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杭州奥体博览中心主体育场钢结构施工模拟分析

时间:2015-10-22 17:00:58作者:周观根 张珈铭 刘坚 游桂模 王永梅 来源:体博网

  [摘要] 杭州奥体博览中心主体育场钢结构罩棚由空间管桁架和弦支网壳组成 ,具有造型独特 、结构形式多样 、悬挑跨度大等特点。通过有限元分析软件 ANSYS对比分析了 3种结构吊装方案 ,研究其在考虑路径效应下不同拼装顺序对结构的变形、受力状况的影响;对基于一次性加载法和考虑路径效应的钢结构支撑架卸载过程进行了对比分析。分析结果表明考虑路径效应的分析方法与一次性加载法所计算的结构响应有很大不同 ,前者更接近结构实际状态,使结构施工过程安全可靠。通过计算分析可以确保空间管桁架的安装精度 ,保证施工过程的安全性和经济性。

  1、工程概况

  杭州奥体博览中心主体育场位于钱塘江与七甲河交汇处南侧,规划建筑面积22.9 万 ㎡,可举办洲际性、全国性综合运动会及国际田径、足球比赛,是杭州奥体博览城奥体中心的重要组成部分。 根据项目总体规划,杭州奥体中心体育场将于2015 年投入使用,将与博览城一起成为杭州市的新地标。奥体中心的“有机”造型设计灵感源于自然界的花朵,主体育场更是犹如绽放于钱塘江边的白莲花(见图1a)。

  杭州奥体博览中心主体育场固定座位80 011座,为特级特大型体育建筑物,整个结构由混凝土看台和钢结构罩棚组成。 整个钢结构罩棚由 14 组(28 片)主花瓣、13 片次花瓣组成(见图1b)。 罩棚外边缘长轴方向为333m,短轴方向为285m,罩棚最大宽度 68m, 悬挑长度 52.5m, 罩棚最高点标高59.40m。

图1 主体育场整体效果及钢结构罩棚效果

图1 主体育场整体效果及钢结构罩棚效果

Fig. 1  Rendering of the whole structure of the main stadium and rendering of its steel⁃structure awning

  2、钢结构罩棚结构体系

  杭州奥体博览中心主体育场钢结构罩棚为空间管桁架+弦支单层网壳钢结构体系(见图2)。 主花瓣为管桁架结构,主花瓣与主花瓣间以及主桁架间为弦支单层网壳结构,整个钢结构罩棚由上、中、下支座支撑在混凝土看台及平台上。 钢屋盖分为墙面、肩部、场内悬挑 3 部分。 在结构支座、主桁架相贯连接部位、桁架与支撑柱连接部位、主次花瓣连接节点等位置采用铸钢节点,场内悬挑端部与环桁架连接采用直接相贯节点。 屋盖钢结构主要杆件截面为圆钢管,圆钢管选用无缝钢管和焊接直缝钢管; 所有主桁架构件采用 Q345C, 次杆件为Q345B,最大直径杆件为 ϕ700 × 35。

图2 钢结构罩棚

图2 钢结构罩棚

Fig. 2  Steel structure awning

  3、施工过程模拟分析

  3. 1  施工模拟分析方法

  结构在施工过程模拟分析与设计状态分析的主要区别在于是否考虑了路径效应问题,本文所采用的施工模拟方法是基于 ANSYS 生死单元技术的一次性建模法,这种方法较分步建模法其优点是可以考虑几何非线性影响,分析精度较高;分步建模法只能分析已有模型的受力状态,无法考虑上一部安装位形对后续施工步的影响,即无法考虑施工顺序的不同而产生路径效应问题。

  3. 2  施工模拟有限元模型

  该工程主要采用了空间管桁架结构体系,施工模拟分析有限元模型的建立应尽量与实际工程相符合,传统方法是利用弹性约束来模拟临时支撑架,这种方法计算所得到结构的变形和内力偏小,本文采用 ANSYS 参数化编程将支撑架一同建立到模型中,使其参与受力变形;在进行卸载分析时采用“温控千斤顶单元”控制卸载行程。 根据本工程实际采用的钢材型号、截面尺寸利用 ANSYS 有限元软件建立有限元模型。(见图3)

图2 钢结构罩棚

图3 施工模拟有限元模型

Fig. 3  FEA model of construction simulation analysis

  1)单元类型及材料属性  管桁架及网壳杆件选取 Beam189 梁单元进行模拟,该单元为 3D 线性有限应变梁单元,适合于分析细长到中等细长的梁结构;预应力拉索和钢棒杆件采用 Link10 单元进行模拟,卸载过程中行程控制采用 Link10 温控千斤顶单元模拟。 钢材的密度取 7 850kg / m³;弹性模量:拉索取1 .9 × 1011N/ m²,管桁架取 2 .06 ×1011N/ m²; 泊松比取0 .3;温控千斤顶单元可通过增大弹性模量来忽略受压产生的竖后变形,需通过设置线膨胀系数 α 来控制单位卸载行程,α 可以用公式:α = Δ/LT 求得,其中 Δ 为单位卸载行程,L 为单元长度,T为降温值。

  2)边界条件  由于空间管桁架连接节点为相贯节点,钢结构部分与混凝土看台上、中、下 3 层支座均由预埋铸钢支座节点焊接连接,所以该模型节点连接采用刚性连接,支座为固定支座。

  3)荷载取值  施工模拟分析时考虑了施工恒荷载(结构自重)、活荷载(施工活荷载)以及温度作用之间的最不利组合。 由于结构中使用了大量的铸钢节点且质量较大,考虑铸钢节点质量、马道、檩条等,恒荷载分项系数取 1.5。 本文分析了 1 .5 恒荷载 + 0 .98 活荷载 + 0 .7 温度荷载(降温 25℃)组合工况下结构的应力和变形。

  3、钢结构施工方案与吊装方案

  3. 3 .1  结构施工方案

  结合该工程特点,通过各种施工方案对比分析,选用高空分块吊装法进行施工。 体育场钢结构罩棚为环形封闭结构,分成 4 个施工区进行施工,这样的施工区域划分方式可充分利用分区场地进行桁架单元的地面拼装,同时各区域施工互不影响,提高了施工效率。 结构吊装分别以( 1⁃5a)轴、( 1⁃15a)轴、(1⁃25a)轴和(1⁃36a)轴为分界线。 先施工 C,D施工区,后施工 A,B 施工区,最后结构在 (1⁃5a) 轴和( 1⁃25a)轴附近进行合龙(见图4)。

图4 施工区域划分 

图4 施工区域划分

Fig. 4  Division of construction area

  3 .3 .2  管桁架单元吊装方案

  钢结构罩棚除开口处一组花瓣支撑杆件略有不同,其余13 组花瓣支撑布置基本相同。 整体施工方案确定后对单个花瓣的拼装进行分析,桁架采用地面拼装,利用大型履带式起重机场内、场外分段吊装。 首先将花瓣主桁架划分为多个单元进行吊装,划分时综合考虑单元刚度、拼接点位置、结构稳定等因素。

  吊装单元划分完毕后需明确吊装顺序,并在施工现场进行单元拼装。 单元拼装场地需进行平整,确保单元拼装定位准确。 主桁架单元划分及3 种吊装方案如图5 所示。

  ①方案1  以一组相背花瓣的下支座为起点进行吊装,先安装外环桁架然后安装内环悬挑桁架,再安装环桁架,整个过程以形成一组相背花瓣为止;

  ②方案 2  以一组相对花瓣的下支座为起点进行吊装,由外环向内环安装,形成一组相对的花瓣为止;

  ③方案3  为先安装外环方向,待外环安装基本完成后再进行悬挑和环桁架的安装。

图5 施工模拟结构单元划分与吊装方案

图5 施工模拟结构单元划分与吊装方案

Fig. 5  Divide the structural element of construction simulation and lifting schemes

  图6 为3 种吊装方案在不同吊装步骤下的最大位移曲线和组合最大应力曲线;图 7 为吊装方案 3与一次性加载法位移比较曲线,选取了(1⁃15a)轴线左侧主桁架由下至上20 个节点。 从图 6 的数据对比可以看出方案 2 安装过程中结构的刚度较方案 1高;方案3 与方案2 基本相同,在进行环桁架吊装时相邻花瓣间相互影响,故结构应力和位移会有所增加。 方案2 与方案 1 比较其优点是结构更加稳定,悬挑端刚度较大,结构变形相对较小;其缺点是吊装步骤相互干扰多,影响吊装效率。施工方案 3 具备了方案1 和方案2 的优点,具有施工效率高、考虑了桁架制作周期、充分利用了拼装胎架等优点,实际施工过程中采用方案 3 进行,整个吊装过程如图8 所示。 图7 数据表明一次性加载与考虑路径效应的结构响应有明显不同,这是因为一次性加载分析时整个结构协同受力,而在实际施工过程中结构是一步一步完成的,在当前施工步骤完成后结构已经受力;吊装过程中 z 向位移的变化与一次性加载区别最为明显,当支撑架不足时悬挑端受到路径效应的影响更大,这就要求在设计和施工时考虑预起拱。

图6 最大位移与最大应力曲线

图6 最大位移与最大应力曲线

Fig. 6  The maximum displacements and maximum stress curves

图7 主桁架节点位移 

图7 主桁架节点位移

Fig. 7  The displacements of main truss joint

图8 钢结构主要安装步骤 

图8 钢结构主要安装步骤

Fig. 8  Major installation procedures for steel structure

加载方式

卸载前Z向最大位移/mm

卸载前桁架最大应力/MPa

卸载后Z向最大位移/mm

卸载后桁架最大应力/MPa

考虑路径效应影响

74.6

145.0

—249.3

—200.0

一次性加载

40.5

74.1

—214.6

—140.0

表1  一次性加载与考虑施工路径效应计算结果比较

Table 1  Calculation results comparison between one⁃time loading and considering construction path effects

  3 .4  支撑架卸载

  根据该工程结构的特点,施工安装方案采用68个临时支撑点,支撑在悬挑桁架外部节点和开口花瓣桁架节点上。 支撑架卸载采用同步等距和等比例相结合的方式卸载,卸载时采用千斤顶抽取垫片法进行,每个支撑点下由千斤顶和垫片支撑,垫片采用厚度为5,10,20,30mm 钢板。 卸载时根据理论计算通过千斤顶来抽取垫片。

  本文采用基于 ANSYS 软件生死单元技术考虑路径效应影响的计算方法,求得卸载前、卸载过程中临时支撑的反力以及卸载阶段结构的内力和位移。

  图9 是对68 个支撑点反力在两种计算方法下的对比。 对比显示考虑路径效应的安装方法与一次性加载方法对临时支撑架的反力有所不同。 一次性加载所求结构整体受力相对于考虑路径效应的分析结果所产生的反力偏小,而在该文中出现个别支撑反力小于一次性加载所产生的反力,这与悬挑桁架单元安装顺序、质量不同有关,一次性加载使悬挑部分协同受力,而实际过程中单元吊装完成后已经参与受力(变形),这将使相邻的质量较轻的悬挑桁架下支撑架反力减小。 设计临时支撑时应充分考虑路径效应所带来的支架反力增大问题,这将有助于提高施工过程支撑架的安全性。

图9 支撑架反力 

图9 支撑架反力

Fig. 9  Reaction of temporary supports

  图10 是结构基于以上 2 种卸载前状态下卸载计算的最大竖向位移曲线,选取了结构环向长轴方向节点(A3615,B3630)、短轴方向节点(C4397)竖向位移值。 表1 列出了卸载前后结构考虑施工效应与一次性加载的位移和内力比较。 从以上数据对比可以看出基于路径效应的卸载方法与一次成型的卸载法有明显不同,且前者所求结构内力和位移都较后者要大,考虑路径效应的模拟方法更接近结构施工时的实际受力和变形状态,并且更加安全可靠。

图10 内环节点竖向变形曲线 

图10 内环节点竖向变形曲线

Fig. 10  Measured deformation curves of inner ring joint

  4、结语

  本文对杭州奥体博览中心主体育场钢结构罩棚施工进行施工模拟全过程分析,比较了 3 种吊装方案并综合考虑各方面因素,提出了合理的吊装顺序;对比了吊装、卸载过程中考虑路径效应计算法与一次性加载法的不同,得出如下结论。

  1)针对主体育场钢结构部分的吊装方案进行了施工模拟的分析比较,最终确定了由外环向内环多点同步吊装的安装方案,分析表明方案 2 比施工方案1 结构具有更高的刚度,方案 3 在具备方案 2优点的同时,又具有拼装胎架利用率高、施工速度快等优点。aaa

  2)通过对主体育场钢结构部分模拟分析得出路径效应对结构内力、变形有较大影响;基于路效应所求得的结构的内力和变形可为实际施工提供参考。

  3)利用 ANSYS 软件生死单元技术及 Link10 单元特点,验证了“温控千斤顶单元”可较好地实现对结构卸载行程的控制。

  4)通过对卸载方案的模拟,得出基于路径效应的卸载方法将获得更准确的支撑架反力,这将有助于保证结构施工安全。

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