上海體育館鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架拆除過程的數(shù)值模擬分析

王明謙 黃科鋒 馬福棟

（1.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200032；2.上海建科工程咨詢有限公司，上海 200032）

0 引言

隨著體育運(yùn)動(dòng)的蓬勃發(fā)展，我國(guó)對(duì)大型體育場(chǎng)館的使用需求逐漸增加［1］。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)許多既有體育場(chǎng)館的服役時(shí)間較長(zhǎng)（如北京工人體育場(chǎng)、廣州天河體育中心和上海八萬人體育場(chǎng)等），亟須對(duì)此類場(chǎng)館進(jìn)行改造處理，以滿足后續(xù)使用要求?？紤]到大型體育場(chǎng)館在拆除過程中極易出現(xiàn)施工安全風(fēng)險(xiǎn)，因此須重點(diǎn)關(guān)注改造過程的安全性。

目前，針對(duì)大型體育場(chǎng)館改造的研究已經(jīng)積累了一定的研究成果。劉學(xué)兵等［2］采用有限元分析軟件SAP2000建立了惠州市中心體育場(chǎng)臨時(shí)支撐的有限元分析模型，并針對(duì)使用階段和拆除階段臨時(shí)支撐的穩(wěn)定性和變形能力進(jìn)行了分析。方春等［3］開展了河南省體育場(chǎng)控制爆破拆除研究，并通過參數(shù)分析對(duì)裝藥量和起爆網(wǎng)格進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。程征等［4］開展了基于價(jià)值提升目標(biāo)的既有大型體育場(chǎng)適應(yīng)性改造設(shè)計(jì)研究，確定了改造設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。盛平等［5］開展了北京工人體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)方案研究，并對(duì)改造關(guān)鍵技術(shù)的適用性進(jìn)行了分析。但是，上述研究?jī)?nèi)容較少涉及體育館大型屋面拆除的精細(xì)化數(shù)值模擬研究。

工程結(jié)構(gòu)安全性的影響因素眾多，如何確定眾多影響因素中的關(guān)鍵影響因素是目前研究的重點(diǎn)。方差分析作為一種主流的關(guān)鍵影響因素確定方法，已被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程中，并取得了不錯(cuò)的效果。王明謙等［6］開展了膠合木梁柱螺栓節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)性能的方差分析，確定了節(jié)點(diǎn)初始剛度和抗彎承載力的關(guān)鍵影響因素。Kozak等［7］開展了鋼屋架在雪荷載作用下受力性能的方差分析，研究發(fā)現(xiàn)雪荷載作用位置對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能具有重要影響。

本文以上海體育館鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的拆除過程為例，開展了有限元模擬分析。采用有限元軟件ABAQUS建立上海體育館鋼網(wǎng)架精細(xì)化有限元分析模型，通過生死單元法模擬桿件的拆除過程。根據(jù)計(jì)算結(jié)果揭示網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中各桿件應(yīng)力和豎向撓度的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，開展網(wǎng)架中部支座類型和支座間距的參數(shù)分析。最后，根據(jù)方差分析結(jié)果確定拆除過程中網(wǎng)架最大撓度的關(guān)鍵影響因素。本文可為大型體育場(chǎng)館的改造提供技術(shù)參考。

1 網(wǎng)架拆除過程

上海體育館（圖1）由于建造時(shí)間較早，不符合現(xiàn)行規(guī)范，且無法滿足現(xiàn)有使用要求，因此擬拆除原有鋼屋蓋系統(tǒng)。

圖1 上海體育館原貌Fig.1 Original appearance of Shanghai Statium

網(wǎng)架拆除具體施工順序（圖2）如下：

圖2 鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架拆除示意圖Fig.2 Demolition process of the steel grid roof

（1）先完成準(zhǔn)備工作，檢查原網(wǎng)架桿件的連接情況、檢查上弦桿上部跳板及安全網(wǎng)的布置情況，完成腳手架及平臺(tái)上部支座的施工。

（2）拆除懸挑區(qū)域。

（3）由內(nèi)向外拆除區(qū)域1 至區(qū)域5（先拆除大三角內(nèi)部的小三角桿件，再拆除大三角桿件）。

2 網(wǎng)架有限元模型

2.1 幾何模型

考慮到網(wǎng)架拆除是體育場(chǎng)館拆除中危險(xiǎn)性最高的工況，故而采用有限元軟件ABAQUS 建立上海體育館鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架精細(xì)化有限元分析模型［8］，并對(duì)網(wǎng)架拆除進(jìn)行數(shù)值模擬分析，如圖3所示。首先，通過CAD 軟件建立網(wǎng)架的桿系幾何模型；然后，通過IGES 文件將該幾何模型導(dǎo)入有限元軟件ABAQUS；最后，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙定義每根桿件的截面特征。考慮到各桿件通過焊接連接到一起，桿件之間的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)置為剛接。

圖3 上海體育館鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架幾何模型Fig.3 Geometry model of the steel grid roof of Shanghai Stadium

2.2 網(wǎng)格劃分

采用有限元軟件ABAQUS 提供的B31兩節(jié)點(diǎn)線性梁?jiǎn)卧獙?duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，如圖4 所示?？紤]到計(jì)算精度的需要，各個(gè)桿件的網(wǎng)格尺寸選取為500 mm，網(wǎng)格總數(shù)目為31 830個(gè)。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh of the steel grid roof

2.3 材料力學(xué)性能參數(shù)

根據(jù)已有檢測(cè)報(bào)告可知，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用的鋼材為16 錳鋼，其屈服強(qiáng)度和彈性模量分別為300 MPa 和2×105MPa。鋼材的密度取780 kg/m3。鋼材的本構(gòu)模型取理想彈塑性模型。

2.4 邊界條件

首先，根據(jù)網(wǎng)架拆除方案對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下弦桿節(jié)點(diǎn)施加固定約束，即限制節(jié)點(diǎn)三個(gè)方向的平動(dòng)位移和轉(zhuǎn)動(dòng)位移，如圖5 所示。然后，施加重力荷載，重力加速度取9.8 m/s2。荷載增量步的時(shí)間取1.0，荷載增量步最大數(shù)量取100 000，增量步的初始步長(zhǎng)和最大步長(zhǎng)均取0.1。通過Full Newton 方法求解網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有限元模型的數(shù)值解。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架邊界條件的施加Fig.5 Applying boundary condition of the steel grid structure

2.5 桿件拆除過程模擬

首先，將需要拆除的桿件定義為某個(gè)集合（set），如圖6（a）中紅色區(qū)域所示；然后，在Model命令下的編輯Keywords 中修改inp 文件，定義拆除桿件荷載步，并加入生死單元命令，如圖6（b）所示，從而實(shí)現(xiàn)桿件單元的拆除；最后，按照第1節(jié)中描述的拆除方式依次對(duì)桿件拆除中各工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 桿件應(yīng)力圖

網(wǎng)架拆除過程中各桿件的Mises 應(yīng)力云圖如圖7所示。由圖7可知，拆除前靠近支座處的豎向腹桿應(yīng)力較大，超過了上下弦桿。隨著拆除的不斷進(jìn)行，靠近拆除部位的腹桿應(yīng)力有所增加。拆除過程中，所有桿件的峰值應(yīng)力均未超過20 MPa（對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值0.000 1），這與體育館拆除過程中健康監(jiān)測(cè)的結(jié)果基本一致，這說明本模型具有較好的預(yù)測(cè)精度。計(jì)算結(jié)果表明拆除方案具有較高的可行性，能夠保證上海體育館鋼網(wǎng)架拆除的安全。此外，由圖7 還可以看出，靠近拆除部位的桿件應(yīng)力相對(duì)較大，而遠(yuǎn)離拆除部位的桿件應(yīng)力相對(duì)較小。可見，拆除過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注正在拆除桿件周圍桿件的應(yīng)力水平。

圖7 拆除過程中各桿件的Mises應(yīng)力云圖（單位：MPa）Fig.7 Mises stress of each member during the demolition process（Unit：MPa）

3.2 豎向撓度

網(wǎng)架拆除過程中各桿件的豎向撓度如圖8 所示。由圖8 可知，拆除前相鄰兩支座之間的桿件豎向撓度相對(duì)較大。隨著拆除的不斷進(jìn)行，靠近拆除部位的桿件豎向撓度有所增加。拆除過程中所有桿件的豎向撓度均未超過2 mm，這說明拆除方案具有較高的可行性，能夠保證上海體育館鋼網(wǎng)架拆除的安全。

圖8 拆除過程中各桿件的豎向撓度（單位：mm）Fig.8 Deflection of each member during the demolition process（Unit：mm）

4 參數(shù)分析

4.1 網(wǎng)架中部支座類型

網(wǎng)架中部支座分別考慮為固定支座和只約束豎向變形支座，開展上海體育館鋼網(wǎng)架拆除的參數(shù)分析。其中，只約束豎向變形支座的各桿件的Mises 應(yīng)力云圖如圖9 所示。由圖7 和圖9 可知，拆除前和拆除大部分桿件后，支座類型對(duì)桿件應(yīng)力的影響并不顯著。拆除過程中，只約束豎向變形支座的腹桿應(yīng)力峰值會(huì)有所增加。

圖9 只約束豎向變形支座的各桿件的Mises應(yīng)力云圖（單位：MPa）Fig.9 Mises stress of each member with restraints only in vertical direction（Unit：MPa）

4.2 網(wǎng)架中部支座間距

原拆除方案中每?jī)煽缭O(shè)置一個(gè)支座，參數(shù)分析中將支座數(shù)量減少，改為每四跨設(shè)置一個(gè)支座。其中，支座間距增大后各桿件的Mises 應(yīng)力云圖如圖10 所示。由圖7 和圖10 可知，支座間距增大后，腹桿應(yīng)力峰值明顯提高。拆除后期，腹桿應(yīng)力峰值已達(dá)到121.3 MPa，此時(shí)極容易出現(xiàn)危險(xiǎn)點(diǎn)。因此，豎向支座的數(shù)量和有效性對(duì)網(wǎng)架的拆除具有重要影響，應(yīng)在拆除設(shè)計(jì)和施工中加以重視。

圖10 支座間距增大后各桿件的Mises應(yīng)力云圖（單位：MPa）Fig.10 Mises stress of each member with the increase of the distance between the supports（Unit：MPa）

5 拆除過程中風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的識(shí)別

根據(jù)參數(shù)分析結(jié)果進(jìn)行拆除過程中網(wǎng)架最大撓度的方差分析，用于確定關(guān)鍵影響因素。其中，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最大撓度的影響因素及結(jié)果見表1。

表1 拆除過程中網(wǎng)架最大撓度的影響因素及結(jié)果Table 1 Key factors and results of the maximum deflection of the grid during the demolition process

方差分析主要根據(jù)影響因素的線性項(xiàng)和非線性項(xiàng)組合的F檢驗(yàn)確定其對(duì)最大撓度是否具有顯著影響［6］：F值越大，P值越小，該因素對(duì)最大撓度變異性的影響越顯著。由表2 給出的方差分析結(jié)果可知，支座間距對(duì)拆除過程中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最大撓度的影響最大，而支座類型的影響相對(duì)較小。因此，在實(shí)際拆除過程中，應(yīng)重點(diǎn)檢查支座的數(shù)量和有效性，以確保消除潛在的危險(xiǎn)點(diǎn)。

表2 方差分析結(jié)果Table 2 Results of variance analysis

6 結(jié)論

本文開展了上海體育館鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架拆除過程的有限元數(shù)值模擬分析，得到如下結(jié)論：

（1）數(shù)值模擬結(jié)果表明，拆除前靠近支撐處的豎向腹桿應(yīng)力較大，超過了上下弦桿。隨著拆除的不斷進(jìn)行，靠近拆除部位的腹桿應(yīng)力有所增加，且靠近拆除部位的桿件豎向撓度有所增加。

（2）參數(shù)分析結(jié)果表明，拆除前和拆除大部分桿件后，支座類型對(duì)桿件應(yīng)力的影響并不顯著。支座間距增大后，拆除后期腹桿的應(yīng)力顯著增加，該種工況下極容易出現(xiàn)危險(xiǎn)點(diǎn)。

（3）方差分析結(jié)果表明，支座間距對(duì)拆除過程中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最大撓度的影響最大，而支座類型的影響相對(duì)較小。因此，在實(shí)際拆除過程中，應(yīng)重點(diǎn)檢查支座的數(shù)量和有效性，以確保消除潛在的危險(xiǎn)點(diǎn)。