湖北工业大学硕士答辩PPT

• (1) 应县木塔
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应县木塔塔底层直径30米，全 塔总高67.13米，重量约1300吨。 应县木塔是古代建筑中木结构构 架应用的最典型案例，也是建筑 艺术的精品。它将斗拱与梁、枋 、柱等各种构件科学组合，构成 整体，整体架构所用全为木材， 没有一根铁钉，数以万计的构件 全靠卯榫互相咬合固定在一起； 塔内上下层的连接采用了“叉柱 造”的方法。从而造成逐层内收 的效果，进一步增加了木塔的稳 定性。另一方面，木结构建筑应 用的斗拱和卯榫的咬合不是刚性 连接，外力作用时，构件之间产 生一定的位移和摩擦，可以吸收 和损耗部分能量，起到调整变形 的作用，构成了木塔建筑的柔韧 性。
• 1.5 泾川大云寺舍利塔与雷锋新 塔建筑构造和施工工艺的区别 • 同属于钢结构框架-支撑体系 的仿古楼阁式塔，均采用飞檐、 斗拱、平座、栏杆的建筑形式。 但在建筑构造和施工工艺方面有 着明显的区别：塔身的建筑构造 上，泾川大云寺舍利塔采用圆柱 ，上下柱“承插”内收，钢角梁 、钢椽、钢檩与钢支撑构成三角 结构体系，钢构件既是受力构件 ，又是装饰构件，形成建筑和结 构的共同结合；斗拱、枋等仿古 构件采用木构件与钢结构组合连 接的方法施工。雷峰新塔采用箱 型柱，折线型倾斜内收，柱、斗 拱、枋等仿古构件采用铜制外包 ，使主体钢结构框架与仿古装饰 成为有效的两大部分。
HUBEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
硕士毕业论文答辩
题
目：
钢—木组合结构仿古建筑综合成套施工技术
Steel and wood composite structure of antique
building integrated sets construction technology
• 一、技术项目课题背景及技术研究 • 1.1 中国传统建筑的发展概况 • 中国建筑就是中国文化的一个典型的组成部分，很 早便发展成为它自己独有的特性。中国古代劳动人民创 造了世界建筑史上中国所独有的、有着强烈个性的木构 建筑体系，现存古老的建筑五台山佛光寺大殿、南禅寺 、应县佛宫寺木塔，以及皇家建筑的北京故宫、天坛、 颐和园等就是典型的中国木构体系建筑代表。中国古代 建筑的结构和构造，无论方法、取材、形制、用料大小 都是依照当时所用的“法式”、“做法”、“定制”等 来决定的。一类是官方颁布的，如宋代的《营造法式》 、清代的《工部工程做法则例》等；另一类是各地的匠 师们，根据自己的经验并结合当地的具体情况创造出来 的一套习惯方法。其次，中国古代建筑的设计和施工基 本上是基于一种“预制”和“装配”式的工艺观念而来 的。
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4.3 超长悬挑钢椽飞檐结构安全与 施工控制技术 舍利塔七层飞檐出挑椽子，椽及连 檐都采用□300×150×8mm的矩 型钢管，材质为Q345B。一～七层 悬挑钢椽最长的是11.7m，最短的 是7.6m；挑出托檐檩最长6.8m， 最短2.7m；每层最多356根，最少 212根。钢管椽前端支点在挑檐檩 处，椽身两侧面用加劲板与挑檐檩 连接固定，后尾插口焊接于主体框 架钢梁伸出连接板，而柱身部分焊 接于柱承插节点下翼缘板。钢椽承 托屋面木基层和瓦层的荷载，设计 荷载5KN／㎡，施工必须保证屋面 的受力安全和整体的稳定性。同时 ，钢椽代替古建筑中的木椽，也起 到装饰的作用，因此，椽身位置的 排列，钢椽吊装的次序，以及椽头 的直线度，椽档间距的控制等工艺 要点是技术保证的关键点。
• 1.2中国古建筑木结构塔和现代复建钢结构仿古塔的研究 及技术比较 • 在中国古代建筑中，佛塔最主要的有楼阁式和密檐 式两种。密檐式塔为砖石结构，楼阁式塔为木结构或砖 石结构，山西应县佛宫寺木塔是我国现存最高最古的一 座木构塔式建筑；现代复建的钢结构仿古塔杭如杭州西 湖雷峰新塔，为楼阁式塔。木塔和钢结构塔的材料、构 造、形式均有不同的特点，下面以两座塔为例，分析结 构构造和技术方面的情况： •
• 二、技术项目研究的方法及技术研究线路
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技术项目研究体系分为两部分：理论体系和施工体系，以六项 关键性技术为切入点，理论体系一方面以设计研究为载体，采用行 业软件PKPM及Maidas对该主体结构及“承插”节点、钢挑檐等关 键部位进行分析设计，还采用大型通用有限元程序ANSYS对其进行 了地震谱分析及弹塑性时程分析，模拟本结构及结构中的钢柱、梁 构件的力学行为，以了解并把握结构在地震时结构反应的全过程， 找出结构的薄弱部位及薄弱的构件，针对性地指导施工；另一方面 采用工程类比法，收集古代建筑和现代同类型仿古建筑中相关的技 术资料，分析构造或技术工艺中的理论机理，为方案的制定提供依 据。施工体系中以设计图纸和理论机理为基础，采取施工图深化设 计，放大样，模拟实验，模拟1：1实体模型等手段，最终确定出科 学的施工工艺流程，并对过程实施进行有效控制，该项技术完成后 对研究产生的技术、经济及社会效益总结分析，得出该项技术研究 的结论，同时分析出该项技术存在的问题及日后改进的思路。
• 1.3 泾川大云寺博物馆舍利 塔工程 • 甘肃省泾川大云寺博物馆舍 利塔工程为一座四角仿唐攒 尖式佛塔，塔身外观七层七 檐，建筑高度95m，总建筑 面积5489m2 。本工程结构 类型为钢框架—支撑体系， 关键的柱头斗栱、枋部位采 用传统的木斗栱施工工艺， 为钢～木组合连接施工，斗 栱的运用采用唐代形制，斗 栱用材硕大雄浑，用材275 ㎜；木材用量约1500m3。
• 节点力学行为分析，根据计算得到的等效应力云图，由 图可知由于简化的原因，最大的应力出现在最低点的固 定端，最大应力超过了钢的屈服极限，说明最大应力处 已经进入塑性。
• 四、研究的六项关键性技术
• • 4.1塔式结构层间钢柱“内收承插”节点控制技术 工程中钢管柱为Φ600×30、Φ600×25、Φ600×20焊接直缝钢管，材质 Q345C,主体结构采用上下层钢柱承插，在每个明层产生向内收缩，从而形成 塔式结构，承插钢柱共计96根，每根钢柱约6.5吨。钢管柱“承插内收”施工 工艺就是上柱和下柱通过牛腿组成了钢柱承插，牛腿上方相对于下方向内产生 位移，受力合理传递。由于该节点处是上下钢管互相承插，并通过牛腿将上下 钢管柱、周边框架梁连接成整体结构。钢管承插柱节点组对、吊装，承插柱轴 线控制，以及多个框架梁连接节点板的标高、方位控制，施工的关键控制点， 同时也是施工中的技术难点。
上下钢柱 连心板
上柱
加 劲 板 牛腿上翼缘 板
下 加 柱劲 板
Baidu Nhomakorabea
牛腿下翼缘 加 劲 板 板
承插钢柱示意图
牛腿示意图
• 4.2 钢—木组合斗拱结构构架 创新施工技术 • 舍利塔外檐柱头斗栱构造与我 国现存最久的唐代木结构建筑 山西五台山佛光寺大殿基本相 同，外檐柱头斗拱采用七铺作 双抄双下昂的形式，也采用木 结构，斗拱用材硕大雄浑，用 材宽275㎜，一攒柱头科斗栱 的重量约20KN；木斗拱与钢 结构采用组合连接的方法，钢 结构施工时在外檐柱头位置做 φ245㎜直径钢斜撑、通过300 ㎜×300㎜截面的钢挑檐檩形 成飞檐骨架，斜撑下部焊接 φ16㎜螺杆与木斗栱连接固定 ，由钢斜撑、钢檐檩与柱组成 的三角支撑承托上部屋面飞檐 的荷载。
• 三、主体钢结构弹塑性动力与节点的力学行为分析
• 舍利塔建筑上的逐层内收造成了结构上、下层柱轴线的错位， 使得钢结构梁、柱节点连接形式复杂，若不能很好设计节点转换， 则会使得整个结构的传力路径不象普通结构那样简单明了，致使结 构在地震等随机动载作用下引起局部异常反应，使结构构件发生破 坏而引起整个结构的破坏。因此对节点进行了专门的研究与设计， 设计与施工紧密配合，完成了节点建造的技术攻关。另一方面，仿 唐塔建筑中的一大特点就是有较大的翼角及挑檐，本结构中老角梁 悬挑长度9.5米，钢翼角椽悬挑长度达6.8米，造成外挑的竖向刚度 相对较弱的薄弱环节，因此应对其在竖向地震作用下的动力响应问 题作出研究。
• 1.4 工程技术的特点和难点 • 1）塔体钢结构体现了“高、难”的特点，在塔身逐层 向内收缩，外槽钢柱内移200～300㎜，角柱相应向内 45°方向位移，钢柱形成“错位”，上下柱接头“承插 ”连接。 • 2）翼角钢角梁、钢椽高空安装焊接，每层单个翼角结 构重量达10t，在屋盖曲线变化及出挑和升起不仅要表现 建筑形式，而且要保证整体结构的安全。 • 3）钢构件吊装难度大，高空焊接量大质量要求高。构 件的制作质量、焊接、栓接工艺及定位、测量控制、`安 装校正是结构体系安全可靠的重要保证。 • 4）柱头及檐口屋盖仿古部分采用钢结构与斗拱木构件 组合构架施工工艺,在国内同行业中没有成熟的施工方法 ，必须满足构件的可靠连接和建筑形制艺术的要求。 • 5）钢构件表面防腐、防火处理后，在其基层采用仿古 地仗油漆装饰，符合功能和艺术两方面的需求。
• 响应谱分析，依据现行抗震规范及本工程的场地特点， 进行了反应谱值的计算，计算结果显示整个结构最大变 形为35mm远小于PKPM的63mm，说明结构刚度设计安 全。
• 时程分析，在最大地震加速度下结构的变形图，结构最 大的位移出现在结构顶部，最大为102.229mm.最大偏 移角度为0.00114—0.002之间，该时该楼层的瞬时最大 剪力出现在地上一层为4228KN。
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从20世纪早期开始，以现代的建筑材料和结构方法 来模仿古代形式的建筑逐渐出现，建筑大师梁思成、林 徽因、刘敦桢致力于理论的探索。近年来，随着科学的 飞速发展，新技术、新材料不断地革新，为传统建筑的 发展创造了难得的历史机遇，钢筋混凝土、钢结构等不 同结构形式广泛地应用到仿古建筑中，仿建不同时代的 楼、阁、塔、殿等建筑。在传承传统建筑艺术的过程中 ，通过设计理念和施工技术相结合的手段，巧妙处理后 把结构形式和建筑艺术形式有机的融合，形成材料、结 构和功能与形式的高度统一，是传统建筑艺术实现创新 的关键所在。
钢 椽 钢 檐 檩 木檐檩装 饰
木遮檐 板 钢 柱
连接螺杆
连接螺杆
连接螺杆 钢斜撑
连接螺杆
额枋
舍利塔钢结构与斗拱木构件组合连 接图
• 经过对舍利塔工程钢—木组合结构构架的建筑构造和结 构受力状态分析研究，确定了以下技术性能指标： • (1) 柱头斗拱处钢斜撑、钢檐檩、钢椽与柱组成的空间三 角支撑体系，结构受力的安全性、耐久性和整体的稳定 性在理论状态分析中的科学合理性。 • (2) 三角支撑体系与斗拱木构件连接在实际操作中位置的 控制，保证连接的合理与牢固。 • (3) 对斗栱节点部位的细部尺寸深化设计，准确表现唐代 斗拱的构造形制。 • (4) 完善建筑构造，将外露的钢结构或节点经过修饰处理 后，完整地体现古建筑风貌。 • (5) 探索仿古建筑钢-木组合结构的施工方法，为传统建 筑的发展取得宝贵的经验。
答 辩 人： 白少华
指导老师： 曾三海 答辩时间： 2012年5月
目
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录
一、技术项目课题背景及技术研究 二、技术项目研究的方法及技术研究线路 三、主体钢结构弹塑性动力与节点的力学行为的理论分析 四、研究的六项关键性技术 4.1塔式结构层间钢柱“内收承插”节点控制技术 4.2 钢—木组合斗拱结构构架创新施工技术 4.3 超长悬挑钢椽飞檐结构安全与施工控制技术 4.4 仿唐屋面翼角钢结构构架综合技术 4.5 高层塔式钢结构施工安全与综合监测控制技术 4.6 钢构件防火涂料表面一次成型仿古油漆工艺技术 五、技术研究效益分析和技术成果 结束语
• (2)杭州西湖雷峰新塔 • 雷峰新塔于2002年10月重建
于杭州西湖雷峰塔原址上，新塔 为平面八角形的楼阁式仿宋塔， 塔身外观五层，塔体总高度72m, 总建筑面积6089m2。主体结构为 高层钢框架支撑体系，斗拱、瓦 、枋等古构件采用铜制构件装饰 ，虽然达到了古建筑的艺术效果 ，但形成了结构与形式的有机分 离。雷峰新塔充分利用了钢结构 的特点，采用矩形钢柱向内倾斜 ，达到内收的效果，同时也带来 了一系列问题：1、由于钢柱向内 倾斜除传递竖向荷载外，还产生 较大的水平荷载，增加了设计基 础和各受力杆件用材和构造处理 难度；2、梁柱节点的构造更为复 杂，不仅产生影响装饰效果的矛 盾，也给杆件连接部分的施工质 量控制带来了很大的困难 。