CN114809586A - 一种高层建筑结构设计与爬架设计安装协同优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高层建筑结构设计与爬架设计安装协同优化方法,涉及建筑施工技术领域。该高层建筑结构设计与爬架设计安装协同优化方法,具体操作如下:爬架、建筑结构设计时考虑局部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构及模板支撑架、幕墙玻璃等荷载。该高层建筑结构设计与爬架设计安装协同优化方法,安全可靠,将局部楼层建筑外墙线条悬挑结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构优化设计为轻钢角钢骨架外包水泥纤维板技术经济效果好,安装时有效地加快了附墙支座安装效率,能充分应用爬架,确保了施工工期。
Description
技术领域
本发明涉及建筑施工技术领域,具体为一种高层建筑结构设计与爬架设计安装协同优化方法。
背景技术
目前,高层建筑结构设计与爬架设计、安装协同方法,是通过建筑结构图设计爬架确定附墙支座预埋附墙螺栓PVC套管,浇筑完混凝土拆模安装附墙支座,这种安装方法存在的弊端是:在外立面复杂的高层建筑使用爬架,通过建筑结构图设计爬架确定附墙支座位置预埋附墙螺栓PVC套管,浇筑完混凝土拆模安装附墙支座,结构设计、爬架设计未考虑局部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构及模板支撑架、幕墙玻璃等荷载,局部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构、幕墙玻璃施工不能充分应用爬架,局部使用悬挑架存在安全隐患,局部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构、幕墙玻璃施工缓慢,成本高等问题,延误了工期,增加了劳动强度,影响正常施工和存在安全隐患。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足,本发明提供了一种高层建筑结构设计与爬架设计安装协同优化方法,解决了现有技术中,在外立面复杂的高层建筑使用爬架,通过建筑结构图设计爬架确定附墙支座位置预埋附墙螺栓PVC套管,浇筑完混凝土拆模安装附墙支座,结构设计、爬架设计未考虑局部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构及模板支撑架、幕墙玻璃等荷载,局部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构、幕墙玻璃施工不能充分应用爬架,局部使用悬挑架存在安全隐患,局部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构、幕墙玻璃施工缓慢,成本高等问题,延误了工期,增加了劳动强度,影响正常施工和存在安全隐患的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的,本发明通过以下技术方案予以实现:一种高层建筑结构设计与爬架设计安装协同优化方法,具体操作如下:
进行荷载计算,具体操作如下:按架体最大跨度计算荷载,架体高度13.5米,跨度6.0米(允许最大跨度),宽度0.6米(取架体外轮廓宽度),架体防护面积81M2,活荷载的计算应根据施工具体情况,按使用、升降及坠落三种工况来确定控制荷载标准值;
计算风荷载ωk;
ωk=βz·μz·μs·ω0
βz-风振系数,一般取1;
μz-风压高度变化系数,按国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定采用;
μs-风荷载体型系数;μs=1.3φ,φ-挡风系数,为脚手架挡风面积与迎风面积之比;防火安全立网的挡风系数φ=0.6;μs=0.78;
ω0-基本风压值,按国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定采用;
ωk=1×2.1×0.78×0.3=0.5kN/m2
因此风荷载F=0.5×13.5×5.0=33750N;
计算,荷载效应组合值S;
依据规范取:恒荷载分项系数γG=1.2;活荷载分项系数γQ=1.4;使用工况荷载不均匀系数γ2=1.3,升降、坠落工况荷载不均匀系数γ2=2。
使用工况:
S=1.3×(γGSGK+γQSQK)=1.3×(1.2×24464+1.4×16200)=67.6kN
升降工况:
S=2×(γGSGK+γQSQK)=2×(1.2×24464+1.4×2700)=66.3kN
坠落工况(使用工况):
S=2×(γGSGK+γQSQK)=2×(1.2×24464+1.4×16200)=104kN
坠落工况(升降工况):
S=2×(γGSGK+γQSQK)=2×(1.2×24464+1.4×2700)=66.3kN;
焊接制作成定型框架,主要承受垂向荷载,依据规范,导轨的承受力应依据荷载效应组合值最不利情况计算;
导轨最大弯矩为:Mmax=FH/4,由于使用工况导轨由3个附墙之座固定,因此F=P/2=67.6/3=33.8KN,H为楼层高度;
Mmax=33.8×3/4=25.35KN.m,
σ=Mmax/Wz=25.35×106/287430.17=88.2N/mm2<[δ]=215N/mm2。满足使用要求。
防坠挡杆抗剪计算:
防坠挡杆为φ25mm圆钢,焊接在两根∮48钢管之间,主要承受剪力。
使用工况防坠落时为最不利情况,P=104kN,
τ=P/A=104000/2×490.6=106N/mm2<[fv]=120N/mm2。满足使用要求。
防坠挡杆焊缝抗剪计算:
防坠挡杆采用直角圆周焊,焊缝高度hf≥6mm,由《钢结构设计规范》中“直角角焊缝的强度应按下列公式计算:在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下,当力垂直于焊缝长度方向时,σf=Nv/helw≤βfffw;当力平行于焊缝长度方向时,τf=Nv/helw≤ffw,另由《钢结构设计规范》自动焊、半自动焊和E43型焊条的手工焊,Q235钢的角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度:ffw=160N/mm2。总焊缝长度:L=2×3.14×25=157mm
焊缝有效高度:he=0.7hf=0.7×8=5.6mm
按最不利情况计算,使用工况防坠落时为最不利情况,由1个防坠器承担载荷,Nv=P使坠=126.89KN。
τf=Nv/helw=126.89×103/5.6×157=144.3N/mm2<ffw=160N/mm2
导轨与架体连接螺栓抗剪验算:
每个导轨通过26个M16螺栓与架体连接,螺栓抗剪截面积为157mm2,坠落工况连接螺栓抗剪验算为:
τ=S/26A=126.89×103/26×157=31.08N/mm2<[fv]=125N/mm2
满足使用要求;
附墙支座主要在使用和升降防坠落工况下起保护作用,在架体正常升降工况下主要起导向的作用。架体承受的荷载作用在附墙支座A-A处,附墙支座不仅承受垂直向下的荷载,还要承受附加弯矩;
进行支座支撑腹板验算;
使用工况防坠落时为最不利情况,垂直向下的荷载G104kN,产生的附加弯矩
M=104000×179=18616000N.mm。
附墙支座腹板与上连接板焊接为一体,则该组合体的极惯性矩
截面抗弯模量Wz=149973.8mm3。
抗弯强度σ=M/W=18616000/149973.8=124.1N/mm2<[fv]=215N/mm2。
满足使用要求。
由计算结果知,单个支座满足要求,实际在使用工况下,共有三道支座同时作用,完全满足使用要求。
附墙支座焊缝强度计验算
附墙支座采用直角焊,焊缝高度hf≥6mm,由《钢结构设计规范》中“直角角焊缝的强度应按下列公式计算:在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下,当力垂直于焊缝长度方向时,σf=Nv/helw≤βfffw;当力平行于焊缝长度方向时,τf=Nv/helw≤ffw,另由《钢结构设计规范》自动焊、半自动焊和E43型焊条的手工焊,Q235钢的角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度:ffw=160N/mm2。
总焊缝长度:L=2×395=790mm
焊缝有效高度:he=0.7hf=0.7×6=4.2mm
按最不利情况计算,使用工况防坠落时为最不利情况,Nv=104kN。
τf=Nv/helw=104000/4.2×790=31.3N/mm2<ffw=160N/mm2
满足使用要求;
进行附墙吊挂座验算,附墙吊挂座采用直角焊,焊缝高度hf≥6mm,由《钢结构设计规范》中“直角角焊缝的强度应按下列公式计算:在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下,当力垂直于焊缝长度方向时,σf=Nv/helw≤βfffw;当力平行于焊缝长度方向时,τf=Nv/helw≤ffw,另由《钢结构设计规范》自动焊、半自动焊和E43型焊条的手工焊,Q235钢的角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度:ffw=160N/mm2。
总焊缝长度:L=2×320×2=1280mm
焊缝有效高度:he=0.7hf=0.7×6=4.2mm
架体提升时,荷载组合效应值S=66.3kN。
τf=Nv/helw=66300/4.2×1280=12.3N/mm2<ffw=160N/mm2;
下吊挂件采用直角焊,总焊缝长度:L=200×4=800mm
焊缝有效高度:he=0.7hf=0.7×6=4.2mm
架体提升时,荷载组合效应值S=61.3kN。
τf=Nv/helw=66300/4.2×800=19.7N/mm2<ffw=160N/mm2
满足使用要求;
进行穿墙螺栓验算,
按架体最不利情况计算,P取使用工况坠落时的效应荷载为104KN。
经受力分析简化模型后可得:
由此可见可以满足安全要求;
附墙吊挂座采用M30螺栓,采用8.8级M30高强螺栓,螺栓在使用时承受剪力和向外的拉力,由建筑结构荷载设计规范GB50017-2003中“同时承受剪力和杆轴方向拉力的普通螺栓和铆钉应分别符合下列公式的要求:
按架体升降过程中,S取升降工况坠落时的效应荷载为104KN。
经受力分析简化模型后可得:
进行水平桁架验算,最不利杆件验算
根据计算结果分析,最不利杆件为:
拉杆N3-4=N4-3=N8-7=25.68kN;压杆N2-3=N3-2=N7-8=25.68kN;压杆F2-5=15.56kN
(1)拉杆N3-4=N4-3=N8-7
σ=N/A=25680/480.8=53.4<[fv]=215N/mm2
(2)压杆N2-3=N3-2=N7-8
σ=N/A=25680/480.8=53.4<[fv]=215N/mm2
(3)压杆F2-5
满足使用要求;
进行架体稳定性验算,在正常使用状态下,主框架承受的垂向荷载作用在架体截面形心处。
在使用工况且考虑风荷载作用下,架体内外立杆(80×40×3矩形管)不仅要承受恒荷载和活荷载,还要承受风荷载产生的剪力和弯矩影响。
在使用工况下,架体上的荷载为67.6kN,风荷载产生的最大剪力值为9.62kN,风荷载产生的弯矩最大值为23.81kN.m。
架体的垂向荷载由内、外两根立杆承受,则单根立杆承受的荷载为F=67.6/2=33.8kN。
立杆采用80×40×3的矩形管,最大长度l=6m,惯性矩IX=52.246cm4,IY=17.552cm4,截面模量WX=13.061cm3,WY=8.776cm4,截面积A=6.608cm2。
立杆抗剪强度τ=F/A=9620/660.8=14.5N/mm2<[fv]=125N/mm2。满足使用要求。
满足使用要求;
架体在提升完毕后,由于要将墙体上最下端的附墙支座拆下来向上转移使其成为最上端的附墙支座,在转移的过程中,架体实际上只有两个附墙支座在起作用,因此需对该情况进行计验算。
架体在提升过程中,主要承受恒荷载和较大的风荷载,还有部分活荷载,这里以使用工况下架体承受的全部荷载来计算。
在使用工况下,架体上的荷载为67.6kN,风荷载产生的最大剪力值为17.31kN,风荷载产生的弯矩最大值为58.43kN.m。
立杆抗剪强度τ=F/A=17310/660.8=26.2N/mm2<[fv]=125N/mm2。
满足使用要求。
满足使用要求。
辅助立杆计验算
升降工况下,架体的提升力F=66.3kN,下吊点担在辅助立杆和内立杆上,则辅助立杆承受的荷载F=66.3/2=33.15kN。
进行穿墙螺栓孔处混凝土承载力验算,穿墙螺栓孔处混凝土其承载力应按下式验算:Nv≤1.35βbβlfcbd
βb-螺栓孔混凝土受荷计算系数,取βb=0.39;
βl-混凝土局部承压强度提高系数,取βl=1.73;
fc-上升时混凝土轴心抗压强度设计值,取fc=11.9N/mm2(C25混凝土);
b-混凝土外墙厚度,取b=200mm;
d-穿墙螺栓直径;
经计算,1.35βbβlfcbd=65kN
架体提升时,附墙吊挂座穿墙螺栓孔处混凝土承受的荷载Nv=60kN,d=30mm
1.35βbβlfcbd=65kN,Nv=60kN<1.35βbβlfcbd=65kN;
根据上述计算参数进行搭建,具体操作如下:
爬架、建筑结构设计时考虑局部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构及模板支撑架、幕墙玻璃等荷载,对爬架架体构件、附墙支座进行设计,对附墙支座位置结构钢筋进行设计,安装前建立外立面复杂的高层建筑、爬架模型,根据爬架附墙支座标高、高层建筑外立面线条板标高、爬架立杆、走道板等构件位置和上下口标高进行碰撞检测,通过碰撞检测结果确定爬架附墙支座板尺寸及上下口标高、位置、部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构优化调整,考虑部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构模板支撑架不能在爬架上支撑,将部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构优化设计为50×50×3轻钢角钢骨架外包8mm厚水泥纤维板,50×50×3轻钢角钢骨架与预埋件焊接牢靠,中距500mm,50×50×3轻钢角钢骨架外包8mm厚水泥纤维板采用铆钉固定,调整后重复以上碰撞检测直至符合要求,安装时严格按照调整后的爬架附墙支座板尺寸及上下口标高、位置,预埋附墙螺栓PVC套管,浇筑完混凝土拆模安装附墙支座,直至爬架附墙支座安装完。
爬架附墙支座板尺寸及位置控制在10mm±5。
(三)有益效果
本发明提供了一种高层建筑结构设计与爬架设计安装协同优化方法。具备以下有益效果:
该高层建筑结构设计与爬架设计安装协同优化方法,安全可靠,将局部楼层建筑外墙线条悬挑结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构优化设计为轻钢角钢骨架外包水泥纤维板技术经济效果好,安装时有效地加快了附墙支座安装效率,能充分应用爬架,确保了施工工期,解决了结构设计、爬架设计未考虑局部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构及模板支撑架、幕墙玻璃等荷载,局部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构、幕墙玻璃施工不能充分应用爬架,局部使用悬挑架存在安全隐患,局部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构、幕墙玻璃施工缓慢,成本高等问题。
附图说明
图1是本发明所提出的高层建筑结构设计与爬架设计安装协同优化方法的示意图。
图1中:1、局部楼层建筑外墙线条悬挑结构,2、屋面架构局部悬挑混凝土结构,3、轻钢角钢骨架,4、水泥纤维板,5、爬架,6、附墙支座,7、附墙杆,8、立杆,9、走道板,10、铆钉,11预埋件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1,本发明提供一种技术方案:一种高层建筑结构设计与爬架设计安装协同优化方法,具体操作如下:
进行荷载计算,具体操作如下:按架体最大跨度计算荷载,架体高度13.5米,跨度6.0米(允许最大跨度),宽度0.6米(取架体外轮廓宽度),架体防护面积81M2,活荷载的计算应根据施工具体情况,按使用、升降及坠落三种工况来确定控制荷载标准值;
计算风荷载ωk;
ωk=βz·μz·μs·ω0
βz-风振系数,一般取1;
μz-风压高度变化系数,按国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定采用;
μs-风荷载体型系数;μs=1.3φ,φ-挡风系数,为脚手架挡风面积与迎风面积之比;防火安全立网的挡风系数φ=0.6;μs=0.78;
ω0-基本风压值,按国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定采用;
ωk=1×2.1×0.78×0.3=0.5kN/m2
因此风荷载F=0.5×13.5×5.0=33750N;
计算,荷载效应组合值S;
依据规范取:恒荷载分项系数γG=1.2;活荷载分项系数γQ=1.4;使用工况荷载不均匀系数γ2=1.3,升降、坠落工况荷载不均匀系数γ2=2。
使用工况:
S=1.3×(γGSGK+γQSQK)=1.3×(1.2×24464+1.4×16200)=67.6kN
升降工况:
S=2×(γGSGK+γQSQK)=2×(1.2×24464+1.4×2700)=66.3kN
坠落工况(使用工况):
S=2×(γGSGK+γQSQK)=2×(1.2×24464+1.4×16200)=104kN
坠落工况(升降工况):
S=2×(γGSGK+γQSQK)=2×(1.2×24464+1.4×2700)=66.3kN;
焊接制作成定型框架,主要承受垂向荷载,依据规范,导轨的承受力应依据荷载效应组合值最不利情况计算;
导轨最大弯矩为:Mmax=FH/4,由于使用工况导轨由3个附墙之座固定,因此F=P/2=67.6/3=33.8KN,H为楼层高度;
Mmax=33.8×3/4=25.35KN.m,
σ=Mmax/Wz=25.35×106/287430.17=88.2N/mm2<[δ]=215N/mm2。满足使用要求。
防坠挡杆抗剪计算:
防坠挡杆为φ25mm圆钢,焊接在两根∮48钢管之间,主要承受剪力。
使用工况防坠落时为最不利情况,P=104kN,
τ=P/A=104000/2×490.6=106N/mm2<[fv]=120N/mm2。满足使用要求。
防坠挡杆焊缝抗剪计算:
防坠挡杆采用直角圆周焊,焊缝高度hf≥6mm,由《钢结构设计规范》中“直角角焊缝的强度应按下列公式计算:在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下,当力垂直于焊缝长度方向时,σf=Nv/helw≤βfffw;当力平行于焊缝长度方向时,τf=Nv/helw≤ffw,另由《钢结构设计规范》自动焊、半自动焊和E43型焊条的手工焊,Q235钢的角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度:ffw=160N/mm2。总焊缝长度:L=2×3.14×25=157mm
焊缝有效高度:he=0.7hf=0.7×8=5.6mm
按最不利情况计算,使用工况防坠落时为最不利情况,由1个防坠器承担载荷,Nv=P使坠=126.89KN。
τf=Nv/helw=126.89×103/5.6×157=144.3N/mm2<ffw=160N/mm2
导轨与架体连接螺栓抗剪验算:
每个导轨通过26个M16螺栓与架体连接,螺栓抗剪截面积为157mm2,坠落工况连接螺栓抗剪验算为:
τ=S/26A=126.89×103/26×157=31.08N/mm2<[fv]=125N/mm2
满足使用要求;
附墙支座主要在使用和升降防坠落工况下起保护作用,在架体正常升降工况下主要起导向的作用。架体承受的荷载作用在附墙支座A-A处,附墙支座不仅承受垂直向下的荷载,还要承受附加弯矩;
进行支座支撑腹板验算;
使用工况防坠落时为最不利情况,垂直向下的荷载G104kN,产生的附加弯矩
M=104000×179=18616000N.mm。
附墙支座腹板与上连接板焊接为一体,则该组合体的极惯性矩
截面抗弯模量Wz=149973.8mm3。
抗弯强度σ=M/W=18616000/149973.8=124.1N/mm2<[fv]=215N/mm2。
满足使用要求。
由计算结果知,单个支座满足要求,实际在使用工况下,共有三道支座同时作用,完全满足使用要求。
附墙支座焊缝强度计验算
附墙支座采用直角焊,焊缝高度hf≥6mm,由《钢结构设计规范》中“直角角焊缝的强度应按下列公式计算:在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下,当力垂直于焊缝长度方向时,σf=Nv/helw≤βfffw;当力平行于焊缝长度方向时,τf=Nv/helw≤ffw,另由《钢结构设计规范》自动焊、半自动焊和E43型焊条的手工焊,Q235钢的角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度:ffw=160N/mm2。
总焊缝长度:L=2×395=790mm
焊缝有效高度:he=0.7hf=0.7×6=4.2mm
按最不利情况计算,使用工况防坠落时为最不利情况,Nv=104kN。
τf=Nv/helw=104000/4.2×790=31.3N/mm2<ffw=160N/mm2
满足使用要求;
进行附墙吊挂座验算,附墙吊挂座采用直角焊,焊缝高度hf≥6mm,由《钢结构设计规范》中“直角角焊缝的强度应按下列公式计算:在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下,当力垂直于焊缝长度方向时,σf=Nv/helw≤βfffw;当力平行于焊缝长度方向时,τf=Nv/helw≤ffw,另由《钢结构设计规范》自动焊、半自动焊和E43型焊条的手工焊,Q235钢的角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度:ffw=160N/mm2。
总焊缝长度:L=2×320×2=1280mm
焊缝有效高度:he=0.7hf=0.7×6=4.2mm
架体提升时,荷载组合效应值S=66.3kN。
τf=Nv/helw=66300/4.2×1280=12.3N/mm2<ffw=160N/mm2;
下吊挂件采用直角焊,总焊缝长度:L=200×4=800mm
焊缝有效高度:he=0.7hf=0.7×6=4.2mm
架体提升时,荷载组合效应值S=61.3kN。
τf=Nv/helw=66300/4.2×800=19.7N/mm2<ffw=160N/mm2
满足使用要求;
进行穿墙螺栓验算,
按架体最不利情况计算,P取使用工况坠落时的效应荷载为104KN。
经受力分析简化模型后可得:
由此可见可以满足安全要求;
附墙吊挂座采用M30螺栓,采用8.8级M30高强螺栓,螺栓在使用时承受剪力和向外的拉力,由建筑结构荷载设计规范GB50017-2003中“同时承受剪力和杆轴方向拉力的普通螺栓和铆钉应分别符合下列公式的要求:
按架体升降过程中,S取升降工况坠落时的效应荷载为104KN。
经受力分析简化模型后可得:
进行水平桁架验算,最不利杆件验算
根据计算结果分析,最不利杆件为:
拉杆N3-4=N4-3=N8-7=25.68kN;压杆N2-3=N3-2=N7-8=25.68kN;压杆F2-5=15.56kN
(1)拉杆N3-4=N4-3=N8-7
σ=N/A=25680/480.8=53.4<[fv]=215N/mm2
(2)压杆N2-3=N3-2=N7-8
σ=N/A=25680/480.8=53.4<[fv]=215N/mm2
(3)压杆F2-5
满足使用要求;
进行架体稳定性验算,在正常使用状态下,主框架承受的垂向荷载作用在架体截面形心处。
在使用工况且考虑风荷载作用下,架体内外立杆(80×40×3矩形管)不仅要承受恒荷载和活荷载,还要承受风荷载产生的剪力和弯矩影响。
在使用工况下,架体上的荷载为67.6kN,风荷载产生的最大剪力值为9.62kN,风荷载产生的弯矩最大值为23.81kN.m。
架体的垂向荷载由内、外两根立杆承受,则单根立杆承受的荷载为F=67.6/2=33.8kN。
立杆采用80×40×3的矩形管,最大长度l=6m,惯性矩IX=52.246cm4,IY=17.552cm4,截面模量WX=13.061cm3,WY=8.776cm4,截面积A=6.608cm2。
立杆抗剪强度τ=F/A=9620/660.8=14.5N/mm2<[fv]=125N/mm2。满足使用要求。
满足使用要求;
架体在提升完毕后,由于要将墙体上最下端的附墙支座拆下来向上转移使其成为最上端的附墙支座,在转移的过程中,架体实际上只有两个附墙支座在起作用,因此需对该情况进行计验算。
架体在提升过程中,主要承受恒荷载和较大的风荷载,还有部分活荷载,这里以使用工况下架体承受的全部荷载来计算。
在使用工况下,架体上的荷载为67.6kN,风荷载产生的最大剪力值为17.31kN,风荷载产生的弯矩最大值为58.43kN.m。
立杆抗剪强度τ=F/A=17310/660.8=26.2N/mm2<[fv]=125N/mm2。
满足使用要求。
满足使用要求。
辅助立杆计验算
升降工况下,架体的提升力F=66.3kN,下吊点担在辅助立杆和内立杆上,则辅助立杆承受的荷载F=66.3/2=33.15kN。
进行穿墙螺栓孔处混凝土承载力验算,穿墙螺栓孔处混凝土其承载力应按下式验算:Nv≤1.35βbβlfcbd
βb-螺栓孔混凝土受荷计算系数,取βb=0.39;
βl-混凝土局部承压强度提高系数,取βl=1.73;
fc-上升时混凝土轴心抗压强度设计值,取fc=11.9N/mm2(C25混凝土);
b-混凝土外墙厚度,取b=200mm;
d-穿墙螺栓直径;
经计算,1.35βbβlfcbd=65kN
架体提升时,附墙吊挂座穿墙螺栓孔处混凝土承受的荷载Nv=60kN,d=30mm
1.35βbβlfcbd=65kN,Nv=60kN<1.35βbβlfcbd=65kN;
根据上述计算参数进行搭建,具体操作如下:
爬架、建筑结构设计时考虑局部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构(1)、屋面架构局部悬挑混凝土结构(2)及模板支撑架、幕墙玻璃等荷载,对爬架(5)架体构件、附墙支座(6)进行设计,对附墙支座(6)位置结构钢筋进行设计,安装前建立外立面复杂的高层建筑、爬架模型,根据爬架附墙支座(6)标高、高层建筑外立面线条板标高、爬架立杆(8)、走道板(9)等构件位置和上下口标高进行碰撞检测,通过碰撞检测结果确定爬架附墙支座(6)板尺寸及上下口标高、位置、部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构(1)、屋面架构局部悬挑混凝土结构(2)优化调整,考虑部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构(1)、屋面架构局部悬挑混凝土结构(2)模板支撑架不能在爬架上支撑,将部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构(1)、屋面架构局部悬挑混凝土结构(2)优化设计为50×50×3轻钢角钢骨架(3)外包8mm厚水泥纤维板(4),50×50×3轻钢角钢骨架(3)与预埋件(11)焊接牢靠,中距500mm,50×50×3轻钢角钢骨架(3)外包8mm厚水泥纤维板(4)采用铆钉(10)固定,调整后重复以上碰撞检测直至符合要求,安装时严格按照调整后的爬架(5)附墙支座(6)板尺寸及上下口标高、位置,预埋附墙螺栓PVC套管,浇筑完混凝土拆模安装附墙支座,直至爬架(5)附墙支座(6)安装完。
爬架(5)附墙支座(6)板尺寸及位置控制在10mm±5。
实施例:
本一种高层建筑结构设计与爬架设计、安装协同优化方法,已在深圳海逸村(一期)EPC总承包工程、萧县黄淮棚户区城中村改造一期工程等工程中成功应用,萧县黄淮棚户区城中村改造一期工程北区共计2栋高层建筑(办公楼为26层,公寓楼为19层),1栋多层(商务楼为5层、客房为8层);南区共计10栋高层住宅(2#、3#、8#、9#楼为34层,1#、6#、7#楼为33层,4#、10#楼为30层,5#为21层高层住宅);11栋商铺(BS2、BS4、BS5、BS6、BS8为2层,BS1、BS3为3层,BS7为4层,NS1为4层,NS2为3层,NS3为4层。),1栋6班幼儿园(3层),建筑高度58.1m,工期缩短25天,成本降低33000元;深圳海逸村(一期)EPC总承包工程,由1栋30层建筑、2栋30层建筑、3层商业房组成,建筑高度98.9m,工期缩短30天,成本降低288000元。
综上所述,该高层建筑结构设计与爬架设计安装协同优化方法,安全可靠,将局部楼层建筑外墙线条悬挑结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构优化设计为轻钢角钢骨架外包水泥纤维板技术经济效果好,安装时有效地加快了附墙支座安装效率,能充分应用爬架,确保了施工工期,解决了结构设计、爬架设计未考虑局部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构及模板支撑架、幕墙玻璃等荷载,局部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构、幕墙玻璃施工不能充分应用爬架,局部使用悬挑架存在安全隐患,局部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构、幕墙玻璃施工缓慢,成本高等问题。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (1)
1.一种高层建筑结构设计与爬架设计安装协同优化方法,其特征在于:具体操作如下:
进行荷载计算,具体操作如下:按架体最大跨度计算荷载,架体高度13.5米,跨度6.0米,允许最大跨度,宽度0.6米,取架体外轮廓宽度,架体防护面积81M2,活荷载的计算应根据施工具体情况,按使用、升降及坠落三种工况来确定控制荷载标准值;
计算风荷载ωk;
ωk=βz·μz·μs·ω0
βz-风振系数,一般取1;
μz-风压高度变化系数,按国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定采用;
μs-风荷载体型系数;μs=1.3φ,φ-挡风系数,为脚手架挡风面积与迎风面积之比;防火安全立网的挡风系数φ=0.6;μs=0.78;
ω0-基本风压值,按国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定采用;
ωk=1×2.1×0.78×0.3=0.5kN/m2
因此风荷载F=0.5×13.5×5.0=33750N;
计算,荷载效应组合值S;
依据规范取:恒荷载分项系数γG=1.2;活荷载分项系数γQ=1.4;使用工况荷载不均匀系数γ2=1.3,升降、坠落工况荷载不均匀系数γ2=2。
使用工况:
S=1.3×(γGSGK+γQSQK)=1.3×(1.2×24464+1.4×16200)=67.6kN
升降工况:
S=2×(γGSGK+γQSQK)=2×(1.2×24464+1.4×2700)=66.3kN
坠落工况,使用工况:
S=2×(γGSGK+γQSQK)=2×(1.2×24464+1.4×16200)=104kN
坠落工况,升降工况:
S=2×(γGSGK+γQSQK)=2×(1.2×24464+1.4×2700)=66.3kN;
焊接制作成定型框架,主要承受垂向荷载,依据规范,导轨的承受力应依据荷载效应组合值最不利情况计算;
导轨最大弯矩为:Mmax=FH/4,由于使用工况导轨由3个附墙之座固定,因此F=P/2=67.6/3=33.8KN,H为楼层高度;
Mmax=33.8×3/4=25.35KN.m,
σ=Mmax/Wz=25.35×106/287430.17=88.2N/mm2<[δ]=215N/mm2。满足使用要求。
防坠挡杆抗剪计算:
防坠挡杆为φ25mm圆钢,焊接在两根∮48钢管之间,主要承受剪力。
使用工况防坠落时为最不利情况,P=104kN,
τ=P/A=104000/2×490.6=106N/mm2<[fv]=120N/mm2。满足使用要求。
防坠挡杆焊缝抗剪计算:
防坠挡杆采用直角圆周焊,焊缝高度hf≥6mm,由《钢结构设计规范》中“直角角焊缝的强度应按下列公式计算:在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下,当力垂直于焊缝长度方向时,σf=Nv/helw≤βfffw;当力平行于焊缝长度方向时,τf=Nv/helw≤ffw,另由《钢结构设计规范》自动焊、半自动焊和E43型焊条的手工焊,Q235钢的角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度:ffw=160N/mm2。总焊缝长度:L=2×3.14×25=157mm
焊缝有效高度:he=0.7hf=0.7×8=5.6mm
按最不利情况计算,使用工况防坠落时为最不利情况,由1个防坠器承担载荷,Nv=P使坠=126.89KN。
τf=Nv/helw=126.89×103/5.6×157=144.3N/mm2<ffw=160N/mm2
导轨与架体连接螺栓抗剪验算:
每个导轨通过26个M16螺栓与架体连接,螺栓抗剪截面积为157mm2,坠落工况连接螺栓抗剪验算为:
τ=S/26A=126.89×103/26×157=31.08N/mm2<[fv]=125N/mm2
满足使用要求;
附墙支座主要在使用和升降防坠落工况下起保护作用,在架体正常升降工况下主要起导向的作用。架体承受的荷载作用在附墙支座A-A处,附墙支座不仅承受垂直向下的荷载,还要承受附加弯矩;
进行支座支撑腹板验算;
使用工况防坠落时为最不利情况,垂直向下的荷载G104kN,产生的附加弯矩
M=104000×179=18616000N.mm。
附墙支座腹板与上连接板焊接为一体,则该组合体的极惯性矩
截面抗弯模量Wz=149973.8mm3。
抗弯强度σ=M/W=18616000/149973.8=124.1N/mm2<[fv]=215N/mm2。
满足使用要求。
由计算结果知,单个支座满足要求,实际在使用工况下,共有三道支座同时作用,完全满足使用要求。
附墙支座焊缝强度计验算
附墙支座采用直角焊,焊缝高度hf≥6mm,由《钢结构设计规范》中“直角角焊缝的强度应按下列公式计算:在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下,当力垂直于焊缝长度方向时,σf=Nv/helw≤βfffw;当力平行于焊缝长度方向时,τf=Nv/helw≤ffw,另由《钢结构设计规范》自动焊、半自动焊和E43型焊条的手工焊,Q235钢的角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度:ffw=160N/mm2。
总焊缝长度:L=2×395=790mm
焊缝有效高度:he=0.7hf=0.7×6=4.2mm
按最不利情况计算,使用工况防坠落时为最不利情况,Nv=104kN。
τf=Nv/helw=104000/4.2×790=31.3N/mm2<ffw=160N/mm2
满足使用要求;
进行附墙吊挂座验算,附墙吊挂座采用直角焊,焊缝高度hf≥6mm,由《钢结构设计规范》中“直角角焊缝的强度应按下列公式计算:在通过焊缝形心的拉力、压力或剪力作用下,当力垂直于焊缝长度方向时,σf=Nv/helw≤βfffw;当力平行于焊缝长度方向时,τf=Nv/helw≤ffw,另由《钢结构设计规范》自动焊、半自动焊和E43型焊条的手工焊,Q235钢的角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度:ffw=160N/mm2。
总焊缝长度:L=2×320×2=1280mm
焊缝有效高度:he=0.7hf=0.7×6=4.2mm
架体提升时,荷载组合效应值S=66.3kN。
τf=Nv/helw=66300/4.2×1280=12.3N/mm2<ffw=160N/mm2;
下吊挂件采用直角焊,总焊缝长度:L=200×4=800mm
焊缝有效高度:he=0.7hf=0.7×6=4.2mm
架体提升时,荷载组合效应值S=61.3kN。
τf=Nv/helw=66300/4.2×800=19.7N/mm2<ffw=160N/mm2
满足使用要求;
进行穿墙螺栓验算,
按架体最不利情况计算,P取使用工况坠落时的效应荷载为104KN。
经受力分析简化模型后可得:
由此可见可以满足安全要求;
附墙吊挂座采用M30螺栓,采用8.8级M30高强螺栓,螺栓在使用时承受剪力和向外的拉力,由建筑结构荷载设计规范GB50017-2003中“同时承受剪力和杆轴方向拉力的普通螺栓和铆钉应分别符合下列公式的要求:
按架体升降过程中,S取升降工况坠落时的效应荷载为104KN。
经受力分析简化模型后可得:
进行水平桁架验算,最不利杆件验算
根据计算结果分析,最不利杆件为:
拉杆N3-4=N4-3=N8-7=25.68kN;压杆N2-3=N3-2=N7-8=25.68kN;压杆F2-5=15.56kN
(1)拉杆N3-4=N4-3=N8-7
σ=N/A=25680/480.8=53.4<[fv]=215N/mm2
(2)压杆N2-3=N3-2=N7-8
σ=N/A=25680/480.8=53.4<[fv]=215N/mm2
(3)压杆F2-5
满足使用要求;
进行架体稳定性验算,在正常使用状态下,主框架承受的垂向荷载作用在架体截面形心处。
在使用工况且考虑风荷载作用下,架体内外立杆,80×40×3矩形管,不仅要承受恒荷载和活荷载,还要承受风荷载产生的剪力和弯矩影响。
在使用工况下,架体上的荷载为67.6kN,风荷载产生的最大剪力值为9.62kN,风荷载产生的弯矩最大值为23.81kN.m。
架体的垂向荷载由内、外两根立杆承受,则单根立杆承受的荷载为F=67.6/2=33.8kN。
立杆采用80×40×3的矩形管,最大长度l=6m,惯性矩IX=52.246cm4,IY=17.552cm4,截面模量WX=13.061cm3,WY=8.776cm4,截面积A=6.608cm2。
立杆抗剪强度τ=F/A=9620/660.8=14.5N/mm2<[fv]=125N/mm2。满足使用要求。
满足使用要求;
架体在提升完毕后,由于要将墙体上最下端的附墙支座拆下来向上转移使其成为最上端的附墙支座,在转移的过程中,架体实际上只有两个附墙支座在起作用,因此需对该情况进行计验算。
架体在提升过程中,主要承受恒荷载和较大的风荷载,还有部分活荷载,这里以使用工况下架体承受的全部荷载来计算。
在使用工况下,架体上的荷载为67.6kN,风荷载产生的最大剪力值为17.31kN,风荷载产生的弯矩最大值为58.43kN.m。
立杆抗剪强度τ=F/A=17310/660.8=26.2N/mm2<[fv]=125N/mm2。
满足使用要求。
满足使用要求。
辅助立杆计验算
升降工况下,架体的提升力F=66.3kN,下吊点担在辅助立杆和内立杆上,则辅助立杆承受的荷载F=66.3/2=33.15kN。
进行穿墙螺栓孔处混凝土承载力验算,穿墙螺栓孔处混凝土其承载力应按下式验算:Nv≤1.35βbβlfcbd
βb-螺栓孔混凝土受荷计算系数,取βb=0.39;
βl-混凝土局部承压强度提高系数,取βl=1.73;
fc-上升时混凝土轴心抗压强度设计值,取fc=11.9N/mm2,C25混凝土;
b-混凝土外墙厚度,取b=200mm;
d-穿墙螺栓直径;
经计算,1.35βbβlfcbd=65kN
架体提升时,附墙吊挂座穿墙螺栓孔处混凝土承受的荷载Nv=60kN,d=30mm
1.35βbβlfcbd=65kN,Nv=60kN<1.35βbβlfcbd=65kN;
根据上述计算参数进行搭建,具体操作如下:
爬架、建筑结构设计时考虑局部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构及模板支撑架、幕墙玻璃等荷载,对爬架架体构件、附墙支座进行设计,对附墙支座位置结构钢筋进行设计,安装前建立外立面复杂的高层建筑、爬架模型,根据爬架附墙支座标高、高层建筑外立面线条板标高、爬架立杆、走道板等构件位置和上下口标高进行碰撞检测,通过碰撞检测结果确定爬架附墙支座板尺寸及上下口标高、位置、部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构优化调整,考虑部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构(1)、屋面架构局部悬挑混凝土结构模板支撑架不能在爬架上支撑,将部楼层建筑外墙线条悬挑混凝土结构、屋面架构局部悬挑混凝土结构优化设计为50×50×3轻钢角钢骨架外包8mm厚水泥纤维板,50×50×3轻钢角钢骨架与预埋件焊接牢靠,中距500mm,50×50×3轻钢角钢骨架外包8mm厚水泥纤维板采用铆钉固定,调整后重复以上碰撞检测直至符合要求,安装时严格按照调整后的爬架附墙支座板尺寸及上下口标高、位置,预埋附墙螺栓PVC套管,浇筑完混凝土拆模安装附墙支座,直至爬架附墙支座安装完。
爬架附墙支座板尺寸及位置控制在10mm±5。
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2022
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