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奧體工程大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計施工若干問題的建議

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    劉樹屯
    中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院
    北京市西城區(qū)新外大街甲八號26-4-5
    100088

    摘 要：本文對大跨鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方案、推廣應(yīng)用高性能鋼材、結(jié)構(gòu)安全等級的掌握、焊縫等級的選用及施工因素對設(shè)計承載能力的影響進行了論述。
    關(guān)鍵詞 ：設(shè)計方案、高性能鋼材、承載能力、殘余應(yīng)力、
    一、體育場屋蓋設(shè)計方案應(yīng)采用輕型結(jié)構(gòu)、應(yīng)考慮將看臺結(jié)構(gòu)作為傳力的支承體系
    近些年來，我國陸續(xù)建成了幾個大跨度奧運體育場，南京奧體中心主體育場，屋蓋結(jié)構(gòu)是由與水平面成45度傾斜的、跨度為361.58ｍ的三角形行架拱和有箱形鋼梁形成的馬鞍形空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，用鋼量約12153噸。整個屋蓋結(jié)構(gòu)由主拱和箱形梁外端“Ｖ”型支承將荷載傳至下部看臺（圖一），45度傾斜主拱宛如飄帶，結(jié)構(gòu)體系造型新穎美觀。重慶奧體中心主體育場屋蓋結(jié)構(gòu)也是由跨度314ｍ的三角形行架拱和空間網(wǎng)殼組成，網(wǎng)殼一端支承在看臺上，將荷載傳至下部看臺結(jié)構(gòu)（圖二）。




    沈陽奧林匹克體育中心體育場為容納六萬人的大型體育場，罩棚鋼結(jié)構(gòu)屋面為以橄欖葉的王冠為設(shè)計概念所設(shè)計成的跨度360m的大型屋頂，屋面罩棚結(jié)構(gòu)采用單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系，南北罩棚內(nèi)側(cè)懸挑處各設(shè)置一空間加勁三角桁架，屋面網(wǎng)殼采用單根大口徑鋼管，一端支撐在地面，另一端直接與懸挑端的空間加勁桁架相貫連接。本罩棚鋼結(jié)構(gòu)總重量約12000噸，工程建筑面積103992?。這些工程的共同特點是屋蓋鋼結(jié)構(gòu)充分利用下部看臺作為傳力結(jié)構(gòu)，屋蓋方案采用輕型網(wǎng)殼和鋼管行架落地拱，造型新穎，用鋼量只有鳥巢的1/4。


    鳥巢鋼結(jié)構(gòu)采用了與看臺完全脫開的方案（圖四、圖五），水平荷載通過行架、由鋼結(jié)構(gòu)柱傳至柱底、而巨大的柱底水平力由與看臺基礎(chǔ)脫開的巨型柱腳傳遞，結(jié)果造成鋼結(jié)構(gòu)桿件太大、鋼板太厚，總用鋼量超過4萬2千噸。如果在屋蓋門架柱頂處、看臺頂部給門架增設(shè)支點，利用下部看臺作為傳力結(jié)構(gòu)，將極大減少整體鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、減少鋼材用量。這樣做并不影響“鳥巢”的建筑外形效果，也不影響室內(nèi)觀眾視線。表一給出了在靜荷載作用下增設(shè)支點后的柱腳內(nèi)力計算結(jié)果，其中FZ（支撐）、FX（支撐）分別表示增設(shè)支點后的24個柱腳處的豎向力、水平力；FZ、FX分別表示不增設(shè)支點、按照原設(shè)計計算簡圖計算的24個柱腳處的豎向力、水平力。計算結(jié)果表明，F(xiàn)Z／FZ（支撐）?1.57～1.97，F(xiàn)X／FX（支撐）?2.39～3.64，即增設(shè)支點后柱腳豎向力、水平力僅為原設(shè)計計算簡圖的57?、33?。
    通過上述分析，300ｍ已上大跨度體育場采用輕型空間鋼結(jié)構(gòu)、利用下部看臺作為傳力結(jié)構(gòu)，不但造
    型輕盈美觀，而且可以大量節(jié)省鋼材。





    二、大跨度體育場廣泛應(yīng)用國產(chǎn)高性能鋼材，鋼材性能已優(yōu)于國外，
    ，我國建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的迅速發(fā)展，尤其是奧體大跨度體育場館的建設(shè)極大的推動了鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)水平的提高。隨著高層與大跨度鋼結(jié)構(gòu)項目的增多，對結(jié)構(gòu)用材的品種、質(zhì)量及性能的要求也更高，現(xiàn)工程所需優(yōu)質(zhì)厚鋼材（厚度50～100?）的供需矛盾仍較為突出，以致國內(nèi)已建的大跨及高層鋼結(jié)構(gòu)中，絕大多數(shù)采用了進口厚鋼材。為改變這一局面，鋼鐵行業(yè)研制開發(fā)了專為高層鋼結(jié)構(gòu)用的優(yōu)質(zhì)中厚板材，并于2000年頒布了《高層建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》YB4104-2000行業(yè)標準（見表二），并可大批量供應(yīng)工程應(yīng)用。這種牌號為Q235GJ、Q345GJ的優(yōu)質(zhì)厚鋼板有著良好的綜合性能，如低厚度效應(yīng)（板厚50～100?時屈服強度僅降低6%，而普通Q345鋼要降低20%），良好的延性與沖擊韌性（保證-40度沖擊功）及焊接性能（碳當量保證），以及抗撕裂性能（Z向性能保證）等。還可以正火狀態(tài)交貨，以消除內(nèi)應(yīng)力，細化晶粒，可以說能滿足按抗震設(shè)計的鋼結(jié)構(gòu)用厚板材料的各種性能要求，其質(zhì)量性能已優(yōu)于日本SN50鋼與美國A572-50級鋼。近兩年來，在北京中關(guān)村金融中心、上海文獻中心及北京電視中心、北京銀泰大廈等工程中采用舞陽鋼鐵有限責任公司生產(chǎn)的Q345GJZ厚板都取得較好的效果。其突出的優(yōu)點是可比普通Q345鋼提高設(shè)計強度18%，可降低相關(guān)用鋼量及造價10%以上，去年以來國家體育場（鳥巢）、五棵松文化體育中心等奧運場館及CBD區(qū)中央電視臺新址、國貿(mào)大廈（三期）等重點工程（要求厚度達100～130mm用鋼量超過10萬噸），都以此高層建筑鋼結(jié)構(gòu)板材為厚板訂貨的首選用材。
    《YB4104-2000》是非等效采用JISG3136《建筑結(jié)構(gòu)用鋼》標準制定的，其屈服強度級別最高為345MPa(（抗拉強度490MPa），而國際上已開發(fā)出抗拉強度590MPa和780MPa的高強度的建筑用鋼，為適應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)向高層化和大跨度發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)必須使用高強度鋼材，如鳥巢就在國內(nèi)首次采用了Q460E-Z35厚度為100mm、110 mm高強度鋼約700噸，試驗結(jié)果證明，各項指標均滿足國標的要求。碳、硫、磷的含量分別為C≤0.17%、P≤0.015%、S≤0.015%、碳當量≤0.48%、屈服強度≥425MPa、抗拉強度≥575MPa、延伸率≥20%、強屈比≥1.2、-40度時Akv≥34J，抗層狀撕裂性能滿足Z35的相應(yīng)要求。新的國家標準《GB/T19879-2005》新增加了490MPa、420MPa，460MPa三個強度級別，此標準是我國近年來高強鋼板研制開發(fā)的最新成果，按此標準生產(chǎn)的鋼板其技術(shù)性能已達到國際先進水平，表二列出了國標《GB/19879-2005》鋼材性能表。
    當前我國重大工程采用了Q345GJ、Q460GJ等鋼板，但《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《高層民用建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》都一直未對上述鋼材新標準的變化做出積極的反應(yīng)，也未提出任何修改補充應(yīng)用的局部條款，致使設(shè)計與鋼材新產(chǎn)品標準間的矛盾日益突出，為此建議立即著手修訂有關(guān)規(guī)范以滿足設(shè)計急需。
    厚板的Z向抗撕裂性能屬于鋼材的純凈度要求，有Z向要求的鋼板會增加造價20%以上，故應(yīng)慎重采用。
    1） 僅在施工中因接頭構(gòu)造與焊接約束力較大，可以引起層狀撕裂的部位，并在使用中該處也受到層裂方向拉力作用時，才對該部位的厚板考慮Z向要求。
    2）對重要框架箱型厚板柱構(gòu)件（節(jié)點區(qū)采用內(nèi)隔板構(gòu)造），當厚板t為40～60?時可要求Z15性能、當t?60?時可要求Z25性能，一般不宜要求Z35性能（Z15、Z25、Z35相應(yīng)為厚板方向斷面收縮率應(yīng)≥ 15%、25%及35%），此時鋼材相應(yīng)的含硫（S）量應(yīng)保證嚴格控制要求（分別≤ 0.01%、0.007%、0.005%）。
    3）對類似上述條件的厚翼緣H型鋼柱，由于節(jié)點區(qū)約束條件的不同，對厚翼緣鋼材有Z向性能要求時，可僅要求Z15性能的保證。
    4）當重要的承重框架梁柱節(jié)點采用梁貫通（梁上、下翼緣處對應(yīng)的柱橫隔板貫通并與梁翼緣熔透對焊）構(gòu)造，并當隔板厚度t?40?時，可僅對厚隔板材料附加Z性能要求。

    三、對結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件的安全等級應(yīng)區(qū)別對待，不要過分提高或降低安全等級。
    建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準中明確規(guī)定，建筑物中各類構(gòu)件的安全等級可以進行調(diào)整，如果某些構(gòu)件的破壞后果很嚴重，引起次生災害或整個結(jié)構(gòu)的倒塌，其安全等級應(yīng)適當提高；反之，結(jié)構(gòu)的某些次要構(gòu)件破壞后其后果不嚴重，不影響整體結(jié)構(gòu)的安全，其安全等級應(yīng)降低。結(jié)構(gòu)不分主次，安全等級一律提高一級（其重要性系數(shù)1.1），強度設(shè)計值一律降低0.8倍，致使結(jié)構(gòu)的安全度在原有設(shè)計安全度（1.55）的基礎(chǔ)上，又增加了1.1/0.8=1.378倍，總的安全度達到1.55×1.378 =2.136。主要構(gòu)件安全度適當提高是可以的，但對于只起傳力作用的次要構(gòu)件，其破壞并不影響整體結(jié)構(gòu)的安全，安全度可適當降低。從抗震耗能的觀點出發(fā)，大震時希望次要構(gòu)件出現(xiàn)塑性，這樣可以吸收地震能量，減少地震力作用，對整體結(jié)構(gòu)的抗震是非常有利的。
    由于結(jié)構(gòu)安全度不適當提高，致使當前一些大跨度工程用鋼量太大。當前要特別注意的是，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，在保證安全可靠的前提下，不要過分加大結(jié)構(gòu)的安全度，造成鋼材的大量浪費。
    另外，也要特別注意的另外一種傾向是：在某些工程的招標過程中，為中標壓價，盡量減少用鋼量，致使構(gòu)件安全度太低，受壓構(gòu)件的長細比太大，致使在安裝過程中造成桿件彎曲。由于安裝誤差太大，造成數(shù)百桿件超過設(shè)計應(yīng)力，最后不得不采取現(xiàn)場加固處理措施。

    四、慎重選用全熔透焊縫，焊接殘余應(yīng)力只能減少不能消除。
    鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范第7.1.18條對全熔透焊縫的采用做了明確規(guī)定，只有在下列情況下才能選用全熔透焊縫。
    1）在需要進行疲勞計算的構(gòu)件中，凡對接連接焊縫均應(yīng)焊透，受拉時為一級，受壓時為二級。
    2) 不需要計算疲勞的構(gòu)件中，凡要求與母材等強的對接焊縫，應(yīng)與焊透。受拉時為一級，受壓時為二級。
    重級工作制和起重量大于50噸的中級工作制吊車梁的腹板與上翼緣的連接焊縫要求焊透。質(zhì)量等級不應(yīng)低于二級。高層民用建筑技術(shù)規(guī)程第8.4.2條規(guī)定，箱型焊接柱其角部的組裝焊縫應(yīng)為部分熔透的V型或U型焊縫（圖七）。焊縫厚度不應(yīng)小于板厚的三分之一，抗震時不小于板厚的二分之一，當梁與柱剛接連接時，在框架梁的上下600mm范圍內(nèi)，應(yīng)采用全熔透焊縫。設(shè)計者一定要區(qū)分受力情況、重要程度，明確哪些部位采用一級全熔透焊縫。對于以靜載為主的結(jié)構(gòu)，構(gòu)件為軸心拉壓桿件，箱型構(gòu)件的四條連接焊縫不受力，也不傳遞剪力。許多橋梁和大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程都采用了格構(gòu)式構(gòu)件，就是這個道理。


    采用部分熔透焊縫，可以省掉預熱、保溫等特殊的厚板焊接工藝，省掉熔敷金屬約三分之二，工作量僅為全熔透焊縫工作量的三分之一，如以每噸節(jié)省1000元計算，可以節(jié)省大量資金，同時又縮短工期。大量采用全熔透焊縫的結(jié)果，由于焊道數(shù)量的大量增加，造成焊接熱量的大量堆積，熱影響區(qū)加大，致使焊接變形及焊接應(yīng)力加大。
    關(guān)于焊接殘余應(yīng)力問題，在某些工程中設(shè)計規(guī)定施工中要消除焊接殘余應(yīng)力。這項規(guī)定給制造和安裝造成極大困難，最終未能實現(xiàn)。殘余應(yīng)力是加工制造過程中必然產(chǎn)生的，焊接時產(chǎn)生的不均勻溫度場，必然導致焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，當焊縫及其附近金屬被加熱并發(fā)生膨脹時，遠離焊縫的冷金屬對其該部分金屬產(chǎn)生約束，當恢復到室溫時，焊接被加熱的金屬就會產(chǎn)生拉應(yīng)力，而約束部分則產(chǎn)生相應(yīng)的壓應(yīng)力來平衡。圖八畫出了H型截面常用殘余應(yīng)力分布形式。

    殘余應(yīng)力的存在，可能會減低截面抗側(cè)向剛度和構(gòu)件平面內(nèi)整體抗彎剛度，對構(gòu)件的穩(wěn)定性有一定影響，現(xiàn)以翼緣為軋制邊的焊接工字形截面為例（圖九），它沿構(gòu)件長度方向殘余應(yīng)力的分布如圖所示，假定翼緣邊緣最大殘余應(yīng)力為 σrc=0.45fy ，將構(gòu)件截取一段作短柱試驗，當外力產(chǎn)生應(yīng)力σ=N/A=0.55fy以后，翼緣邊緣開始屈服，并逐漸向內(nèi)發(fā)展，能繼續(xù)抵抗外力的彈性區(qū)逐漸縮小，由于截面塑性的發(fā)展，對弱軸Y-Y的剛度的影響要比對強軸X-X的影響更大。

    由于各類構(gòu)件截面殘余應(yīng)力分布情況有較大差異，而其影響又隨壓桿屈曲方向而不同，故φ-λ曲線實際上是一個分布帶，“TJ17-74規(guī)范”采用一條曲線顯然不合理，國外規(guī)范多采用2-3條曲線，“GBJ17-88”共計算了200多條柱子曲線，采用了13種殘余應(yīng)力模式，考慮初始彎曲L/1000，最后將這200多曲線歸納為a、b、c三條曲線（圖十）。由于高層和大跨度結(jié)構(gòu)的日益廣泛應(yīng)用，新規(guī)范“GB50017-2003” 修訂增加了第四類即d類截面的穩(wěn)定系數(shù)。高層及大跨的柱翼緣厚度都超過40毫米，這類厚壁柱的殘余應(yīng)力值很高，且沿壁厚方向變化，板件外表面往往以殘余壓應(yīng)力為主，對構(gòu)件的穩(wěn)定的影響較大，導致它的承載能力下降。以 λ=60為例，d類構(gòu)件比a類構(gòu)件φ 值減低了30%，比b類降低了23%，比c類降低了13%，隨λ值的加大，d類構(gòu)件的φ值降低的就更多（圖十）。


    基于上述分析，國家規(guī)范已對殘余應(yīng)力對構(gòu)件承載能力的影響作了充分考慮，設(shè)計者在實際工程中不必采取消除殘余應(yīng)力的措施，實際上殘余應(yīng)力是客觀存在、消除不了的，但在施工過程中應(yīng)采取合理的焊接工藝，盡量減少殘余應(yīng)力的影響。

    五、設(shè)計必須充分考慮施工因素對結(jié)構(gòu)承載能力的影響
    設(shè)計所采用的計算模型，是理想的理論上的計算模型，計算假定施工過程中不存在結(jié)構(gòu)構(gòu)件強迫就位，即不考慮施工過程產(chǎn)生的安裝初始內(nèi)力，不考慮具體的施工過程、施工順序，僅對合攏后的整體結(jié)構(gòu)進行驗算；不考慮施工中產(chǎn)生的較大安裝偏差，認為節(jié)點坐標都是理想坐標。隨著結(jié)構(gòu)跨度越來越大，結(jié)構(gòu)形式越來越復雜，由于施工因素的影響上述計算的理想假定難以滿足要求。
    1）安裝偏差的影響
    《鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗收標準》關(guān)于各種允許偏差的規(guī)定，均是基于一般工業(yè)與民用建筑鋼結(jié)構(gòu)工程制定的，而大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程，結(jié)構(gòu)復雜，構(gòu)件異型，存在大量高空不同方向的對接，必然會出現(xiàn)測量誤差偏大、制作與安裝誤差超出標準要求的幾率較高。如某一大跨度球節(jié)點網(wǎng)架工程安裝時產(chǎn)生較大偏差，下弦實測最大安裝偏差達到300mm，經(jīng)對16000節(jié)點和60000萬個桿件實測安裝坐標，重新建立計算模型進行復核，雖然結(jié)構(gòu)剛度和強度沒有太大的變化，但也有個別構(gòu)件超過原設(shè)計標準，超應(yīng)力桿件達200余根，最后不得不進行加固處理。再有，某一大跨度工程主桁架地面拼裝時上下弦兩端軸線高度允許偏差為5mm、長度允許偏差5mm-10mm之間，但在高空安裝組拚時，最大產(chǎn)生了10mm的錯口和36mm的焊縫間隙，如此這么大的偏差必然會影響結(jié)構(gòu)的安全度。
    2）安裝強制就位的影響
    由于結(jié)構(gòu)類型復雜，相交于某一節(jié)點的桿件過多，存在大量高空對接，產(chǎn)生對接接口、錯口和間隙過大是難免的，如圖十一為鳥巢桁架柱典型節(jié)點，桿件為箱型厚板斷面約18個桿件空間交匯一點，圖十二為彎扭構(gòu)件典型節(jié)點，桿件均在節(jié)點外拼接，圖十三為桁架高空拼接圖，要保證多個接口的精度難度極大。受加工制作誤差、施工過程溫度變化、測量誤差等影響，產(chǎn)生了接口錯邊和接口間隙過大現(xiàn)象，有個別錯邊達５mm、接口間隙達29mm。另外，由于頂面次結(jié)構(gòu)和肩部次結(jié)構(gòu)是主結(jié)構(gòu)卸載后安裝，而次結(jié)構(gòu)是按卸載前的幾何尺寸進行加工的，將來可能會存在大量的構(gòu)件接口出現(xiàn)超差現(xiàn)象。為滿足設(shè)計要求，對于錯口的處理采用千斤頂或火攻校正方法，強制構(gòu)件就位的結(jié)果由于扭轉(zhuǎn)力矩的作用，給外伸牛腿造成較大的內(nèi)應(yīng)力，這些內(nèi)應(yīng)力是設(shè)計無法考慮的，勢必會對結(jié)構(gòu)安全造成影響。

    3）焊接內(nèi)應(yīng)力的影響
    鳥巢為全焊接鋼結(jié)構(gòu)，焊縫總長為30萬延米，基本上為厚板全熔透焊縫，焊接工作跨越整個冬季，即有高強鋼（Q460E-Z35）的焊接，又有鑄鋼件的焊接，厚板焊接熔敷量大，加之接口間隙超差，造成對接接口處大量焊接熔敷金屬的堆積（圖十四），雖然采取預熱保溫措施，但焊接內(nèi)應(yīng)力的存在是必然的，而且也是很大的。


    4）屋蓋合攏溫度的影響
    溫度應(yīng)力的計算是大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心，但是施工的具體過程往往難以滿足設(shè)計要求，從設(shè)計者來說，總希望合攏時選取一個最佳的溫度，使升溫+∆t、降溫-∆t大致相同，這樣可減少溫度應(yīng)力的影響。但施工中各種不可預料的因素，合攏溫度難以滿足設(shè)計要求，有時∆t相差1度對結(jié)構(gòu)就有影響，尤其是對200米以上的特大跨結(jié)構(gòu)，設(shè)計者應(yīng)充分考慮施工過程中溫度變化對合攏的影響，應(yīng)考慮一年四季最不利的合攏溫度影響，否則當施工合攏溫度不滿足設(shè)計要求時，會減低結(jié)構(gòu)的承載能力。鳥巢鋼結(jié)構(gòu)的安裝時間經(jīng)歷了從冬季到夏天過程，主結(jié)構(gòu)鋼柱安裝完畢再安裝次結(jié)構(gòu)，由于鋼柱不是機構(gòu)，是一個穩(wěn)定的多層鋼結(jié)構(gòu)體系，受溫度的影響，次結(jié)構(gòu)安裝必然會對鋼柱產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力，圖十五為鋼材表面溫度55度時次結(jié)構(gòu)安裝對鋼柱的影響，柱底溫度應(yīng)力達到了107MPa。因此，設(shè)計者必須充分考慮施工過程、溫度變化對結(jié)構(gòu)承載能力的影響。
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