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國家體育場鋼結構支撐卸載分析

作者：建筑鋼結構網    
時間：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

    提 要：本文依據國家體育場主體鋼結構安裝方法?分段吊裝高空組拼方法(簡稱散裝法)，同時根據支撐卸載點多、分布范圍廣等實際情況出發，從鋼結構支撐卸載過程的支撐反力分析入手，運用有限元軟件ANSYS詳細對比計算分析了大跨度馬鞍形空間鋼結構屋面支撐的卸載順序和卸載步驟，擇優確定了分階段整體分級同步卸載的原則和具體的卸載步驟。通過對每一步驟卸載反力計算和卸載過程中可能出現的支撐失效分析，給出了支撐卸載反力結果，為鋼結構支撐塔架的選型及設計提供依據，也期望對類似工程的卸載施工提供參考。
    關鍵詞：主體鋼結構、支撐卸載、卸載反力、卸載步驟
    1 工程概況
    國家體育場鋼結構工程由24榀拉通或基本拉通的門式剛架圍繞著體育場內部碗狀看臺區旋轉而成，交叉布置的主結構與屋面、立面的次結構一起編織成“鳥巢”的造型。所有鋼結構構件形成結構及建筑外形，如圖1-1所示。
    鋼結構屋面呈雙曲面馬鞍型，最高點高度為68.5米，最低點高度為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；屋蓋中部的開口內環呈橢圓型，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；屋面鋼結構總重量約14000噸，豎向荷載通過24根組合鋼結構柱傳遞至基礎。

    2 安裝方法及支撐點的選擇
    2.1 安裝方法
    由于國家體育場鋼結構為特大型大跨度空間結構，構件自重產生的內力所占比例較大，鋼結構安裝方法和順序對結構構件在重力荷載作用下的內力將產生明顯影響；同時鋼結構安裝方法和施工順序對協調鋼結構施工與混凝土結構施工的關系，對保證混凝土看臺連續施工、鋼結構的順利安裝、室內裝修工程及機電設備工程及時插入以及外圍基座盡早施工具有重大的意義。
    通常，大跨度鋼結構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，國家體育場鋼結構安裝方案的選擇過程中對比考慮了上述四種方式。針對國家體育場項目的具體情況，以及鋼結構工程及其與其它分部工程之間的時間和空間關系，為了滿足國家體育場工程總工期的要求，按照施工總部署，國家體育場看臺混凝土結構先行施工，鋼結構隨后進行施工[1]。
    由于采用整體提升方案時，被鋼結構圍罩的看臺混凝土結構不能先期施工，因而室內裝修工程、機電設備工程等無法提前插入，導致總體工期無法滿足要求。采用滑移方案時，需要在鋼結構的周圍具備足夠大的施工場地，由于施工現場場地狹小，滑移方案受到施工場地的限制，同時也受到看臺混凝土結構的制約，另外，滑移法也面臨著巨大的技術挑戰等因素。因此，國家體育場鋼結構安裝方法主要進行了散裝法和局部整體提升法的比選。
    在調整初步設計之前，施工方就鋼結構的安裝方法進行了國內外范圍的方案征集，依據調整前的初步設計條件，經專家擇優評審，擬選定局部整體提升的方法。調整初步設計后，將原有的鋼結構活動屋蓋取消，鋼結構固定屋蓋的開口加大，約增加了20m。主結構設計修改前后變化情況見圖2-1。

    根據調整后初步設計圖及具體技術條件，鑒于以下主要原因：
     屋蓋鋼結構調整設計后已經沒有調整前意義上的“內環桁架”，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“內環桁架”平面尺度很大，而且截面板厚比調整設計前有了較大幅度的減小，同時存在較大的高差，整體剛度較差；
     由于鋼屋蓋開口邊界在短軸（東西向）已經擴大到一層看臺的邊線、長軸（南北向）到跑道的外側，采取在地面進行“內環桁架”或含部分主桁架的整體拼裝、提升的方案將對混凝土看臺施工產生較大影響。
    明顯，局部整體提升方法已不具有優勢，因此，最終確定鋼結構總體安裝方案采用高空散裝法[2]。
    2.2 支撐點設置
    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的布置、鋼結構安裝單元的分段以及根據安裝單元的吊裝工況選擇吊機，這三方面的工作既相互聯系又相互制約。在支撐點布置的選擇過程中，同時還要考慮其的位置與看臺混凝土結構的交叉關系，盡量減少支撐塔架設置對看臺混凝土結構施工的干擾影響。
    根據調整后的鋼結構初步設計圖，支撐點的選擇考慮了兩種方式，方式一為50個支撐點，方式二為78個支撐點。兩種方式如下圖2-2、圖2-3所示：


    通過以上兩種支撐點布置方式的比較以及兩種吊裝工況的詳細計算分析，最終擇優確定采用方式二：即78個支撐點，分成三圈：外圈24個、中圈24個、內圈30個[2]。
    3 卸載原則
    根據2中確定的78個支撐點布置，外圈24個支撐點為主桁架相交的第一個節點，中圈為主桁架相交的第三個節點，內圈為主桁架相交的五、七（六）個節點。比較均勻的分布在整個鋼結構屋蓋。同時可以注意到78個支撐點分布范圍較大，間距也較大。對于此類空間大跨度結構，最優的卸載方式應該為78個支撐整體同步卸載。
    但是考慮到如此重型的馬鞍形鋼屋蓋結構，支撐反力和各個支撐點的卸載變形量均有較大差異，要實現分布范圍如此大，同時數量達78個之多的支撐整體同步卸載，不僅從卸載設備的選配、操作人員的控制管理，以及同步精度等各方面，實施時難度都巨大。結合本工程78個支撐點可以分成外、中、內三圈的具體分布情況、鋼結構屋蓋的平面布置情況以及鋼結構屋蓋的受力和變形特點。通過計算分析表明，當采用分階段整體分級同步卸載的方式進行卸載，和整體同步卸載相比鋼結構本體的應力影響不大，因此，確定了“分階段整體分級同步卸載”的卸載原則。即不追求全部支撐點同時同步卸載，追求每一圈支撐實現每一步同步卸載，同時實現全部支撐點分若干個階段達到整體同步卸載，而在每個階段卸載實施過程中各圈支撐點并不是同步卸載[2][3]。
    4 卸載工況對比計算分析
    4.1 卸載工況
    根據“分階段整體分級同步卸載”的原則，對卸載的具體步驟分兩種工況進行了比對計算：
    工況1：分成9個階段共33個步驟，前6個階段均為卸載總量的10%，第7、第8階段為15%，第9階段為10%；卸載順序為由內圈向外圈。詳見下表4-1：

    工況2：分成7個階段，前3個階段均為卸載總量的10%，后4個階段為17.5%；卸載順序為由外圈向內圈。詳見下表4-2：

    4.2 計算條件
    4.2.1 荷載
    重力荷載：取鋼屋蓋結構設計有限元模型結構自身的重量；
    施工荷載：作為最初的考慮，為保守起見，取有限元模型結構自重的35%作為施工荷載；
    風載：根據初步設計分析結果，本工程不是風敏感結構，故在此處不考慮風荷載作用。
    溫度荷載：進行卸載分析時未考慮溫度荷載作用。
    地震荷載：地震屬于小概率發生事件，卸載過程本身時間較短，發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、立面次結構底部鉸結。
    4.2.3支撐點卸載模擬
    支撐點只在Z（豎）約束，其它方向（X、Y）自由。在鋼屋蓋結構計算模型的78個支撐點下各設置了一根剛性桿，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。剛性桿上端與結構支撐點在Z方向的位移相同，它的下端被約束。在卸載進行時，對剛性桿的底部釋放規定的位移來模擬卸載的過程[4]。
    4.3 卸載工況對比計算結果及分析
    除卸載步驟不一樣外，兩種卸載工況的計算條件均相同。計算過程中，支撐點的具體編號見圖4-1。由于結構的對稱性，為簡便起見，取1/4的支撐反力進行分析。其中外圈支撐為：9、13、16、19、22、23；中圈支撐為：17、8、12、15、18、21；內圈支撐為：20、24、7、11、2、14、10、1。





    4.3.3 兩種卸載工況計算結果分析
    通過以上兩種卸載工況計算結果分析，可以得到以下結論：
    （1）支撐反力呈波動變化，反力的總體趨勢是逐步下降的。
    （2）兩種工況卸載過程中，構件內力相差不明顯，均在結構允許的應力范圍內。
    （3）卸載過程中，工況1外圈反力最大值達到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%，內圈反力最大值為3500KN，變化幅度較大，增幅達260%。整個卸載過程中，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間長，且外、中、內三圈反力和差異較大，工況2各圈反力差異較小，且維持在相對較小的水平。
    （5）從總反力看，工況1在卸載過程中出現比初始反力大的現象，增幅為10%，且在卸載到第9步時總反力仍然保持在初始水平，卸載前期對總反力的下降不明顯，后期下降較為明顯。工況2在整個卸載過程中總反力一直處于下降趨勢，未出現總反力增加情況，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算結果分析，不論是從卸載總反力，還是單個支撐點出現的最大反力值，以及反力變化的情況，可以看出采用工況2設定的卸載步驟明顯優于工況1。因此，卸載步驟最終確定為工況2：7個階段（7大步），每個階段5小步，共計35小步。第一、二、三大步卸載步驟為：外圈卸載10%、中圈5%、內圈5%，再中圈5%，內圈5%；前三大步完成后外、中、內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%、內圈8.75%，再中圈8.75%，內圈8.75%。卸載從外圈開始，最終支撐脫離工作順序為外、中、內圈。
    5 支撐失效分析
    在確定卸載步驟后，為了對可能出現的支撐失效風險進行預測和掌握，對支撐失效的兩種情況進行了分析。情況1為卸載過程中出現最大反力點的支撐失效，情況2為最大反力點相鄰支撐點失效。
    當最大反力點支撐（20號）失效時，其周邊的支撐點（8、17、24、98、89、105號）反力相應增加，增加的幅度約為10%，剩余反力由結構自身承受；當最大反力點支撐（20號）相鄰點（105號）失效時，最大反力支撐（20號）反力增加到4000KN，增加幅度約為14%。
    6 支撐設計反力
    以上計算結果均是按結構自重的35%作為卸載施工時的施工荷載，該施工荷載取值偏大，結果偏于保守。隨后，按照以上確定的卸載步驟和失效分析，取結構自重的15%作為施工荷載，同時考慮了初步選定的支撐塔架結構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），進行了進一步的計算。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計反力的參考依據[5][6]。

    7 結語
    本文通過安裝方案和支撐點的選擇，根據支撐點設置的實際情況確定了支撐卸載的原則，并對支撐卸載的兩種工況進行了詳細的對比分析，最終擇優選定了支撐卸載的具體步驟，同時根據實際的施工荷載按照確定的卸載步驟進行了計算分析，為支撐塔架的設計反力提供依據。實際卸載實施過程的各種檢測結果表明卸載原則和卸載的具體步驟是正確可行的[7]。國家體育場鋼結構整個卸載分析中的各個環節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、關憶盧、郭彥林及劉子祥等國內知名鋼結構專家的大力支持和幫助，在此表示誠摯的感謝。



    參考文獻
    [1] 楊俊峰、楊慶德、邱德隆等，國家體育場工程施工組織總設計，2004年12月
    [2] 楊俊峰、邱德隆、高樹棟等，國家體育場鋼結構施工組織設計，2004年12月
    [3] 劉樹屯、李久林、高樹棟、邱德隆，“鳥巢”鋼結構關鍵施工技術介紹，第六屆全國現代工程學術研討會，2006年7月
    [4] 張波、盛和太，ANSYS有限元數值分析原理與工程應用，清華大學出版社，2005年
    [5] 魏義進、封葉劍、陳橋生等，國家體育場鋼結構支撐塔架卸載方案，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算報告，2005年8月
    [7] 國家體育場鋼結構支撐塔架卸載施工總結報告，北京城建集團國家體育場工程總承包部，2006年10月
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