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國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)支撐卸載分析

作者:建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間:2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    邱德隆 李久林 楊俊峰 高樹棟 范重 魏義進(jìn)

    提 要:本文依據(jù)國(guó)家體育場(chǎng)主體鋼結(jié)構(gòu)安裝方法?分段吊裝高空組拼方法(簡(jiǎn)稱散裝法),同時(shí)根據(jù)支撐卸載點(diǎn)多、分布范圍廣等實(shí)際情況出發(fā),從鋼結(jié)構(gòu)支撐卸載過程的支撐反力分析入手,運(yùn)用有限元軟件ANSYS詳細(xì)對(duì)比計(jì)算分析了大跨度馬鞍形空間鋼結(jié)構(gòu)屋面支撐的卸載順序和卸載步驟,擇優(yōu)確定了分階段整體分級(jí)同步卸載的原則和具體的卸載步驟。通過對(duì)每一步驟卸載反力計(jì)算和卸載過程中可能出現(xiàn)的支撐失效分析,給出了支撐卸載反力結(jié)果,為鋼結(jié)構(gòu)支撐塔架的選型及設(shè)計(jì)提供依據(jù),也期望對(duì)類似工程的卸載施工提供參考。
    關(guān)鍵詞:主體鋼結(jié)構(gòu)、支撐卸載、卸載反力、卸載步驟
    1 工程概況
    國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)工程由24榀拉通或基本拉通的門式剛架圍繞著體育場(chǎng)內(nèi)部碗狀看臺(tái)區(qū)旋轉(zhuǎn)而成,交叉布置的主結(jié)構(gòu)與屋面、立面的次結(jié)構(gòu)一起編織成“鳥巢”的造型。所有鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件形成結(jié)構(gòu)及建筑外形,如圖1-1所示。
    鋼結(jié)構(gòu)屋面呈雙曲面馬鞍型,最高點(diǎn)高度為68.5米,最低點(diǎn)高度為40.1米;平面上呈橢圓形,長(zhǎng)軸最大尺寸約333米、短軸最大尺寸約296米;屋蓋中部的開口內(nèi)環(huán)呈橢圓型,長(zhǎng)軸約190米,短軸約為124米;大跨度屋蓋支撐在24根桁架柱之上,柱距為37.958米。
    屋面主桁架矢高12.000m,上弦桿截面基本為1000mm×1000mm,下弦桿截面基本為800mm×800mm,腹桿截面基本為600mm×600mm;屋面鋼結(jié)構(gòu)總重量約14000噸,豎向荷載通過24根組合鋼結(jié)構(gòu)柱傳遞至基礎(chǔ)。

    2 安裝方法及支撐點(diǎn)的選擇
    2.1 安裝方法
    由于國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)為特大型大跨度空間結(jié)構(gòu),構(gòu)件自重產(chǎn)生的內(nèi)力所占比例較大,鋼結(jié)構(gòu)安裝方法和順序?qū)Y(jié)構(gòu)構(gòu)件在重力荷載作用下的內(nèi)力將產(chǎn)生明顯影響;同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)安裝方法和施工順序?qū)f(xié)調(diào)鋼結(jié)構(gòu)施工與混凝土結(jié)構(gòu)施工的關(guān)系,對(duì)保證混凝土看臺(tái)連續(xù)施工、鋼結(jié)構(gòu)的順利安裝、室內(nèi)裝修工程及機(jī)電設(shè)備工程及時(shí)插入以及外圍基座盡早施工具有重大的意義。
    通常,大跨度鋼結(jié)構(gòu)的安裝方案有整體提升、滑移、分段吊裝高空組拼方法(簡(jiǎn)稱散裝法)和局部整體提升等方式。同樣,國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)安裝方案的選擇過程中對(duì)比考慮了上述四種方式。針對(duì)國(guó)家體育場(chǎng)項(xiàng)目的具體情況,以及鋼結(jié)構(gòu)工程及其與其它分部工程之間的時(shí)間和空間關(guān)系,為了滿足國(guó)家體育場(chǎng)工程總工期的要求,按照施工總部署,國(guó)家體育場(chǎng)看臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)先行施工,鋼結(jié)構(gòu)隨后進(jìn)行施工[1]。
    由于采用整體提升方案時(shí),被鋼結(jié)構(gòu)圍罩的看臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)不能先期施工,因而室內(nèi)裝修工程、機(jī)電設(shè)備工程等無法提前插入,導(dǎo)致總體工期無法滿足要求。采用滑移方案時(shí),需要在鋼結(jié)構(gòu)的周圍具備足夠大的施工場(chǎng)地,由于施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地狹小,滑移方案受到施工場(chǎng)地的限制,同時(shí)也受到看臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)的制約,另外,滑移法也面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)等因素。因此,國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)安裝方法主要進(jìn)行了散裝法和局部整體提升法的比選。
    在調(diào)整初步設(shè)計(jì)之前,施工方就鋼結(jié)構(gòu)的安裝方法進(jìn)行了國(guó)內(nèi)外范圍的方案征集,依據(jù)調(diào)整前的初步設(shè)計(jì)條件,經(jīng)專家擇優(yōu)評(píng)審,擬選定局部整體提升的方法。調(diào)整初步設(shè)計(jì)后,將原有的鋼結(jié)構(gòu)活動(dòng)屋蓋取消,鋼結(jié)構(gòu)固定屋蓋的開口加大,約增加了20m。主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)修改前后變化情況見圖2-1。

    根據(jù)調(diào)整后初步設(shè)計(jì)圖及具體技術(shù)條件,鑒于以下主要原因:
     屋蓋鋼結(jié)構(gòu)調(diào)整設(shè)計(jì)后已經(jīng)沒有調(diào)整前意義上的“內(nèi)環(huán)桁架”,屋蓋中間的開口是由各榀貫通的主桁架交叉而成;
     由各榀貫通的主桁架交叉形成的“內(nèi)環(huán)桁架”平面尺度很大,而且截面板厚比調(diào)整設(shè)計(jì)前有了較大幅度的減小,同時(shí)存在較大的高差,整體剛度較差;
     由于鋼屋蓋開口邊界在短軸(東西向)已經(jīng)擴(kuò)大到一層看臺(tái)的邊線、長(zhǎng)軸(南北向)到跑道的外側(cè),采取在地面進(jìn)行“內(nèi)環(huán)桁架”或含部分主桁架的整體拼裝、提升的方案將對(duì)混凝土看臺(tái)施工產(chǎn)生較大影響。
    明顯,局部整體提升方法已不具有優(yōu)勢(shì),因此,最終確定鋼結(jié)構(gòu)總體安裝方案采用高空散裝法[2]。
    2.2 支撐點(diǎn)設(shè)置
    在確定采用高空散裝法的總體安裝方案后,隨后的重要工作既是確定支撐點(diǎn)的布置、鋼結(jié)構(gòu)安裝單元的分段以及根據(jù)安裝單元的吊裝工況選擇吊機(jī),這三方面的工作既相互聯(lián)系又相互制約。在支撐點(diǎn)布置的選擇過程中,同時(shí)還要考慮其的位置與看臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)的交叉關(guān)系,盡量減少支撐塔架設(shè)置對(duì)看臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)施工的干擾影響。
    根據(jù)調(diào)整后的鋼結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)圖,支撐點(diǎn)的選擇考慮了兩種方式,方式一為50個(gè)支撐點(diǎn),方式二為78個(gè)支撐點(diǎn)。兩種方式如下圖2-2、圖2-3所示:


    通過以上兩種支撐點(diǎn)布置方式的比較以及兩種吊裝工況的詳細(xì)計(jì)算分析,最終擇優(yōu)確定采用方式二:即78個(gè)支撐點(diǎn),分成三圈:外圈24個(gè)、中圈24個(gè)、內(nèi)圈30個(gè)[2]。
    3 卸載原則
    根據(jù)2中確定的78個(gè)支撐點(diǎn)布置,外圈24個(gè)支撐點(diǎn)為主桁架相交的第一個(gè)節(jié)點(diǎn),中圈為主桁架相交的第三個(gè)節(jié)點(diǎn),內(nèi)圈為主桁架相交的五、七(六)個(gè)節(jié)點(diǎn)。比較均勻的分布在整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋。同時(shí)可以注意到78個(gè)支撐點(diǎn)分布范圍較大,間距也較大。對(duì)于此類空間大跨度結(jié)構(gòu),最優(yōu)的卸載方式應(yīng)該為78個(gè)支撐整體同步卸載。
    但是考慮到如此重型的馬鞍形鋼屋蓋結(jié)構(gòu),支撐反力和各個(gè)支撐點(diǎn)的卸載變形量均有較大差異,要實(shí)現(xiàn)分布范圍如此大,同時(shí)數(shù)量達(dá)78個(gè)之多的支撐整體同步卸載,不僅從卸載設(shè)備的選配、操作人員的控制管理,以及同步精度等各方面,實(shí)施時(shí)難度都巨大。結(jié)合本工程78個(gè)支撐點(diǎn)可以分成外、中、內(nèi)三圈的具體分布情況、鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的平面布置情況以及鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的受力和變形特點(diǎn)。通過計(jì)算分析表明,當(dāng)采用分階段整體分級(jí)同步卸載的方式進(jìn)行卸載,和整體同步卸載相比鋼結(jié)構(gòu)本體的應(yīng)力影響不大,因此,確定了“分階段整體分級(jí)同步卸載”的卸載原則。即不追求全部支撐點(diǎn)同時(shí)同步卸載,追求每一圈支撐實(shí)現(xiàn)每一步同步卸載,同時(shí)實(shí)現(xiàn)全部支撐點(diǎn)分若干個(gè)階段達(dá)到整體同步卸載,而在每個(gè)階段卸載實(shí)施過程中各圈支撐點(diǎn)并不是同步卸載[2][3]。
    4 卸載工況對(duì)比計(jì)算分析
    4.1 卸載工況
    根據(jù)“分階段整體分級(jí)同步卸載”的原則,對(duì)卸載的具體步驟分兩種工況進(jìn)行了比對(duì)計(jì)算:
    工況1:分成9個(gè)階段共33個(gè)步驟,前6個(gè)階段均為卸載總量的10%,第7、第8階段為15%,第9階段為10%;卸載順序?yàn)橛蓛?nèi)圈向外圈。詳見下表4-1:

    工況2:分成7個(gè)階段,前3個(gè)階段均為卸載總量的10%,后4個(gè)階段為17.5%;卸載順序?yàn)橛赏馊ο騼?nèi)圈。詳見下表4-2:

    4.2 計(jì)算條件
    4.2.1 荷載
    重力荷載:取鋼屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限元模型結(jié)構(gòu)自身的重量;
    施工荷載:作為最初的考慮,為保守起見,取有限元模型結(jié)構(gòu)自重的35%作為施工荷載;
    風(fēng)載:根據(jù)初步設(shè)計(jì)分析結(jié)果,本工程不是風(fēng)敏感結(jié)構(gòu),故在此處不考慮風(fēng)荷載作用。
    溫度荷載:進(jìn)行卸載分析時(shí)未考慮溫度荷載作用。
    地震荷載:地震屬于小概率發(fā)生事件,卸載過程本身時(shí)間較短,發(fā)生地震的可能性極小,故不考慮地震作用。
    4.2.2 支座邊界條件
    支座約束條件為:組合柱柱腳剛結(jié)、立面次結(jié)構(gòu)底部鉸結(jié)。
    4.2.3支撐點(diǎn)卸載模擬
    支撐點(diǎn)只在Z(豎)約束,其它方向(X、Y)自由。在鋼屋蓋結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的78個(gè)支撐點(diǎn)下各設(shè)置了一根剛性桿,并未考慮支撐塔架的彈性作用。此剛性桿只能承受壓力而不能承受拉力。剛性桿上端與結(jié)構(gòu)支撐點(diǎn)在Z方向的位移相同,它的下端被約束。在卸載進(jìn)行時(shí),對(duì)剛性桿的底部釋放規(guī)定的位移來模擬卸載的過程[4]。
    4.3 卸載工況對(duì)比計(jì)算結(jié)果及分析
    除卸載步驟不一樣外,兩種卸載工況的計(jì)算條件均相同。計(jì)算過程中,支撐點(diǎn)的具體編號(hào)見圖4-1。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,為簡(jiǎn)便起見,取1/4的支撐反力進(jìn)行分析。其中外圈支撐為:9、13、16、19、22、23;中圈支撐為:17、8、12、15、18、21;內(nèi)圈支撐為:20、24、7、11、2、14、10、1。





    4.3.3 兩種卸載工況計(jì)算結(jié)果分析
    通過以上兩種卸載工況計(jì)算結(jié)果分析,可以得到以下結(jié)論:
    (1)支撐反力呈波動(dòng)變化,反力的總體趨勢(shì)是逐步下降的。
    (2)兩種工況卸載過程中,構(gòu)件內(nèi)力相差不明顯,均在結(jié)構(gòu)允許的應(yīng)力范圍內(nèi)。
    (3)卸載過程中,工況1外圈反力最大值達(dá)到4330KN,變化幅度大,增幅將近100%,中圈反力最大值為3300KN,增幅約70%,內(nèi)圈反力最大值為1900KN,變化幅度小,增幅約6%;工況2外圈反力最大值為2600KN,比初始值稍大為,最大增幅約20%,中圈反力最大值為3000KN,增幅50%,內(nèi)圈反力最大值為3500KN,變化幅度較大,增幅達(dá)260%。整個(gè)卸載過程中,工況1最大支撐反力為4330KN,工況2為3500KN。
    (4)從每圈反力和看,工況1總體水平較工況2大,工況1外圈反力和維持較高值的時(shí)間長(zhǎng),且外、中、內(nèi)三圈反力和差異較大,工況2各圈反力差異較小,且維持在相對(duì)較小的水平。
    (5)從總反力看,工況1在卸載過程中出現(xiàn)比初始反力大的現(xiàn)象,增幅為10%,且在卸載到第9步時(shí)總反力仍然保持在初始水平,卸載前期對(duì)總反力的下降不明顯,后期下降較為明顯。工況2在整個(gè)卸載過程中總反力一直處于下降趨勢(shì),未出現(xiàn)總反力增加情況,卸載前期下降幅度比工況1大,后期下降幅度比工況1小。
    4.4 卸載步驟確定
    通過3中兩種卸載工況的計(jì)算結(jié)果分析,不論是從卸載總反力,還是單個(gè)支撐點(diǎn)出現(xiàn)的最大反力值,以及反力變化的情況,可以看出采用工況2設(shè)定的卸載步驟明顯優(yōu)于工況1。因此,卸載步驟最終確定為工況2:7個(gè)階段(7大步),每個(gè)階段5小步,共計(jì)35小步。第一、二、三大步卸載步驟為:外圈卸載10%、中圈5%、內(nèi)圈5%,再中圈5%,內(nèi)圈5%;前三大步完成后外、中、內(nèi)三圈各卸載總位移量的30%。第四、五、六、七大步卸載完成總位移量的70%,每大步卸載量為17.5%,每大步步驟為:外圈卸載17.5%、中圈8.75%、內(nèi)圈8.75%,再中圈8.75%,內(nèi)圈8.75%。卸載從外圈開始,最終支撐脫離工作順序?yàn)橥狻⒅?、?nèi)圈。
    5 支撐失效分析
    在確定卸載步驟后,為了對(duì)可能出現(xiàn)的支撐失效風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)和掌握,對(duì)支撐失效的兩種情況進(jìn)行了分析。情況1為卸載過程中出現(xiàn)最大反力點(diǎn)的支撐失效,情況2為最大反力點(diǎn)相鄰支撐點(diǎn)失效。
    當(dāng)最大反力點(diǎn)支撐(20號(hào))失效時(shí),其周邊的支撐點(diǎn)(8、17、24、98、89、105號(hào))反力相應(yīng)增加,增加的幅度約為10%,剩余反力由結(jié)構(gòu)自身承受;當(dāng)最大反力點(diǎn)支撐(20號(hào))相鄰點(diǎn)(105號(hào))失效時(shí),最大反力支撐(20號(hào))反力增加到4000KN,增加幅度約為14%。
    6 支撐設(shè)計(jì)反力
    以上計(jì)算結(jié)果均是按結(jié)構(gòu)自重的35%作為卸載施工時(shí)的施工荷載,該施工荷載取值偏大,結(jié)果偏于保守。隨后,按照以上確定的卸載步驟和失效分析,取結(jié)構(gòu)自重的15%作為施工荷載,同時(shí)考慮了初步選定的支撐塔架結(jié)構(gòu)在卸載過程中自身剛度的影響(支撐不是簡(jiǎn)化成只有Z向約束的剛性桿,而是彈性桿),進(jìn)行了進(jìn)一步的計(jì)算。卸載過程以及失效分析中各支撐最大反力如下表6-1所示。該反力作為支撐塔架設(shè)計(jì)反力的參考依據(jù)[5][6]。

    7 結(jié)語
    本文通過安裝方案和支撐點(diǎn)的選擇,根據(jù)支撐點(diǎn)設(shè)置的實(shí)際情況確定了支撐卸載的原則,并對(duì)支撐卸載的兩種工況進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析,最終擇優(yōu)選定了支撐卸載的具體步驟,同時(shí)根據(jù)實(shí)際的施工荷載按照確定的卸載步驟進(jìn)行了計(jì)算分析,為支撐塔架的設(shè)計(jì)反力提供依據(jù)。實(shí)際卸載實(shí)施過程的各種檢測(cè)結(jié)果表明卸載原則和卸載的具體步驟是正確可行的[7]。國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)整個(gè)卸載分析中的各個(gè)環(huán)節(jié)也可以為今后類似工程參考借鑒。

    致 謝

    在卸載分析過程中,得到了劉樹屯、周文瑛、關(guān)憶盧、郭彥林及劉子祥等國(guó)內(nèi)知名鋼結(jié)構(gòu)專家的大力支持和幫助,在此表示誠(chéng)摯的感謝。



    參考文獻(xiàn)
    [1] 楊俊峰、楊慶德、邱德隆等,國(guó)家體育場(chǎng)工程施工組織總設(shè)計(jì),2004年12月
    [2] 楊俊峰、邱德隆、高樹棟等,國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)施工組織設(shè)計(jì),2004年12月
    [3] 劉樹屯、李久林、高樹棟、邱德隆,“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵施工技術(shù)介紹,第六屆全國(guó)現(xiàn)代工程學(xué)術(shù)研討會(huì),2006年7月
    [4] 張波、盛和太,ANSYS有限元數(shù)值分析原理與工程應(yīng)用,清華大學(xué)出版社,2005年
    [5] 魏義進(jìn)、封葉劍、陳橋生等,國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)支撐塔架卸載方案,2005年8月
    [6] 郭彥林、高 巍等,國(guó)家體育場(chǎng)支撐塔架卸載分析計(jì)算報(bào)告,2005年8月
    [7] 國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)支撐塔架卸載施工總結(jié)報(bào)告,北京城建集團(tuán)國(guó)家體育場(chǎng)工程總承包部,2006年10月
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