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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(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)，同時根據(jù)支撐卸載點多、分布范圍廣等實際情況出發(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(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(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)計提供依據(jù)，也期望對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(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，對保證混凝土看臺連續(xù)施工、鋼結(jié)構(gòu)的順利安裝、室內(nèi)裝修工程及機電設(shè)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(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(jié)構(gòu)工程及其與其它分部工程之間的時間和空間關(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，國家體育場看臺混凝土結(jié)構(gòu)先行施工，鋼結(jié)構(gòu)隨后進行施工[1]。
      
由于采用整體提升方案時，被鋼結(jié)構(gòu)圍罩的看臺混凝土結(jié)構(gòu)不能先期施工，因而室內(nèi)裝修工程、機電設(shè)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(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，同時也受到看臺混凝土結(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)計之前，施工方就鋼結(jié)構(gòu)的安裝方法進行了國內(nèi)外范圍的方案征集，依據(jù)調(diào)整前的初步設(shè)計條件，經(jīng)專家擇優(yōu)評審，擬選定局部整體提升的方法。調(diào)整初步設(shè)計后，將原有的鋼結(jié)構(gòu)活動屋蓋取消，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)計修改前后變化情況見圖2-1。
      


      
根據(jù)調(diào)整后初步設(shè)計圖及具體技術(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(jīng)擴大到一層看臺的邊線、長軸（南北向）到跑道的外側(cè)，采取在地面進行“內(nèi)環(huán)桁架”或含部分主桁架的整體拼裝、提升的方案將對混凝土看臺施工產(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，這三方面的工作既相互聯(lián)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(jié)構(gòu)的交叉關(guān)系，盡量減少支撐塔架設(shè)置對看臺混凝土結(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(yōu)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(nèi)圈30個[2]。
      
3 卸載原則
      
根據(jù)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(jié)點，中圈為主桁架相交的第三個節(jié)點，內(nèi)圈為主桁架相交的五、七（六）個節(jié)點。比較均勻的分布在整個鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，最優(yōu)的卸載方式應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(xiàn)分布范圍如此大，同時數(shù)量達78個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，實施時難度都巨大。結(jié)合本工程78個支撐點可以分成外、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。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(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(xiàn)每一步同步卸載，同時實現(xiàn)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(jù)“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(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計有限元模型結(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；
      
風載：根據(jù)初步設(shè)計分析結(jié)果，本工程不是風敏感結(jié)構(gòu)，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(fā)生事件，卸載過程本身時間較短，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(jié)構(gòu)計算模型的78個支撐點下各設(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(guī)定的位移來模擬卸載的過程[4]。
      
4.3 卸載工況對比計算結(jié)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(jié)構(gòu)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(nèi)圈支撐為：20、24、7、11、2、14、10、1。
      


      


      


      


      


      
4.3.3 兩種卸載工況計算結(jié)果分析
      
通過以上兩種卸載工況計算結(jié)果分析，可以得到以下結(jié)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(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(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(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算結(jié)果分析，不論是從卸載總反力，還是單個支撐點出現(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(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為外、中、內(nèi)圈。
      
5 支撐失效分析
      
在確定卸載步驟后，為了對可能出現(xiàn)的支撐失效風險進行預(yù)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(xiàn)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(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(shè)計反力
      
以上計算結(jié)果均是按結(jié)構(gòu)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(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(shè)計反力的參考依據(jù)[5][6]。
      


      
7 結(jié)語
      
本文通過安裝方案和支撐點的選擇，根據(jù)支撐點設(shè)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(yōu)選定了支撐卸載的具體步驟，同時根據(jù)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(shè)計反力提供依據(jù)。實際卸載實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)整個卸載分析中的各個環(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
      
 [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，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，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)代工程學術(shù)研討會，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，清華大學出版社，2005年
      
[5] 魏義進、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算報告，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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