轴压应力计算不准确。(6)按照屈曲计算得到l0，同时按照等效的EA EI进行等截面计算 优点:可以准确求解变截面构件各项物理特性，进而计算构件的稳定强度。缺点：每个杆件都需计算多项物理特性值，需要大量的计算资源，如：人力，软件的占用。,3.提出方案,通过以上分析、比较，小组成员一致认为方案(6)为实现变截面杆件计算的最佳方案！,五、提出方案并确定最佳方案,武汉站
8、结构设计,4.最佳方案流程分析,设计流程图,选择需要计算的变截面构件,确定构件两端的支座并建立变截面模型,按照简支梁施加水平力q计算侧向位移f,支座的选择对计算结果影响较大,按照简支梁竖向力进行屈曲计算,按照简支梁竖向力F计算竖向位移,计算等效EI,得到第一阶屈曲荷载值,计算等效EA,得到等效计算长度,按照规范的等截面计算公式进行计算,五、提出方案并确定最佳方案,武汉站结构设计,5.分析关键步骤,(1)确定边界条件：边界可能自由端、铰接、固结。(2)构件计算：必须进行EA、EI、l0的计算和换算并进行构件计算。,六、制定对策,武汉站结构设计,对策表,七、实施对策,武汉站结构设计,1.确定边界条
9、件,在SAP2000中进行整体模型计算,(1)按照整体模型计算。(2)计算时，按照中间截面，等截面进行计算。(3)按照计算的固端弯矩进行判断边界条件,变截面杆件简化为等截面杆件,七、实施对策,武汉站结构设计,1.确定边界条件,弯矩较小处，按照铰接支座考虑,弯矩较大处，可按照固定支座考虑,七、实施对策,武汉站结构设计,1.确定边界条件,边界确定,七、实施对策,武汉站结构设计,2.构件计算,(1)按照实际构件截面建立模型。,(2)施加水平荷载。,施加水平力q,计算等效EI,计算侧向位移f,七、实施对策,武汉站结构设计,2.构件计算,(3)施加竖向荷载。,按照简支梁竖向力F计算竖向位移,计算等效EA
10、,得到第一阶屈曲荷载值,得到等效计算长度l0,(4)施加竖向荷载。,七、实施对策,武汉站结构设计,2.构件计算,(4)进行构件计算。,八、效果检查,武汉站结构设计,1.设计经过三家单位的确认,已经将新方法的应用到了设计中，设计文件和设计图通过了三家审察单位的确认，已经开始加工制作。,八、效果检查,武汉站结构设计,2.将本设计方法写入了武汉站的研究报告，正在提交业主组织评审相关成果已经完成论文，被建筑结构收录,八、效果检查,武汉站结构设计,通过开展QC活动，完成了武汉站“钢结构变截面压弯构件设计”,效果检查表,九、标准化与巩固措施,武汉站结构设计,提出了变截面构件计算的一个新方法，从计算的源头着
11、手,有条理的解决了设计中的问题。并对相关成果进行了总结，制定了设计的基本流程，形成了报告和论文。通过本次活动，提高了设计水平，增强了面对新、难工程的设计信心和解决具体问题的能力，达到了预期的目的。为了使本次活动的成果进一步深化、巩固和提高，我们将经常组织学习并定期开展知识培训活动，进行技术交流，更好地学习掌握先进的经验和技术；同时深入工程现场调研，将设计、施工有效地结合起来，使结构设计更好的服务于建筑设计。,十、总结与今后打算,武汉站结构设计,(1)小组通过本次QC小组活动，不仅取得了显著的技术及社会效益，而且使小组成员运用QC方法、个人能力、团队精神、质量意识等都有了明显提高。(2)由于建筑设计的千变万化，给结构设计不断带来新的挑战，本次QC小组活动，给了我们很多挑战难题的信心和战胜困难的决心。(3)积极协助建设单位，对武汉站的研究成果进行评审。(4)关注各种结构形式的应用，研究基础理论，并结合理论研究对设计中的盲点进行探讨。,汇报结束，谢谢！,
