石景山体育馆网壳结构加固研究

第8卷第22期2008年11月 1671—1819(2008)22·6145．04 科学技术与工程 ScienceTechnologyandEngineering VoL8 No．22Nov．2008 @2008Sci．Tech．Engng． 石景山体育馆网壳结构加固研究 徐丽丽1，2 吕晓寅1 高 日1 (北京交通大学土木建筑工程学院1，北京100044；博来思(北京)管道技术有限公司2，北京100085) 摘要石景山体育馆网壳结构始建于1989年，杆件锈蚀、和计算方法的改变，需对石景山体育馆网壳结构进行静 动力，找出结构存在的问题：结果部分杆件强度不足，部分杆件刚度不足。碳纤维加固混凝土结构的工程较多，而加固钢 结构。特别是轴心受压构件的工程较少。本文依据钢结构加固原理，采用了新型加固方法——碳纤维(FRP)加固法来增大杆 件的强度，通过增设附加支撑来改变杆件的刚度。分析了FRP粘贴长度和厚度对受压构件屈曲荷载的影响，并提供了本结构 中所需的粘贴长度及厚度。 关键词网壳结构 钢结构加固 支承 FRP 中图法分类号TU398．9； 文献标志码A 石景山体育馆经过近20年的使用，由于防水层 老化，造成了钢筋混凝土边梁上的球节点以及杆件 出现锈蚀，又由于设计规范和计算方法的变迁，有 必要对此在役网壳结构进行受力分析，进而确定加 固‘1’2】。 1工程概况 石景山体育馆网壳总建筑面积8459m2，固定 坐席3000座，该馆采用下沉式结构∞J。屋盖结构 平面为正三角形，边长99m，由三片四边形的双曲 抛物面双层钢网壳组成，覆盖面积为4244m2，各网 壳支承在中央的三叉形格构式刚架和外缘的钢筋 混凝土边梁上，如图l所示。 本工程中每个网壳的短边长29．0m(水平投影 26．2m)．长边长46．9m(水平投影45．4m)，设计 中将每边十等分，所形成的网格尺寸比较适中。由 于在20世纪80年代时对双曲抛物面网壳的稳定问 题研究得还不够，对于这种中等跨度的网壳，不敢 贸然设计成单层，网壳的厚度为1．5m。 2008年8月4日收到 图l 石景山体育馆外观及模型图 2网壳结构静动力性能分析 采用SAP2000有限元软件对此在役双层网壳 结构进行静动力性能分析。 2．1建立模型 网壳结构的边缘构件为大截面混凝土边梁和 万方数据 6146 科学技术与工程 8卷 三叉的格构钢架梁，可视为网壳结构的弹性支承， 将这种弹性支承和刚性支承下的分析结果进行对 比，内力变化最大为1．6％，位移变化为0．4％。说 明这两种边缘构件刚度很大，对结构的内力位移影 响很小，可以按刚性支承来分析整个结构。 2．2杆件截面 在混凝土边梁处的杆件由于锈蚀截面削弱，需 要重新选择截面。经该处杆件大约锈蚀厚度 为2mm左右。 2．3设计荷载 恒荷载(包括屋面荷载、网壳自重、设备重)、活 荷载、雪荷载及风荷载，并通过计算程序设置地震 作用及温度荷载。对以上各种作用进行工况组合。 2．4结构分析 分析结果表明结构存在两个方面的问题：强度 不足和刚度不足。 2．4．1强度不足 图2为静力作用下结构的应力图，部分杆件应 力超限，具体位置是支座处腹杆，超限杆件应力比 见表1。 图2静力作用下应力比 表1超限杆件应力比 编号 721741 761781 8016691544 应力比1．3391．3541．3871．1921．3551．2731．483 2。4．2刚度不足 图3为地震作用下应力图，无杆件出现应力超 限，但部分杆件刚度不足，长细比过大，见表2，即图 3中的红色杆件。 图3地震作用下应力比 表2长细比计算 编号 2168 21702186218： 入 155 163 155 171 [入] 150 150 150 150 163 150 3加固方案研究 加固从两个方面进行，一是增大杆件的强度， 二是改变杆件的长度。考虑到杆件的刚度是平面 外不足，而杆件应力是在静力下超限，因此首先增 大杆件的强度，然后再改变杆件的计算长度。 3．1粘碳纤维增大杆件的强度 近年来，由于纤维增强复合材料(FRP)具有优 异的物理、力学性能，如强度和刚度高、抗疲劳性能和 耐腐蚀性能好、施工方便、施工周期短、不损伤原结构 等，已广泛应用于土木工程结构的加固和修复中[4]。 根据功能原理推导出FRP加固轴心受压构件 屈曲荷载的计算公式‘5】 Pcr：警警× -+专【罟一1】【专半“n(笔半)】 (1) 式中：(肼)，为加固区域截面的组合抗弯刚度；(E1)r_睇业鼍竽盟恼掣 (2) 万方数据 22期 徐丽丽，等：石景山体育馆网壳结构加固研究 6147 厶为钢构件中粘贴FRP区域的长度；D。为损伤区 域的外径；d为钢管的内径；岛为FRP沿钢构件轴 线方向的弹性模量；以为钢构件的弹性模量；t。为 FRF的厚度。 利用以上公式分析FRP长度及厚度对构件承 载能力的影响，并绘制对比图4。 蚕 、 辚 稼 氧 匣 O．0 O．5 1．0 1．5 2．O FRP长度／m (a)FRP不同长度下的屈曲荷载 36 Z 《34 铤 栏32 巷30 28 0 l Z 3 4 5 FRP厚度／mm (”FRP不同厚度下的屈曲荷载 4 FRP加固轴心受压钢管的屈曲荷载 由此图可以看出增加FRP的粘贴长度能够有 效增大构件的刚度，提高屈曲荷载；而增加FRP的 厚度对提高屈曲荷载并不明显。因此可以对这些 杆件实施如下加固方法：FRP的厚度为2mm，粘贴 长度为2m，从中部开始两边各1nl。表3—1列出 了加固杆件的实际内力和加固后的承载力。 表3—1加固杆件内力 编号 721 741 761 781 801 669 1 544 内力／N 558445798160449524705971I52433“628 芸熟429s9私。酪“6勰4527，邪z7—4zs76必6zs 嬲N59455“甜s6s，8970勰z7090057螂鲫20 3．2增设附加杆件增大杆件的刚度 对于上下弦杆各有一个支撑点的构件，在上弦 杆件所在平面内对上弦杆件加支撑，在下弦杆件所 在平面内对下弦杆件加支撑。如图5(a)所示。采取 就近原则，在节点l和节点2之间、节点3和节点4 之间加支撑杆件。支撑杆件一端与原有球节点焊 接，另一端与待加固弦杆相贯。 对于上弦杆有3个支撑点，对下弦杆有1个支 撑点，加固原则同图5(a)一样，加固后图形如图5 (b)。加固后，长细比满足要求。 图5弦杆加固方案 加固完成后对结构进行校核分析，采用 SAP2000有限元软件重新计算，包括各种工况下的 静力分析及动力分析。分析结果为：杆件的最大应 力：193．5MPa<215MPa；节点的最大位移：28．65 mill<52417ram／400=131．04mln。杆件的应力和 节点的位移均在允许范围以内，所以加固后该结构 是安全的。 4结束语 对在役网壳结构进行受力性能分析后，引进了 新型加固方法——粘贴FRP加固轴心受压构件，并 分析了影响加固效果的两个因素——FRP厚度及 长度。但并没有具体考虑各种缺陷的影响，而国内 外对FRP加固钢结构的研究和应用则相对较少，因 此研究FRP在钢构件的拉压、损伤、疲劳等方面的 加固原理和具体加固措施成为加固钢结构的关键。 参考文献 l 完海鹰，郭裴．CFRP加固钢结构的现状与展望．安徽建筑工业 学院学报，2006；14(6)：63—64 2清华大学土木工程系．CECS77：96．1996．《钢结构加固技术规 范》．北京：1996：6—22 (下转第6152页) 万方数据 6152 科学技术与工程 8卷 StudyontheRelationsbetweenSoilIntensity andDensityofDifferentWaterContentConditions J[NJuan-juan，ZHANGLin-hong，WUHua—Jinl，LIHong．be (FacultyofElectricPowerEllgineerins，KunmingUniversityofScienceandTechnology，Kumnillg650051，ERChina； YunnanTra伍cAdv妇yLimitedCompanyl，Kumming650031，P．RChina) [Abstract]Inordertoexploretherelationsbetweentheintensityanddensityofsoilindifferentwatercontent conditions，particularlyinhigh·moistureconditions，80goesthefollowingtestoftwokindsofclaysoil．Afterexperim— entizeunconfinedcompressives骶ngthtest，theresultsshowed：inlowmoistureconditions(1essthantheplasticlim- it)，soilintensityincreasesalongwiththedensitycontinuouslyimproving．Inhighmoistureconditions(greaterthan orequaltotheplasticlimit)，theintensityofsoilwillh印ponwithacriticaldensity(thedensityusuallyabout0．90 —0．95)correspondingtothepeal【，muchfinerthesoil，muchlowerthecriticaldensity．Sointheactualproject constructionprocess，theproposalistostrictlycontrolthemoistureofthefiuingsoil．Inhishmoistureenvironment construction，itisadvisabletocontroltheproposedreclamationsoilcompactnessaroundthecriticaldensity． [Keywords]chysoil intensitywatercontentplastic—limitcritical—densityunconfinedcorn- pressivestrengthtest (上接第6147页) 3沈世钊，顾年生．亚运会石景山体育馆组合双曲抛物面网壳屋盖 结构．建筑结构学报，1990；II(1)：2l—29 4王静娟，陈占峰．结构构件常用加固方法的优略．河南建材，2006； (3)：62—62 5吕烈武，沈世钊，沈祖炎，等．钢结构构件稳定理论．北京：中国建 筑工业出版社。1993 ResearchonStrengtheningofSheHStructureNamedShijingshanStadium XULi．1i1”，哟Xiao-yinl，GAO掰1 (SchoolofZnsin∞'ri=s&Architecture，BeijinsJiaotongUnivemityl，Beijin8100044。ElLChi眦； BRASS(Beijins)PipelineTeclmolosie．，瑚2，tleijlns100085。P．ILChin) [Abstract]TheshellstructureofShijingshanStadiumwagestablishedin1989．TheshellstructureofShijingshan Stadiumisanalyzedontheaspectsofstaticanddynamic，thentheproblemsofthestructruewillbefound．：the strengthofsomebarsisinadequateandthestiffnessofsomebarsisnotenough．FBPI℃iⅢ．orcemethodisusedin concretestructurewidely，butfewerinsteelstructure，especiallyforcomponentsinaxialcompression．Inthispaper， Basedonthestrengtheningprinciples。theintensityofbarisincreased访tlInewmethodofFBP．Additionalbraces areusedtochangethestiffnessofbars．Theeffectsonbars'bucklingloadbyFBPpastelengthandthicknessa弛an- alyzedandtheneededlengthandthicknessinthestructureisprovided． [Keywords]shellstructurethestrengtheningofsteelstructuresupportFRP 万方数据 石景山体育馆网壳结构加固研究 作者： 徐丽丽， 吕晓寅， 高日， XU Li-li， LV Xiao-yin， GAO Ri 作者单位： 徐丽丽,XU Li-li(北京交通大学土木建筑工程学院,北京,100044;博来思,北京,管道技术有 限公司,北京,100085)， 吕晓寅,高日,LV Xiao-yin,GAO Ri(北京交通大学土木建筑工程学 院,北京,100044) 刊名： 科学技术与工程 英文刊名： SCIENCE TECHNOLOGY AND ENGINEERING 年，卷(期)： 2008，8(22) 引用次数： 0次 参考文献(5条) 1.完海鹰.郭裴 CFRP加固钢结构的现状与展望[期刊论文]-安徽建筑工业学院学报（自然科学版） 2006(6) 2.清华大学土木工程系 CECS 77-1996.钢结构加固技术规范 1996 3.沈世钊.顾年生 亚运会石景山体育馆组合双曲抛物面网壳屋盖结构 1990(1) 4.王静娟.陈占峰 结构构件常用加固方法的优略[期刊论文]-河南建材 2006(3) 5.吕烈武.沈世钊.沈祖炎 钢结构构件稳定理论 1993 相似文献(1条) 1.学位论文 徐丽丽 在役双层双曲抛物面网壳结构受力分析及加固研究 2008 网壳结构广泛应用于民用与工业建筑，随着时间的推移，由于设计规范及分析方法的不同、杆件的锈蚀老化、荷载的变化等因素，使得对在役网壳 结构受力性能分析以及加固方案研究成为实际工程的迫切需要。 本文介绍了在役网壳结构的分析方法，详细阐述了钢结构加固的方法。在这些理 论的基础上，建立有限元模型，包括使用荷载的计算、节点性质的简化、支承的简化等。 对网壳结构进行静动力分析，找出受力不利构件。采用 美国的Elcentrol波，中国天津(1976)地震记录和一组人工加速度时程曲线进行动力分析，并按8度区对加速度峰值进行调整。将时程分析结果和反应谱 分析结果了进行比较。在分析过程中，讨论了节点刚度及支承刚度对自振特性的影响，分析了阻尼比对结构时程响应的影响。 依据钢结构加固原 理，采用了卸载加固和碳纤维(FRP)加固的方法来增大杆件的强度，采用改变结构受力体系的方法一增设附加支撑来改变杆件的长细比。详细讨论了卸载 过程中以及更换杆件后结构内力的变化，分析了FRP粘贴长度和厚度对受压构件屈曲荷载的影响，并提供了本结构中所需的粘贴长度及厚度。 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_kxjsygc200822043.aspx 下载时间：2010年1月13日