折叠展开法中的力学问题

折叠展开法的技术难点及力学分析方法

学生黄丁(学号: )

1 施工方案设计思想

“折叠展开式”整体提升施工技术主要针对柱面网壳的施工新方法。其基本思路是先撤除网壳的部分杆件，使体系变成一个分片的可运动机构。这样的处理可以最大限度地降低安装高度，即将网壳各片在地面附近折叠组装。然后通过提升设备将折叠的机构提升到设计高度，最后补缺撤除的构件使结构成型。中间的提升过程，只需要克服机构的自重，就可以使其大范围地灵活运动。整个施工过程是一个从机构到结构的转化过程。图1为鸭河口电厂干煤棚折叠展开法的基本施工过程。

图1 整体提升过程示意图

2施工难点与处理措施

2.1 网壳提升过程中的运动稳定问题

对于折叠展开法施工，网架在地面拼装后是一个折叠的可变机构，需要验算在提升过程中各分块结构的稳定性，同时还特别需要注意验算各分块结构在提升过程中的运动稳定性。尤其在展开提升过程中水平方向很容易失稳。

当柱面网壳变成一个机构时，具有竖向和跨度水平方向两个方向的自由度。但是“折叠展开式”整体提升施工技术要求机构只有竖直方向做一维运动，所以必须增加临时支撑保证机构能够抵抗风荷载及其他不可预期的水平方向荷载。

（1）在网壳的两侧设置临时拉索防止网壳发生水平移动。在提升过程中若发生网壳水平移动，则通过两端拉索的张弛来调节网壳的位置。由于在提升过程中网壳是一个可以运动的机构，所以只需要较小的索力就可以达到调节的目的。

（2）在塔柱上设置导轨，在网壳相应部位设置导轮。导轮在导轨上运行，保证吊点沿着竖直方向运动，这是保证机构在竖直方向做一维运动的又一有力措施。

2.2结构抗瞬变技术

当网壳可动铰之间连线的夹角接近180°时，会发生几何瞬变现象。瞬变铰部位运动速度很快，提升力迅速减小，提升索松弛，网壳杆件内力增大直至破坏。因此必须研究抗瞬变技术。

（1）在网壳的两侧各设置4根临时拉索，当吊点提升到网壳接近瞬变时，减慢提升速度，张紧临时拉索，通过滑轮组缓慢释放索内张力，以避免瞬变的发生。

（2）在节点板的适当位置添加限位装置，限制节点的转动范围，防止节点在不利情况下的突然大幅度转动，作为防止瞬变的第二道保险。

（3）点动短距提升技术：为了防止网壳提升中结构瞬变反拱现象，结构设计师要求在关键阶段进行短行程提升，每次行程为20mm，必要时还要缩短为10mm，以便于施工人员的观察、测量，以及浪索调节等工作。为此研究开发了点动短距提升技术，提升高度可以由操作人员自10~270mm范围内自行设定。网壳提升到位后进行杆件安装时也应用此功能进行精确定位。

图2.1 瞬变状态示意图

图2.2 可动铰接点示意图

2.3提升过程中的同步控制要求

提升时如果各吊点不同步，除了网壳会发生变形外还会由于两边不同高差引起的水平力而偏移，甚至使吊索发生松弛导致结构失稳。在提升过程中网壳梁端是固定铰支座，中间是不固定的铰支座，这种结构提升时如果同步控制不好将增加结构的不稳定性。因此必须控制提升过程中各吊点的高度偏差、动作同步及负载均衡。

（1）经过计算分析，一个吊点与其他吊点之间存在高差对结构内力有影响的区域集中在该吊点和临近吊点附近，对结构的其他区域影响很小。通过适当增大应力变化较大杆件的截面来抵抗高差的影响。

（2）当吊点高差达到一定数值时，较高吊点临近的一个吊点将发生吊索松弛。通过超大型钢结构整体提升计算机控制系统来保证提升过程中的高差。

（3）除采用计算机系统控制吊点高差外，以人工监测作为辅助。监测内容包括网架提升高度、水平偏移、提升架垂直度以及液压千斤顶压力等。如发现超标立即通知提升控制室及时调整。

2.4 内应力控制问题

网壳提升时有多个铰轴，各铰轴之间必须互相平行，每一个铰轴上的铰必须多铰同轴，否则会产生过大的内应力，严重时将发生网壳变形，甚至损坏。因此网壳的拼装精度必须严

格符合要求。

（1）严格控制网壳制作和拼装误差，网壳在地面拼装后各铰轴必须相互平行，同一铰轴上各个铰的同轴度误差≤3mm。

（2）提升中严格控制各吊点负载的变化差异，使网壳保持动态平衡。

（3）在施工中采取了高精度的偏差控制技术、高稳度的负载调节技术、多点同步调整技术和点动短距提升技术等先进措施，确保了施工质量和施工安全。

3 折叠展开法施工过程结构分析方法

3.1机构运动学和动力学分析方法

将提升过程中的柱面网壳简化为多连杆平面机构运动模型，运用机构运功理论分析得出各个关键点的运动状态。通过控制提升点的位置、运动速度、加速度，来反算出其他关键点的运动参数，从而掌握整个机构的运动。根据达朗贝尔原理，引入惯性力的概念，将机构运动对受力产生的影响表述成施加一个与加速度方向相反、大小等于质量与其加速度乘积的惯性力。

通过控制结构提升过程中的最大加速度a max，使得在实际施工中，提升的大部分过程为匀速提升状态，只是在液压设备启动和制动的短时间里存在加速度。从而减小了机构运动产生的动力效应，因此，可以将其等代为一系列不连续位置的静力学问题加以分析。建立不同位置的静力模型，计算各约束点的反力和网壳杆件的轴力与应力。静力计算采用空间铰支杆单元有限元方法。因为在提升过程中网壳处于空载状态，所以荷载仅考虑网壳的自重。计算得出支座及拉索处的约束反力。由计算结果得到，在网壳的提升过程中网壳的杆件轴力变化很小；并且由于荷载较小，杆件应力较小，没有达到设计强度。

将提升过程中的柱面网壳简化为一个多连杆平面机构计算模型，进行机构运动学和动力学分析，推导出机构坐标、速度、加速度和惯性力公式，从而可以全面了解机构运动和动力特性。

图3.1 连杆平面机构示意图

3.2动力松弛法加索杆模型分析方法

3.2.1 动力松弛法基本思想

动力松弛法用于静力求解，是一种将静力问题转化为拟动力问题，通过参数迭代寻求体系平衡形态的数值方法。其基本思想起源于单自由度阻尼系统的稳态解问题，是利用阻尼来衰减系统的动力响应，从而找到瞬态动力响应解的静态部分（即稳态）的过程。从数值分析的角度上看，就是把在空间离散化的体系在时间上也离散化，逐点（空间上），逐步（时间上）进行追踪分析，以达到计算的目的。具体而言，就是将体系离散为空间节点位置上具有一定虚拟质量的质点，在不平衡力作用下，这些离散的质点将产生振动，由于阻尼的作用，