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國家體育場鋼結(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)國家體育場主體鋼結(jié)構(gòu)安裝方法?分段吊裝高空組拼方法(簡稱散裝法)，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
    國家體育場鋼結(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
    由于國家體育場鋼結(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(簡稱散裝法)和局部整體提升等方式。同樣，國家體育場鋼結(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)國家體育場項(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，為了滿足國家體育場工程總工期的要求，按照施工總部署，國家體育場看臺(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地，由于施工現(xiàn)場場地狹小，滑移方案受到施工場地的限制，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，國家體育場鋼結(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，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，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，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?、中、?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]。國家體育場鋼結(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內(nèi)知名鋼結(jié)構(gòu)專家的大力支持和幫助，在此表示誠摯的感謝。



    參考文獻(xiàn)
    [1] 楊俊峰、楊慶德、邱德隆等，國家體育場工程施工組織總設(shè)計(jì)，2004年12月
    [2] 楊俊峰、邱德隆、高樹棟等，國家體育場鋼結(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，國家體育場鋼結(jié)構(gòu)支撐塔架卸載方案，2005年8月
    [6] 郭彥林、高 巍等，國家體育場支撐塔架卸載分析計(jì)算報(bào)告，2005年8月
    [7] 國家體育場鋼結(jié)構(gòu)支撐塔架卸載施工總結(jié)報(bào)告，北京城建集團(tuán)國家體育場工程總承包部，2006年10月
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