基于安順市體育中心體育場(chǎng)鋼罩棚的施工過程模擬分析

封建波，肖建春*，李紹朗，齊衛(wèi)東

(貴州大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心貴州貴陽　550025)

基于安順市體育中心體育場(chǎng)鋼罩棚的施工過程模擬分析

封建波，肖建春*，李紹朗，齊衛(wèi)東

(貴州大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心貴州貴陽550025)

從結(jié)構(gòu)特征上看，安順市體育中心體育場(chǎng)鋼罩棚的單榀結(jié)構(gòu)形式屬于大跨度懸挑平面管桁結(jié)構(gòu)，在施工過程中首先在地面上對(duì)構(gòu)件進(jìn)行組裝，然后采用起吊裝置在空中進(jìn)一步組合，采用逐步成型的工藝，鋼罩棚在施工狀態(tài)下與及竣工狀態(tài)下的受力幾乎是完全不同的。筆者通過建模的方式，對(duì)整個(gè)施工過程進(jìn)行模擬，從而了解結(jié)構(gòu)受力變化以及在此過程中發(fā)生的形變。分析結(jié)果表明，施工過程對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的影響顯著，模擬其施工過程可有效提高工程的安全性，合理指導(dǎo)施工，降低工程事故風(fēng)險(xiǎn)。

施工方案；施工模擬；內(nèi)力；變形

近年來，隨著國家在基礎(chǔ)設(shè)施上的投入，大量的體育館、展覽館、火車站等地標(biāo)性建筑如雨后春筍般出現(xiàn)。其中，以桁架為單元組成的大跨度鋼結(jié)構(gòu)常為結(jié)構(gòu)工程師采用。

過去人們?cè)谶M(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)所作的分析工作的對(duì)象僅限于結(jié)構(gòu)投入運(yùn)行后的荷載以及組合作用，從而提高結(jié)構(gòu)的安全性。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，國內(nèi)所有工程結(jié)構(gòu)崩塌案件中，超過六成是未竣工狀態(tài)下發(fā)生的[1]，根本原因在于，結(jié)構(gòu)是將一個(gè)個(gè)構(gòu)成部分組合在一起后得到的。在進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，必然會(huì)涉及到構(gòu)件的組裝順序，在不斷組裝的過程中，結(jié)構(gòu)的半成品未必是穩(wěn)定的。另外，前期完成的工程在自重等作用下會(huì)發(fā)生位移而形成誤差，后期工程在誤差的基礎(chǔ)上展開，誤差就會(huì)不斷擴(kuò)大，這樣完工后得到的結(jié)構(gòu)就會(huì)和設(shè)計(jì)方案存在難以接受的誤差。由此可見，在工程建設(shè)的過程中，結(jié)構(gòu)的受力方式和設(shè)計(jì)并不一致。隨著時(shí)間的推移以及路徑的改變，結(jié)構(gòu)的形狀、受力等都會(huì)都會(huì)發(fā)生一定的變化，這一變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不可忽略，即需要使用施工力學(xué)知識(shí)予以解決[2-4]。本研究基于安順市體育中心體育場(chǎng)鋼罩棚的實(shí)際施工過程，采用有限元軟件SAP2000模擬分析其施工過程并指導(dǎo)施工。

1　工程概況

安順市體育中心體育場(chǎng)位于貴州省安順市。主體為大跨鋼結(jié)構(gòu)，采用平面管桁架形式。平面桁架呈現(xiàn)倒L形，下端與混凝土平臺(tái)連接，在倒L形的轉(zhuǎn)折處設(shè)置支座支撐于看臺(tái)頂端。體育場(chǎng)平面輪廓為橢圓，共80榀鋼結(jié)構(gòu)主桁架，各榀桁架間設(shè)置環(huán)向桁架連接。

主桁架從看臺(tái)頂端支座起向體育場(chǎng)內(nèi)部的懸挑，距離從19m到39m不等，最大懸挑長(zhǎng)度為39m的倒L形平面管桁架。聯(lián)系桁架屬于空間管桁架，其形態(tài)有三種，即單邊形、三角形以及四邊形，水平和柱間支撐所使用的是單根鋼管。屋蓋挑蓬結(jié)構(gòu)應(yīng)用的構(gòu)件有主桁架、次結(jié)構(gòu)以及環(huán)桁架，桿件全部采用圓鋼管，桁架則分為矩形和三角形兩種，采用相貫焊接節(jié)點(diǎn)連接而成。主桁架受拉支撐在6m處，支座深入混凝土形成剛接的埋入式柱腳，通過外包混凝土的鋼結(jié)構(gòu)圓管支承于下部鋼管砼柱上。受壓支撐點(diǎn)分高看臺(tái)部分和低看臺(tái)部分，高看臺(tái)部分為理想的雙向鉸支座，最高點(diǎn)為26.4m，由于該處支座部分支撐桿較長(zhǎng)，因此對(duì)該支撐桿也增加了支撐和側(cè)向約束；低看臺(tái)部分主鋼架下部支座深入混凝土，形成剛接的埋入式柱腳。(見圖1)

圖1　整體效果圖及軸測(cè)圖

2　施工方案概述

在具體實(shí)踐中選擇施工方案時(shí)，必須要考慮全面。在保持工程建設(shè)過程始終安全的基礎(chǔ)上，盡量降低結(jié)構(gòu)的材料成本。結(jié)合工程特征，應(yīng)用大功率吊機(jī)將材料吊至空中。整體來看，工程建設(shè)的主要步驟是:以區(qū)為單位進(jìn)行施工，某一環(huán)節(jié)由若干人共同完成；在地面上進(jìn)行必要的拼裝后，整體吊到空中安裝；用胎架提供有力的支撐，確保結(jié)構(gòu)半成品的穩(wěn)定和安全；按照主桁架、環(huán)桁架、次結(jié)構(gòu)的順序進(jìn)行安裝，最終成型。(鋼結(jié)構(gòu)安裝流程圖見圖2)

2.1分區(qū)施工、流水作業(yè)

鋼罩棚布置在整個(gè)看臺(tái)上方，桁架安裝從體育場(chǎng)A區(qū)10軸、11軸向兩邊分散對(duì)稱施工。(見圖3)

2.2先主后次、逐步成型

體育場(chǎng)鋼罩棚大部分的荷載都是由徑向主桁架承擔(dān)的，位于看臺(tái)上方的圓柱為結(jié)構(gòu)提供支撐力。在工程建設(shè)的過程中，將下部支座固定住，接著就是露在場(chǎng)館外部的桁架柱，然后是位于場(chǎng)館內(nèi)部的懸挑段。安裝完相鄰兩榀徑向主桁架后，及時(shí)吊裝其間的環(huán)向桁架以及收邊單片桁架等，完成結(jié)構(gòu)補(bǔ)檔。隨后再逐步向前擴(kuò)展、整個(gè)鋼罩棚穩(wěn)步成型。

圖2　鋼結(jié)構(gòu)安裝流程圖

圖3　施工分區(qū)圖及吊裝順序示意圖

2.3主桁架吊裝

在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)安裝的過程中，最重要的步驟是各工程分區(qū)的20榀徑向主桁架的安裝。這一桁架的外觀形如“倒L”，從空間的角度來看包括兩個(gè)部分，一部分位于場(chǎng)館外，為桁架柱，另一部分位于場(chǎng)館內(nèi)，為懸挑桁架。桁架搬運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)中時(shí)，是完全獨(dú)立分散的構(gòu)件，到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后分別組裝兩部分。應(yīng)用履帶吊完成兩部分的吊裝，桁架柱采用260T履帶，懸挑桁架采用180T履帶。(見圖4)

圖4　主桁架吊裝示意圖

2.4胎架工程

鋼結(jié)構(gòu)徑向主桁架都有懸挑部分，為保證安裝時(shí)穩(wěn)定性和整體控制精度，在吊裝懸挑部分時(shí)在懸挑最前端設(shè)置一個(gè)胎架，共80個(gè)胎架。工程所用胎架數(shù)量眾多，所涉及有千余噸胎架，胎架材料截面尺寸、形式不同，高度大，最大高度達(dá)38米，安裝測(cè)量控制難度較大?？紤]到單榀主桁架重量、承受力不同把胎架分為兩種，7-14采用Φ350x6螺旋管為主管制作胎架，其余軸線上胎架采用Φ219x6無縫鋼管為主管，兩種類型胎架腹桿均為Φ114x4。胎架采用地面預(yù)拼裝，在長(zhǎng)度上以6m作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，以每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)進(jìn)行組裝，胎架組裝拼接復(fù)雜，切割焊接量大。

2.5胎架卸載工程

工程使用了80個(gè)支撐胎架，卸載覆蓋面大，支撐胎架彼此間相隔很遠(yuǎn)，且平均高度很高。結(jié)合結(jié)構(gòu)和支撐胎架的位置信息，按照一階接一階、不同批次和級(jí)別分開的方式進(jìn)行卸載。每次千斤頂下降量為10mm，各點(diǎn)依次進(jìn)行，直至頂面與千斤頂頂座脫離。

3　施工過程模擬分析

3.1有限元模型的建立

在傳統(tǒng)的施工力學(xué)分析中，通常將支撐胎架簡(jiǎn)化成彈性支座，但是這種方法得到的計(jì)算結(jié)果同實(shí)際偏差較大，因此，為了使分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，將支撐胎架建入到有限元模型中。由于支撐胎架不能將彎矩傳遞到主體鋼結(jié)構(gòu)，因此采用SAP2000里只壓不拉的縫單元來模擬支撐胎架與主體結(jié)構(gòu)的連接單元。在有限元模型中，主桁架弦桿通過剛節(jié)點(diǎn)連接成一體，腹桿、水平和柱間支撐與弦桿通過鉸接點(diǎn)連接成一體，通過剛性支座將主桁架緊緊地固定在地面上，將主桁架用鉸接支座連接于混凝土固定柱柱頂。(見圖5)

圖5　有限元模型

在分析模型中，主要考慮恒載(自重)、施工活載(工人及工具)和溫度作用之間的最不利組合。其中，施工活載為0.1kN/m，布置在主桁架上弦；溫度荷載方面，規(guī)定合攏溫度為10±5°C，設(shè)計(jì)最大溫差為 ±20°C。荷載組合系數(shù)見表1，其中組合1為變形控制組合，后四種為桿件內(nèi)力驗(yàn)算組合。

表1　荷載組合表

3.2鋼罩棚安裝過程分析

結(jié)合工程時(shí)間安排以及結(jié)構(gòu)所采用的安裝方法，通過一次性建模法，構(gòu)建有限元模型[5]，接著分割施工步，此項(xiàng)工作的原則是劃分得越細(xì)越好，這樣才能提高工程施工模擬的真實(shí)度。本研究將工程安裝工作分割成為40個(gè)施工步。結(jié)合工程建設(shè)時(shí)所使用的方法以及一次性加載，得到結(jié)果如下:

1)在工程施工過程中，各個(gè)施工步在水平方向上產(chǎn)生的位移不大，在X向上位移不超過3.43mm，Y向的最大位移為5.55mm，豎向最大位移為19. 80mm(見圖6)，均遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的位移限值；

圖6　不同施工步下各向最大位移值

2)在應(yīng)力比方面，考慮施工階段影響與不考慮施工階段影響即一次性加載的應(yīng)力比大多數(shù)是處于0-0.1范圍內(nèi)，應(yīng)力比處于0.1-0.3范圍內(nèi)的大多為支撐胎架的桿件(見圖7)，說明考慮施工階段影響的桿件受力與設(shè)計(jì)成型下的桿件受力狀態(tài)相符合，施工過程中桿件強(qiáng)度富余度大，施工方案比較合理。

（a)考慮施工階段安裝完畢后的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比

圖7　應(yīng)力比區(qū)間圖

3.3支撐胎架卸載分析

在所有鋼罩棚都安裝完成后，開始進(jìn)行支撐胎架的卸載。卸載前讓鋼結(jié)構(gòu)處于自由狀態(tài)，鋼罩棚桁架上其他專業(yè)的施工在胎架卸載完畢后進(jìn)行，不能有其他附加約束。

現(xiàn)階段，針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的卸載量程存在兩類不同方案:一是同步等值卸載，另外一種為同步等比例卸載[6]。前者指的是結(jié)構(gòu)的自重引發(fā)的自由懸挑編出現(xiàn)的位移，依據(jù)各支撐點(diǎn)位移，于卸載過程中依據(jù)相同卸載量程展開，該方法擁有較強(qiáng)的操作性。后者是指在重力的影響下，卸載結(jié)構(gòu)發(fā)生位移，全部的支撐點(diǎn)根據(jù)相應(yīng)點(diǎn)位移按相同比例分得的卸載量程卸載。相比之下，后一種方法更優(yōu)，但它需要更加準(zhǔn)確的控制，因此導(dǎo)致工程建設(shè)變難。鋼罩棚在自由狀態(tài)下在自重作用下產(chǎn)生的位移見表2，最大位移為72.4mm，根據(jù)位移值，采用同步等值卸載方式，每步最大卸載量程達(dá)到10mm，直到相應(yīng)支撐胎架處連接單元反力值等于0時(shí)，代表此處的卸載已經(jīng)完成，正常情況下最多分八個(gè)卸載步驟便能完成全部的卸載。卸載過程的計(jì)算結(jié)果如下。

1)在卸載過程中，水平方向的位移比較小，其中X向的最大位移為12.88mm，Y向的最大位移為13.13mm，豎向最大位移為74.29mm，均滿足規(guī)范的位移限值，在此僅給出卸載過程中的豎向最大位移值見圖8(a)。

2)在應(yīng)力比方面，鋼罩棚的桿件應(yīng)力比大部分處于0-0.1區(qū)間，最大應(yīng)力比為0.33(見圖8-b)，說明在進(jìn)行卸載的過程中，桿件的強(qiáng)度并沒有充分發(fā)揮作用。隨著卸載工作的推進(jìn)，桿件應(yīng)力有規(guī)律地變化，沒有發(fā)現(xiàn)受壓不利的情況。

圖8　卸載階段的位移圖及應(yīng)力比區(qū)間圖

4　結(jié)論

本研究以安順市體育中心體育場(chǎng)鋼罩棚施工為例，運(yùn)用有限元軟件針對(duì)該工程施工過程展開模擬分析，最終結(jié)論如下:

(1)類似的大型懸挑結(jié)構(gòu)因較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)過程并通常未考慮施工過程所產(chǎn)生的影響，由于施工方案和過程均會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，因此，針對(duì)施工過程展開分析是十分重要的。

(2)將鋼罩棚和支撐胎架共同建入有限元模型內(nèi)，便可以真實(shí)模擬受力情況，施工時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形極為復(fù)雜，尤其是支撐胎架，產(chǎn)生的變形較大，因此，在施工時(shí)應(yīng)加大監(jiān)測(cè)力度；對(duì)于施工過程的模擬分析，可以提出施工的薄弱環(huán)節(jié)，給出應(yīng)力應(yīng)變較大的部分以供施工時(shí)的臨時(shí)加固和重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，能夠有效的指導(dǎo)施工。

上述分析證明，應(yīng)用有限元方式對(duì)工程施工過程進(jìn)行模擬，有助于提前了解工程建設(shè)過程中各種潛在的狀況，并提前采取措施予以防范，本研究也為消除類似工程建設(shè)過程中的安全隱患起到積極的借鑒作用。

[1]趙國藩，貢金鑫，趙尚傳.工程結(jié)構(gòu)生命全過程可靠度[M].北京:中國鐵道出版社，2004.

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[6]陳川平，華錦耀.大跨度懸挑結(jié)構(gòu)的卸載施工技術(shù)[J].浙江建筑，2009，26(04):47-49.

(責(zé)任編輯:王先桃)Simulation Analysis on Construction Process of Steel Structure Roof of Anshun Sports Center Stadium

FENG Jianbo，XIAO Jianchun*，LI Shaolang，QI Weidong
(Space Structure Research Center，Guizhou University，Guiyang 550025，China)

In view of the structure characteristics，the form of a single-bay structure of the steel roof of Anshun Stadium is a long-span cantilevered flat tube truss structure，the structure was assembled into segments，hoisted the internal and external ring segment，high-altitude docked together and gradually formed，and the steel roof in construction state and completion state of stress is almost entirely different.The whole construction process was simulated by means of modeling so as to understand the change of structure stress and deformation of the structure.Analysis results show that:the process of construction has a significant impact on the structure，to simulate the construction process can effectively improve the security of the project，reasonably guide the construction and reduce project risk of accidents.

construction plan；construction simulation；internal force；deformation

TU745.2

A

1000-5269(2016)01-0112-05DOI:10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.01.26

2015-01-10

貴州省科技廳創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目.[2014]4012號(hào).黔科通[2014]12號(hào)/Z143068

封建波(1992-)，男，在讀碩士，研究方向:空間鋼結(jié)構(gòu)及組合結(jié)構(gòu)，Email:841813868＠qq.com.

肖建春，Email:jcxiaogzu＠163.com.