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【案例赏析】宁波第一个椭球形铝合金网壳设计施工技术要点

宁波市第一个铝合金结构网壳—海曙区段塘学校体艺楼网壳屋面,坐落在环城南路以南、南塘河以东,以其独特的椭球形造型,犹如一颗夺目的明珠,散落在海曙区段塘学校的一角,为美丽的校园增色不少。

上图来源于:宁波市规划局微博


建设中的铝合金网壳结构

1、项目概况

项目名称:宁波市海曙区段塘学校扩建工程

项目地点:浙江省宁波市海曙区段塘中路以北,鄞奉路以西,环城南路以南,南塘河以东

结构设计单位:宁波市民用建筑设计研究院有限公司

铝合金网壳深化单位:同济大学郭小农研发团队
铝合金网壳施工单位:慈溪市利民钢结构有限公司

本工程结构体系为单层网壳,支撑在下部混凝土结构上,椭球形网壳总长约51米,总宽约33米,结构高度约20米。整体网壳通过下部埋设于砼环梁的28个埋件支座进行支承。


        铝合金结构构件及节点板选用6061-T6铝合金,铝合金结构构件选用工字形和矩形挤压型材;铝合金表面处理为阳极氧化,银白色,AA15。

典型节点如下:


2、构件加工流程

2.1 铝合金杆件加工制作流程

铝合金杆件压铸加工


铝合金铣除矩型槽多余部分


数控钻孔


2.2 圆盘加工流程

 

节点圆盘浇铸成形、成孔


压型后的节点圆盘

        椭球形网壳不同位置不同高度的节点圆盘尺寸和各项弧度均不相同。


3、安装流程

3.1 杆件安装

(1)埋件复测完成,支座杆件调整完毕就位后,即进行支座与第一环间杆件的安装。


(2)第一道起始杆及腹板安装后,进行背面圆盘的安装


(3)环杆安装:背部圆盘就位后,进行环杆的安装

(4)上部腹杆安装安装前架设临时支撑—中性方木(等上一环闭合后进行卸除,备用于上上环的安装)

(5)上部腹杆安装:临时支撑就位后,接着进行上部腹杆的安装

(6)正面圆盘安装:上部腹杆就位。

(7)第一环安装完成,测量校正。对有偏差的进行调整后,即同理进行上环结构的安装。

(8)安装到第三环(门洞上部),所有杆件调整到设计尺寸要求,再同理进行上部结构的安装。第四环进行复测,对有偏差的进行调整,再进行第五环杆件的安装。依次每三环进行复测一次,使杆件的安装满足设计要求。

(9)安装到合拢前的内三环,再次进行复测,最后经过复测结果分析再通知生产厂家加工最后三环的杆件,确保合拢顺利。


4、铝合金安装过程的固定

(1)临时固定

杆件安装时采用两组不锈钢冲钉或普通镀锌螺栓进行对边临时固定。

安装螺栓临时固定照片

        前三环安装合拢前后,均需用全站仪对安装精度进行复测,构件安装出现偏差需及时修整,确保整体的安装精度。


(2)整体合拢及拉铆钉更换

        最后一环壳体安装完成后,对安装螺栓全部更换为不锈钢拉铆钉。

安装螺栓更换为不锈钢拉铆钉照片

        铝合金板式节点是美国TEMCOR公司的专利产品,采用拉铆钉作为紧固件,其安装步骤如下图所示。

上图为虎克螺栓


上图为虎克螺栓的安装步骤

        从图中步骤(2)~(3)可见,拉铆钉的夹紧力是通过配套工具挤压套环使其发生塑性变形产生的。在这个过程中,套环直径减小,长度增加;同时钉杆被拉伸,从而产生了精确的夹紧力。


5、设计要点

5.1 独特的设计方法

        为了解决传统铝合金板式节点单层网壳的设计工作量大、节点验算繁琐、深化放样复杂等问题,研发了一套基于ANSYS、ABAQUS和ObjectARX平台的铝合金板式节点单层网壳设计系统。

        用户输入结构参数后,该系统可自动生成ANSYS的APDL命令流文件,完成参数化建模、荷载输入、静力分析、动力分析和杆件截面优选;并进一步完成结构整体稳定分析,自动生成结构分析计算书。然后,对节点进行分类并完成板式节点设计,用户需要时可生成典型节点的ABAQUS分析模型。最后,通过数据接口将设计结果传送至AutoCAD中,并基于ObjectARX程序包进行二维加工图的批量绘制;并在此基础上绘制三维实体模型,以辅助结构制作和安装。


        详细内容可参见《基于多平台的铝合金板式节点网壳设计系统》~2018年“建筑钢结构进展”期刊,论文作者:郭小农、朱劭骏、罗晓群。


5.2 铝合金板式节点承载力计算

        针对A类杆件和B类杆件,分别进行了杆件翼缘与节点板的螺栓抗剪强度验算、螺栓孔壁承压强度验算、杆件净截面强度验算。B类杆件净截面破坏的不利路径共八种,分别对其破坏线净截面强度进行验算。


5.3 没有完全相同的连接节点

        椭球形网壳不同高度、不同平面位置结构各处的曲率、节点板的拱度、直径、孔位均不相同,杆件的长度和夹角均不相同,这为深化设计和加工生产带来了巨大的难度。

两条贯通的直线分别代表椭球的经线和纬线


6、施工过程照片和视频


        该建筑坐落在美丽的南塘河边,建成后,将成为海曙区段塘学校的标志性建筑。

现场安装视频



结构设计单位:宁波市民用建筑设计研究院有限公司

铝合金网壳深化单位:同济大学郭小农研发团队

铝合金网壳施工单位:慈溪市利民钢结构有限公司


        感谢”慈溪市利民钢结构有限公司“提供相关素材,他们是一家专业从事铝合金结构、钢结构施工安装的企业,近些年承接了大量高难度的铝合金结构项目施工。


来源:钢结构设计,编辑:Steeler、曾强,转载请注明。


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作者: ganggouren

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