网壳结构折叠展开式整体提升施工工法适用范围

《网壳结构折叠展开式整体提升施工工法》适用于单层柱面网壳、多层柱面网壳、单层折板网壳、多层折板网壳、球面网壳等易于形成直线形铰线的空间网格结构。

网壳结构折叠展开式整体提升施工工法工艺原理

《网壳结构折叠展开式整体提升施工工法》的工艺原理叙述如下：

先将网壳去掉部分杆件，使一个静定结构变成一个可以运动的机构，这样就可以将网壳结构在地面折叠起来，最大限度地降低安装高度；然后将折叠的网壳提升到设计高度；最后补装抽掉的杆件，机构又变成静定的结构。因此，整个施工过程是一个由结构→机构→结构的变化过程。见图1所示。

网壳结构折叠展开式整体提升施工工法施工工艺

• 工艺流程

《网壳结构折叠展开式整体提升施工工法》的工艺流程见图2所示。

• 操作要点

使用《网壳结构折叠展开式整体提升施工工法》需要注意的施工要点有：

一、在结构适当位置设置多道铰线，将结构分成多个区域，各个区域之间的部分构件暂时不安装，区域之间用单向活动铰相连，支座也使用单向活动铰支座。铰线方向为沿柱面的母线方向，铰线将柱面网壳跨度方向分成若干块，铰线上布置若干可转动铰接点，可转动节点将相邻网壳联系在一起，每块网壳在提升过程中作刚体运动。铰线的数量通常可以选择6条，这样网壳分成了5块，铰线的位置确定宜以分解后每块网壳尽可能贴近地面为原则。铰线上铰接点数可以根据网壳结构纵向长度确定，长度长则需要多设置铰接点，在保证铰接处构件强度的基础上，尽量减少铰接点的数目，因为铰节点数量少易于结构整体活动。通常一条铰线上的铰节点可以设置3~5个。见图3所示。

二、铰线位置确定后，应对机构进行施工阶段验算，验算内容包括：

1.匀速提升状态机构受力分析；

2.冲击荷载作用下机构动力响应分析；

3.提升过程中瞬变结构的受力分析及其预防措施；

4.机构运动一维自由度控制的构造措施；

5.活动铰节点设计。

通过验算，确保机构在施工过程中处于安全状态。验算时，计算模型按图4所示图形采用，即将整个连续的提升过程划分为有限的几个阶段，分别计算各个阶段结构的内力、变形及支座反力，从结构在有限的几个阶段中作用效应变化情况归纳出结构在整个提升过程中的作用效应变化，然后进行设计。

三、单曲率网壳结构变成一个机构时，具有竖向和跨度水平向两个方向的自由度。但是在施工过程中要采取措施使机构只在竖直方向做一维运动，不可以前后左右移动。

四、网壳结构由多条铰线分成多个区域，而每条铰线又包含多个活动铰。在单曲率网壳的安装过程中应保证各条饺线互相平行，一条铰线上的各个铰节点在一条直线上，否则将阻碍机构的运动并产生较大的附加力。所以该施工方法对于安装精度要求较高。

五、对于某些网壳结构，在提升过程中可能会出现瞬变现象。此时应添加临时支撑或临时拉索，保证结构不发生瞬变。

六、将网壳结构分成几段后，每—部分都是一个拱形结构。若拱的跨度比较大，在拱的端部会产生较大的水平推力和水平位移。此时应在拱的两端之间设置拉索或采取其他措施来保证不会产生较大的水平推力和位移。

七、由于提升结构具有大吨位、高空施工的特点，就使得承重系统不但要有足够大的承载能力，而且要有足够长的承重索具，一般采用抗拉强度大、单根制作长度长的柔性钢绞线作为承重索具。而采用承载能力大、自重轻、结构紧凑的液压提升器作为提升机具。承重系统可按一定的方式组合使用钢绞线和提升器集群，使得承重系统的提升重量及高度不受限制。

八、在整体提升的过程中应使用计算机对所有液压千斤顶进行控制，确保所有液压千斤顶能够同步动作，使网壳始终保持合适的姿态。同步提升控制采用液压同步提升技术设备系统，它主要由柔性钢铰线承重系统、电液比例液压控制系统、计算机控制系统及传感器检测系统组成，如图5所示。同步提升主要控制要素是吊点的提升力和测控点高度偏差。这种系统能够实现液压提升器集群的同步协调动作，包括集群联动、局部联动、单点单动等。按施工工艺规定的作业流程进行连续提升施工，并能自动改半自动地根据不同工况修正作业流程，将提升过程中测控点高度偏差限制在设计允许的范围内。在吊点分布不均匀、吊点负载差异很大、液压系统采用多规格不同组合配置时，进行吊点负载的均衡控制。

九、提升前，应先将网壳试提升100毫米，检查吊点标高是否相同，铰点是否转动自如，网壳有否水平移动，当有异常现象时应查明原因并整改。在整个提升过程中应严格监控机构变化，及时调整不同千斤顶的进度，确保整个机构按设计要求运动，确保提升过程的安全性。

十、该方法的核心思想是机构运动，而机构运动的关键就是可动铰的构造。可动铰由一个销轴连接两块钢板而成。两边的弦杆和腹杆焊接在一块钢板上，这块钢板再与节点板交叉焊接连接。应保证可动铰节点可以在竖向方向自由转动。制作时应考虑安装误差等不利因素，插板连接以及销轴与节点板之间应留有一定的间隙，在间隙处加涂润滑油，要确保节点的自由转动。同时，为了防止在不利情况下的突然大幅度翻转转动，应在节点板的适当位置加设限位装置，以便限制节点的转动范围。见图6、图7所示。

十一、还应对提升塔进行设计，确保提升塔具有足够的强度、刚度及稳定性。同时液压提升系统的塔柱位置，也应严格模拟计算确定，确保在整个吊装过程中机构不与塔柱发生碰撞。

十二、使用液压提升设备将网壳提升到设计高度，然后进行少量构件的补缺工作。应确定合理的杆件补缺方案，尽量使需补缺的杆件数量最少。补缺时应先补缺各区域之间的杆件，然后使液压装置卸载并拆除塔柱，最后安装塔柱位置的补缺杆件。

• 整体提升过程中机构运动分析

《网壳结构折叠展开式整体提升施工工法》在整体提升过程中机构运动分析有：

一、机构运动简化模型的建立

六道铰线将网壳分割成五个部分，每个部分相对于相邻的两道铰线可认为是固定不动的，即将网壳机构五个部分的运动视为刚体运动，因此，浙江大学空间结构研究中心、浙江东南网架股份有限公司将网壳的运动模型简化成五连杆的运动模型，见图8所示。只要掌握了五连杆机构的运动规律，也就了解整个网壳提升过程中的运动特性。

二、五连杆机构运动分析

五连杆机构由五根杆和六个平面活动铰组成，其中两个铰点固定，在提升运动过程中，C、D两点沿Y方向作直线运动，A、F两点固定不动，B、E两点分别以A、F两点做圆周运动。考虑五连杆机构的对称性，将其简化为图9所示。所要求的就是当C点上升D点时B点的坐标。

根据AB段和BC段长度不变条件建立二元二次方程组有：

求解方程组，舍去不合理的根，得：

其中：

以河南鸭河口电厂干煤棚柱面网壳为例，计算不同提升高度时的铰点坐标。将该柱面网壳简化为五连杆模型时，L₁=20.705米、L₂=13.555米。铰点坐标如表1所示。

三、确定网壳上任意一点在运动中的坐标

设网壳中任意一点的起始坐标是（x₀，y₀，z₀），z轴是母线方向。在单曲率网壳中，当机动运动时，网壳内沿母线方向没有运动，只是在与母线垂直的平面内运动。下面分别分析网壳中段和边上四段的运动。

由于网壳的中段只在竖直方向做平动，所以当提升距离为d时，中段任意一点的新坐标为（x₀，y₀ d，z₀）。

对于边上四段上的任意点则根据坐标变换求得新坐标。以BC段上任意一点P为例。以BC为x轴建立局部坐标系（图10），则局部坐标系与整体坐标系的转换矩阵为：

式中l₁，l₂，m₁，m₂——局部坐标系与整体坐标系的方向余弦，设P点在起始时刻整体坐标系下的坐标为（x₀，y₀，z₀），则P点在局部坐标系下的坐标为

在网壳运动了一段距离后，P点相对于B、C两点并没有相对位移，即P点的局部坐标值不变，而坐标转换矩阵T发生变化，设此时的坐标转换矩阵为T₁，P点在整体坐标系下的新坐标为（x₁，y₁，z₁），则

参考资料：

四、双曲率网壳的坐标转换

柱面网壳是单曲率网壳，研究其运动的五连杆模型是建立在垂直于母线的坐标平面内的，网壳上点的z方向坐标在运动中不变，而对于双曲面网壳如球面网壳，五连杆模型所在平面并不一定总与总体坐标系保持一致，所以需要进行坐标变换。

设整体坐标系为XYZ，局部坐标系为zyz，坐标变换矩阵为

式中l₁，l₂，l₃，m₁，m₂，m₃，n₁，n₂，n₃为局部坐标系与整体坐标系的方向余弦，运动分析时先从整体坐标系变换到局部坐标系，即

在局部坐标系下进行运动分析得到新坐标，再转换回整体坐标系

除了坐标转化外，双曲率网壳与单曲率网壳的运动分析相同。

五、运动过程中的瞬变现象

研究五连杆机构发现，随着提升高度的变化，两杆夹角α随之改变。当达到一定提升高度时，α=180°，方程组式的解为重根，体现在几何上就是两个圆只有一个交点。此时会发生瞬变现象，见图11所示，整个机构的受力、变形将会发生很大的变化。事实上角接近180°时就会发生瞬变。因此，应该采取合理措施防止瞬变的发生。首先，在设计阶段就应综合考虑施工问题，合理调整网壳曲率，避免出现在整体提升时发生瞬变问题。对于已有的设计，在施工方案中应合理选择铰点位置，避免出现瞬变。如果由于结构体型先天不足无法避免瞬变的发生时，应该采取足够安全的措施保证结构安全。