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濟(jì)南奧體中心主體育場鋼結(jié)構(gòu)制作與施工過程及其數(shù)值分析

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:26:20 [收藏]


    摘 要：介紹濟(jì)南奧體中心主體育場鋼結(jié)構(gòu)的制作工藝與施工過程，鋼結(jié)構(gòu)施工過程有限元數(shù)值模擬分析方法及計算結(jié)果，有效地指導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)的施工過程。
    關(guān)鍵詞：加工制作 施工 數(shù)值分析

    一、工程概況
    濟(jì)南奧體中心主體育場位于濟(jì)南市東部新城區(qū)龍洞地區(qū)經(jīng)十東路，總體建筑面積154323m2 ，可容納6萬座席。體育場屋蓋形狀類似濟(jì)南市樹“柳葉”造型，整體橢圓平面長軸約360m，短軸約310m。體育場上部鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采取東、西兩片獨立的折板型空間懸挑桁架罩棚結(jié)構(gòu)，單片罩棚最寬約70m，南北縱向最長約330m。罩棚中間高、兩邊低，高差14m，最高點離地面約52m。主桁架最大懸挑長度約53m，懸臂根部最大高度7m；最小懸挑長度28m，懸臂根部高度5m；懸臂端部高度1.5m。結(jié)構(gòu)整體建筑效果如圖1所示。
    體育場鋼結(jié)構(gòu)屋蓋東、西罩棚每側(cè)徑向主桁架均為64榀，懸挑罩棚前端屋面為平板結(jié)構(gòu)，環(huán)向次桁架共布置9圈，形成折板型空間懸挑結(jié)構(gòu)主要受力體系。中部桁架下弦平面設(shè)置6道Φ50mm的預(yù)應(yīng)力棒鋼水平支撐，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體側(cè)向抗扭剛度，如圖2所示。64榀主桁架下端通過32根Y型鋼柱支撐于外圍型鋼混凝土墩臺之上，上部（懸挑根部）通過32個節(jié)點支座支撐于看臺上的鋼管砼塔柱上，形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)受力體系。主體育場罩棚鋼結(jié)構(gòu)用量約6600 t，由江蘇滬寧鋼機(jī)股份有限公司制作與安裝。


    二、鋼結(jié)構(gòu)制作與施工
    1. 鋼結(jié)構(gòu)制作與施工的特點
    本工程鋼結(jié)構(gòu)的制作與施主要有以下特點：主體鋼屋蓋呈雙曲面，各點標(biāo)高不一、空間定位點多樣；主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件超重、超長；主桁架跨度大、安裝高度高，懸挑長度大；節(jié)點對中心線對稱，但不完全相同，特別是鑄鋼節(jié)點，現(xiàn)場拼裝胎架數(shù)量多。其中的制作施工質(zhì)量控制難點主要有：鋼構(gòu)件加工質(zhì)量的控制；結(jié)構(gòu)安裝現(xiàn)場的測量、放線和校正，現(xiàn)場場地布置；桁架現(xiàn)場安裝；高空焊接對安裝質(zhì)量的影響；安裝工期短，安全施工保證措施等。
    2. 鋼結(jié)構(gòu)加工制作
    針對本工程結(jié)構(gòu)加工制作及施工的特點與難點，制作前編制了詳細(xì)的焊接工藝流程，施工中采取了一系列工藝措施，保證結(jié)構(gòu)每一根構(gòu)件的質(zhì)量，進(jìn)而確保整個工程的質(zhì)量要求。限于篇幅與闡述的重點，此處僅做簡要介紹。本工程鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點的制作可分為：鋼管桁架構(gòu)件的制作、節(jié)點支座的加工與鑄鋼節(jié)點制作、次桁架平面分段的加工制作等。對管桁架主要采用相貫焊接節(jié)點，上、下弦桿的部分復(fù)雜交匯節(jié)點采用了鑄鋼加工節(jié)點。
    （1）弧形鋼管桁架結(jié)構(gòu)制作
    本工程相貫線數(shù)控切割加工鋼管主要規(guī)格為Φ127x6~Φ450x25。根據(jù)工廠加工制作此類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實際情況，對于弧度較小的鋼管主要采用了中頻彎管；對于弧度較大的構(gòu)件采用冷加工彎管工藝。構(gòu)件在工廠分段制作組裝，發(fā)運至現(xiàn)場后拼裝成立體桁架單元進(jìn)行吊裝。
    （2）支座節(jié)點的加工制作
    本工程鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點形式主要包括鋼管桁架相貫節(jié)點、鑄鋼件節(jié)點、預(yù)應(yīng)力鋼棒節(jié)點、H型鋼柱支座節(jié)點、鋼管柱支座節(jié)點等。鑄鋼件節(jié)點采用德國標(biāo)準(zhǔn)DIN17182，材料牌號GS-20Mn5V。對其中重要的鋼管柱支座節(jié)點，采用了板式加勁焊接加工預(yù)先就位、安裝中構(gòu)件散裝對接焊進(jìn)行拼接的工裝措施。典型的結(jié)構(gòu)內(nèi)圈支座節(jié)點制作工藝如下（圖3）：
    1）組裝胎架，平鋪底板；
    2）支座底板與底板下部加勁板反造法組裝；
    3）支座底板組合件與鋼管柱的組裝并反駁、刻劃上部構(gòu)件安裝線；
    4）支座上部構(gòu)件定位肋板的組裝；
    5）支座本體與主桁架支撐構(gòu)件的組裝。

    3. 鋼結(jié)構(gòu)施工過程
    結(jié)合現(xiàn)場土建施工條件，采用場內(nèi)、場外分區(qū)、分段進(jìn)行結(jié)構(gòu)的拼裝與吊裝、驗收合格后再分步卸載、最終完成結(jié)構(gòu)施工的施工方案。在先行施工完成的砼看臺上布置內(nèi)、外兩圈施工臨時支撐，依次安裝上部屋面分段桁架、安裝內(nèi)圈支座，再安裝側(cè)面分段桁架、完成外圈支座的定位焊接；最后安裝環(huán)向次桁架，主結(jié)構(gòu)整體吊裝完畢。之后逐步卸除內(nèi)圈臨時支撐架（外圈支撐已在安裝內(nèi)圈支座的同時已同步逐次卸除），實施結(jié)構(gòu)卸載。
    （1）主結(jié)構(gòu)吊裝施工
    施工中采用從場地中軸往南北兩端對稱吊裝、東西兩側(cè)罩棚鋼結(jié)構(gòu)的安裝對稱進(jìn)行的吊機(jī)行走技術(shù)路線，共分東西兩側(cè)對稱的8個吊裝區(qū)域。場內(nèi)、外大型履帶吊分別選用350t、200t及150t 級別。主桁架吊裝施工分段如圖4所示，每二榀組成一個立體吊裝單元。屋面桁架由大型履帶吊從場內(nèi)以立體分段的形式進(jìn)行吊裝；吊裝到位后放置在臨時支撐系統(tǒng)上固定、調(diào)整，進(jìn)行內(nèi)圈V型支座的安裝，如圖5所示。側(cè)面桁架由大型履帶吊從場外以立體分段的形式進(jìn)行吊裝、就位；罩棚結(jié)構(gòu)的外圈支座組裝焊接、立體桁架的拼接安裝完成后，最后進(jìn)行環(huán)向次桁架的安裝。次桁架重量較小，在地面上拼裝好進(jìn)行整體吊裝。


    （2）臨時支撐布設(shè)
    根據(jù)現(xiàn)場施工方案，設(shè)置內(nèi)、外兩圈臨時支撐。外圈臨時支撐系統(tǒng)（雙肢Φ609x12鋼管柱）布置在屋面桁架下部內(nèi)圈支座附近的砼看臺上（在屋面桁架安裝過程中已及時去掉并用結(jié)構(gòu)內(nèi)支座取代，實現(xiàn)循環(huán)利用）；內(nèi)圈臨時支撐系統(tǒng)（4L 125x12格構(gòu)柱，豎肢水平間距1m，L63x6腹桿）布置在砼看臺的C~F軸之間，整個罩棚吊裝完成并驗收合格、卸載后方可拆除。內(nèi)圈格構(gòu)支撐柱間上部設(shè)2 H450x300x20x25橫梁布設(shè)主桁架支撐點位并將內(nèi)圈支撐連成整體；當(dāng)臨時支撐柱下端不在下部砼梁柱框架網(wǎng)格上時，在相應(yīng)砼看臺上搭設(shè)鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換傳力平臺，支撐柱固定在鋼平臺上。
    （3）結(jié)構(gòu)卸載
    本工程鋼結(jié)構(gòu)卸載工作主要特點為：
    1）結(jié)構(gòu)體系較復(fù)雜，卸載計算分析工作量大；
    2）卸載點存在水平位移；
    3）卸載總噸位大，單點卸載噸位大；
    4）卸載點分布廣，工程組織難度大；
    5）施工臨時支撐剛度不夠產(chǎn)生不均勻沉降，在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生局部高應(yīng)力。
    通過方案比較優(yōu)選，最終實施的卸載方案是在結(jié)構(gòu)施工過程分析計算的基礎(chǔ)上，按照等距、微量下降的原則，根據(jù)計算所得的各支撐點卸載行程分步實施結(jié)構(gòu)卸載。按照計算結(jié)果在卸載初期先采用不等距行程步消除由于臨時支撐各點剛度差異產(chǎn)生的主結(jié)構(gòu)受力與變形的不均勻性，以盡可能實現(xiàn)荷載的平穩(wěn)轉(zhuǎn)移；隨后等量5mm、同步微量地完成卸載。卸載點水平位移較大時，在卸載步間需把千斤頂松掉，利用墊塊代替支撐，調(diào)整其垂直度釋放其水平位移，如圖6所示。


    三、結(jié)構(gòu)施工過程有限元數(shù)值分析
    在施工準(zhǔn)備階段，經(jīng)過與設(shè)計和施工方技術(shù)專家深入討論，初步形成了現(xiàn)有的施工組織措施。對于施工過程比較關(guān)鍵的問題，如施工的加載順序、施工合攏溫度、卸載順序以及施工過程中的變形控制等，缺乏理論上的計算數(shù)據(jù)支持。對于此類復(fù)雜的新型結(jié)構(gòu)體系來說，對施工全過程進(jìn)行模擬分析計算，給出一些動態(tài)的量化指標(biāo)，是保證工程安全有效實施不可或缺的一個重要環(huán)節(jié)。
    1.有限元數(shù)值分析目的和意義
    通過施工全過程模擬分析，控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件在各荷載工況及其最不利組合作用下施工全過程中強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求，保證鋼結(jié)構(gòu)施工的安全性；通過考慮施工順序加載模擬計算，準(zhǔn)確了解結(jié)構(gòu)安裝過程中的內(nèi)力分布、變化與變形情況，分階段提供鋼結(jié)構(gòu)驗收的變形控制指標(biāo)，并得到卸載前鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力及其幾何位形，準(zhǔn)確進(jìn)行后繼的卸載分析；模擬計算施工卸載過程工況，為合理實施施工卸載工序提供可靠依據(jù)。
    2.有限元數(shù)值分析實施方法與步驟
    針對本工程結(jié)構(gòu)體系的類型與施工工藝特點，分別采用MIDAS/GEN V7.1.2與SAP 2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工吊裝與卸載過程的數(shù)值模擬分析。吊裝過程分析采用了鋼結(jié)構(gòu)整體施工計算模型（包括支撐體系鋼結(jié)構(gòu)），主要考察了工況取值為結(jié)構(gòu)自重＋施工荷載（0.2倍構(gòu)件自重）時分段、分步吊裝施工時結(jié)構(gòu)各施工步的累積受力與變形情形；卸載過程分析則采用了主體鋼結(jié)構(gòu)的分析模型，通過程序特有的GAP單元模擬實施各卸載工況；該單元剛度采用了考慮體育場下部砼梁柱結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)支撐體系整體變形的總剛度，以期得到更接近現(xiàn)場施工實際情形的分析效果。由于上述的施工模擬數(shù)值分析過程均考慮了荷載工況的施加順序與結(jié)構(gòu)的累積變形幾何效應(yīng)，所進(jìn)行的有限元計算實際上是靜力非線性的過程。施工過程數(shù)值分析的荷載工況步驟即對應(yīng)于現(xiàn)場實施的實際安裝過程；根據(jù)實際的施工非線性加載過程，得到各階段結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移變形及支撐反力等計算數(shù)值，指導(dǎo)施工控制及驗收。
    除上述的結(jié)構(gòu)整體施工全過程模擬計算外，對施工過程中可能出現(xiàn)一些意外工況，如卸載過程不同步或局部受力支撐點失穩(wěn)等，分析其對整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布及變形產(chǎn)生的影響、通過計算對意外工況的敏感性進(jìn)行評估，以確保局部失穩(wěn)狀態(tài)不會引起連鎖反應(yīng)而導(dǎo)致整體破壞等，也有著很現(xiàn)實的意義。限于篇幅，僅給出其中部分的結(jié)構(gòu)整體吊裝與卸載施工分析計算典型結(jié)果進(jìn)行說明。
    3.結(jié)構(gòu)吊裝施工過程數(shù)值分析結(jié)果
    根據(jù)上述的結(jié)構(gòu)施工技術(shù)方案，采用累計38個荷載步對結(jié)構(gòu)吊裝過程進(jìn)行數(shù)值模擬，詳細(xì)了解各階段結(jié)構(gòu)的受力與變形情況，對現(xiàn)場采取的相應(yīng)施工方案進(jìn)行及時的跟蹤與控制，取得了整個吊裝施工過程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形、支撐系統(tǒng)反力變化較為均勻、緩和并始終處于預(yù)控合理范圍的良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。給出其中一組典型的數(shù)值分析結(jié)果以資說明。




    4.結(jié)構(gòu)卸載過程數(shù)值分析結(jié)果
    根據(jù)上述的結(jié)構(gòu)卸載施工方法與步驟，采用累計7個施工荷載步對結(jié)構(gòu)卸載過程進(jìn)行數(shù)值模擬，各卸載點分布圖及其具體卸載步驟行程見圖10、表1。由于數(shù)值分析考慮了結(jié)構(gòu)下部各卸載點處支撐的總剛度效應(yīng)（考慮體育場下部砼梁柱結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)支撐體系整體變形），各卸載點支撐總剛度存在差異（不具有對X軸的對稱性），對各卸載點實施的卸載行程均是不同的。
    對各卸載步結(jié)構(gòu)受力與變形情況進(jìn)行及時跟蹤與測控，整個卸載過程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形、支撐系統(tǒng)反力變化較為均勻、緩和并始終處于預(yù)控合理范圍，保證了結(jié)構(gòu)卸載過程的安全可靠。各卸載點支撐分批、逐次退出工作，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)從支撐受力狀態(tài)順利轉(zhuǎn)換到自由受力狀態(tài)，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。給出其中一組典型的數(shù)值分析結(jié)果以資說明。









    四、結(jié)語
    本文介紹了濟(jì)南奧體中心主體育場鋼結(jié)構(gòu)工程的制作與施工情況，對結(jié)構(gòu)的施工過程進(jìn)行了全面的有限元模擬計算，給出了相應(yīng)的數(shù)值分析典型結(jié)果。通過對施工方案及工藝的正確理解與模擬，有限元數(shù)值分析結(jié)果能夠較好地指導(dǎo)實際工程的施工過程。隨著鋼結(jié)構(gòu)工程項目的日趨大型化與復(fù)雜化，這種準(zhǔn)確跟蹤結(jié)構(gòu)施工全過程的數(shù)值模擬工作也就顯得愈發(fā)的重要。


    參考文獻(xiàn)：
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    (6) 王寅大, 藺軍, 謝艷花. “嶺南明珠”體育館屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工過程模擬計算. 第四屆海峽兩岸及香港鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)交流會論文集. 上海, 2006.
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