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濟(jì)南奧體中心主體育場鋼結(jié)構(gòu)制作與施工過程及其數(shù)值分析

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:20 [收藏]


    摘 要：介紹濟(jì)南奧體中心主體育場鋼結(jié)構(gòu)的制作工藝與施工過程，鋼結(jié)構(gòu)施工過程有限元數(shù)值模擬分析方法及計(jì)算結(jié)果，有效地指導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)的施工過程。
    關(guān)鍵詞：加工制作 施工 數(shù)值分析

    一、工程概況
    濟(jì)南奧體中心主體育場位于濟(jì)南市東部新城區(qū)龍洞地區(qū)經(jīng)十東路，總體建筑面積154323m2 ，可容納6萬座席。體育場屋蓋形狀類似濟(jì)南市樹“柳葉”造型，整體橢圓平面長軸約360m，短軸約310m。體育場上部鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采取東、西兩片獨(dú)立的折板型空間懸挑桁架罩棚結(jié)構(gòu)，單片罩棚最寬約70m，南北縱向最長約330m。罩棚中間高、兩邊低，高差14m，最高點(diǎn)離地面約52m。主桁架最大懸挑長度約53m，懸臂根部最大高度7m；最小懸挑長度28m，懸臂根部高度5m；懸臂端部高度1.5m。結(jié)構(gòu)整體建筑效果如圖1所示。
    體育場鋼結(jié)構(gòu)屋蓋東、西罩棚每側(cè)徑向主桁架均為64榀，懸挑罩棚前端屋面為平板結(jié)構(gòu)，環(huán)向次桁架共布置9圈，形成折板型空間懸挑結(jié)構(gòu)主要受力體系。中部桁架下弦平面設(shè)置6道Φ50mm的預(yù)應(yīng)力棒鋼水平支撐，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體側(cè)向抗扭剛度，如圖2所示。64榀主桁架下端通過32根Y型鋼柱支撐于外圍型鋼混凝土墩臺(tái)之上，上部（懸挑根部）通過32個(gè)節(jié)點(diǎn)支座支撐于看臺(tái)上的鋼管砼塔柱上，形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)受力體系。主體育場罩棚鋼結(jié)構(gòu)用量約6600 t，由江蘇滬寧鋼機(jī)股份有限公司制作與安裝。


    二、鋼結(jié)構(gòu)制作與施工
    1. 鋼結(jié)構(gòu)制作與施工的特點(diǎn)
    本工程鋼結(jié)構(gòu)的制作與施主要有以下特點(diǎn)：主體鋼屋蓋呈雙曲面，各點(diǎn)標(biāo)高不一、空間定位點(diǎn)多樣；主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件超重、超長；主桁架跨度大、安裝高度高，懸挑長度大；節(jié)點(diǎn)對(duì)中心線對(duì)稱，但不完全相同，特別是鑄鋼節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)場拼裝胎架數(shù)量多。其中的制作施工質(zhì)量控制難點(diǎn)主要有：鋼構(gòu)件加工質(zhì)量的控制；結(jié)構(gòu)安裝現(xiàn)場的測量、放線和校正，現(xiàn)場場地布置；桁架現(xiàn)場安裝；高空焊接對(duì)安裝質(zhì)量的影響；安裝工期短，安全施工保證措施等。
    2. 鋼結(jié)構(gòu)加工制作
    針對(duì)本工程結(jié)構(gòu)加工制作及施工的特點(diǎn)與難點(diǎn)，制作前編制了詳細(xì)的焊接工藝流程，施工中采取了一系列工藝措施，保證結(jié)構(gòu)每一根構(gòu)件的質(zhì)量，進(jìn)而確保整個(gè)工程的質(zhì)量要求。限于篇幅與闡述的重點(diǎn)，此處僅做簡要介紹。本工程鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的制作可分為：鋼管桁架構(gòu)件的制作、節(jié)點(diǎn)支座的加工與鑄鋼節(jié)點(diǎn)制作、次桁架平面分段的加工制作等。對(duì)管桁架主要采用相貫焊接節(jié)點(diǎn)，上、下弦桿的部分復(fù)雜交匯節(jié)點(diǎn)采用了鑄鋼加工節(jié)點(diǎn)。
    （1）弧形鋼管桁架結(jié)構(gòu)制作
    本工程相貫線數(shù)控切割加工鋼管主要規(guī)格為Φ127x6~Φ450x25。根據(jù)工廠加工制作此類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際情況，對(duì)于弧度較小的鋼管主要采用了中頻彎管；對(duì)于弧度較大的構(gòu)件采用冷加工彎管工藝。構(gòu)件在工廠分段制作組裝，發(fā)運(yùn)至現(xiàn)場后拼裝成立體桁架單元進(jìn)行吊裝。
    （2）支座節(jié)點(diǎn)的加工制作
    本工程鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式主要包括鋼管桁架相貫節(jié)點(diǎn)、鑄鋼件節(jié)點(diǎn)、預(yù)應(yīng)力鋼棒節(jié)點(diǎn)、H型鋼柱支座節(jié)點(diǎn)、鋼管柱支座節(jié)點(diǎn)等。鑄鋼件節(jié)點(diǎn)采用德國標(biāo)準(zhǔn)DIN17182，材料牌號(hào)GS-20Mn5V。對(duì)其中重要的鋼管柱支座節(jié)點(diǎn)，采用了板式加勁焊接加工預(yù)先就位、安裝中構(gòu)件散裝對(duì)接焊進(jìn)行拼接的工裝措施。典型的結(jié)構(gòu)內(nèi)圈支座節(jié)點(diǎn)制作工藝如下（圖3）：
    1）組裝胎架，平鋪底板；
    2）支座底板與底板下部加勁板反造法組裝；
    3）支座底板組合件與鋼管柱的組裝并反駁、刻劃上部構(gòu)件安裝線；
    4）支座上部構(gòu)件定位肋板的組裝；
    5）支座本體與主桁架支撐構(gòu)件的組裝。

    3. 鋼結(jié)構(gòu)施工過程
    結(jié)合現(xiàn)場土建施工條件，采用場內(nèi)、場外分區(qū)、分段進(jìn)行結(jié)構(gòu)的拼裝與吊裝、驗(yàn)收合格后再分步卸載、最終完成結(jié)構(gòu)施工的施工方案。在先行施工完成的砼看臺(tái)上布置內(nèi)、外兩圈施工臨時(shí)支撐，依次安裝上部屋面分段桁架、安裝內(nèi)圈支座，再安裝側(cè)面分段桁架、完成外圈支座的定位焊接；最后安裝環(huán)向次桁架，主結(jié)構(gòu)整體吊裝完畢。之后逐步卸除內(nèi)圈臨時(shí)支撐架（外圈支撐已在安裝內(nèi)圈支座的同時(shí)已同步逐次卸除），實(shí)施結(jié)構(gòu)卸載。
    （1）主結(jié)構(gòu)吊裝施工
    施工中采用從場地中軸往南北兩端對(duì)稱吊裝、東西兩側(cè)罩棚鋼結(jié)構(gòu)的安裝對(duì)稱進(jìn)行的吊機(jī)行走技術(shù)路線，共分東西兩側(cè)對(duì)稱的8個(gè)吊裝區(qū)域。場內(nèi)、外大型履帶吊分別選用350t、200t及150t 級(jí)別。主桁架吊裝施工分段如圖4所示，每二榀組成一個(gè)立體吊裝單元。屋面桁架由大型履帶吊從場內(nèi)以立體分段的形式進(jìn)行吊裝；吊裝到位后放置在臨時(shí)支撐系統(tǒng)上固定、調(diào)整，進(jìn)行內(nèi)圈V型支座的安裝，如圖5所示。側(cè)面桁架由大型履帶吊從場外以立體分段的形式進(jìn)行吊裝、就位；罩棚結(jié)構(gòu)的外圈支座組裝焊接、立體桁架的拼接安裝完成后，最后進(jìn)行環(huán)向次桁架的安裝。次桁架重量較小，在地面上拼裝好進(jìn)行整體吊裝。


    （2）臨時(shí)支撐布設(shè)
    根據(jù)現(xiàn)場施工方案，設(shè)置內(nèi)、外兩圈臨時(shí)支撐。外圈臨時(shí)支撐系統(tǒng)（雙肢Φ609x12鋼管柱）布置在屋面桁架下部內(nèi)圈支座附近的砼看臺(tái)上（在屋面桁架安裝過程中已及時(shí)去掉并用結(jié)構(gòu)內(nèi)支座取代，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用）；內(nèi)圈臨時(shí)支撐系統(tǒng)（4L 125x12格構(gòu)柱，豎肢水平間距1m，L63x6腹桿）布置在砼看臺(tái)的C~F軸之間，整個(gè)罩棚吊裝完成并驗(yàn)收合格、卸載后方可拆除。內(nèi)圈格構(gòu)支撐柱間上部設(shè)2 H450x300x20x25橫梁布設(shè)主桁架支撐點(diǎn)位并將內(nèi)圈支撐連成整體；當(dāng)臨時(shí)支撐柱下端不在下部砼梁柱框架網(wǎng)格上時(shí)，在相應(yīng)砼看臺(tái)上搭設(shè)鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換傳力平臺(tái)，支撐柱固定在鋼平臺(tái)上。
    （3）結(jié)構(gòu)卸載
    本工程鋼結(jié)構(gòu)卸載工作主要特點(diǎn)為：
    1）結(jié)構(gòu)體系較復(fù)雜，卸載計(jì)算分析工作量大；
    2）卸載點(diǎn)存在水平位移；
    3）卸載總噸位大，單點(diǎn)卸載噸位大；
    4）卸載點(diǎn)分布廣，工程組織難度大；
    5）施工臨時(shí)支撐剛度不夠產(chǎn)生不均勻沉降，在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生局部高應(yīng)力。
    通過方案比較優(yōu)選，最終實(shí)施的卸載方案是在結(jié)構(gòu)施工過程分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，按照等距、微量下降的原則，根據(jù)計(jì)算所得的各支撐點(diǎn)卸載行程分步實(shí)施結(jié)構(gòu)卸載。按照計(jì)算結(jié)果在卸載初期先采用不等距行程步消除由于臨時(shí)支撐各點(diǎn)剛度差異產(chǎn)生的主結(jié)構(gòu)受力與變形的不均勻性，以盡可能實(shí)現(xiàn)荷載的平穩(wěn)轉(zhuǎn)移；隨后等量5mm、同步微量地完成卸載。卸載點(diǎn)水平位移較大時(shí)，在卸載步間需把千斤頂松掉，利用墊塊代替支撐，調(diào)整其垂直度釋放其水平位移，如圖6所示。


    三、結(jié)構(gòu)施工過程有限元數(shù)值分析
    在施工準(zhǔn)備階段，經(jīng)過與設(shè)計(jì)和施工方技術(shù)專家深入討論，初步形成了現(xiàn)有的施工組織措施。對(duì)于施工過程比較關(guān)鍵的問題，如施工的加載順序、施工合攏溫度、卸載順序以及施工過程中的變形控制等，缺乏理論上的計(jì)算數(shù)據(jù)支持。對(duì)于此類復(fù)雜的新型結(jié)構(gòu)體系來說，對(duì)施工全過程進(jìn)行模擬分析計(jì)算，給出一些動(dòng)態(tài)的量化指標(biāo)，是保證工程安全有效實(shí)施不可或缺的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。
    1.有限元數(shù)值分析目的和意義
    通過施工全過程模擬分析，控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件在各荷載工況及其最不利組合作用下施工全過程中強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求，保證鋼結(jié)構(gòu)施工的安全性；通過考慮施工順序加載模擬計(jì)算，準(zhǔn)確了解結(jié)構(gòu)安裝過程中的內(nèi)力分布、變化與變形情況，分階段提供鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)收的變形控制指標(biāo)，并得到卸載前鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力及其幾何位形，準(zhǔn)確進(jìn)行后繼的卸載分析；模擬計(jì)算施工卸載過程工況，為合理實(shí)施施工卸載工序提供可靠依據(jù)。
    2.有限元數(shù)值分析實(shí)施方法與步驟
    針對(duì)本工程結(jié)構(gòu)體系的類型與施工工藝特點(diǎn)，分別采用MIDAS/GEN V7.1.2與SAP 2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工吊裝與卸載過程的數(shù)值模擬分析。吊裝過程分析采用了鋼結(jié)構(gòu)整體施工計(jì)算模型（包括支撐體系鋼結(jié)構(gòu)），主要考察了工況取值為結(jié)構(gòu)自重＋施工荷載（0.2倍構(gòu)件自重）時(shí)分段、分步吊裝施工時(shí)結(jié)構(gòu)各施工步的累積受力與變形情形；卸載過程分析則采用了主體鋼結(jié)構(gòu)的分析模型，通過程序特有的GAP單元模擬實(shí)施各卸載工況；該單元?jiǎng)偠炔捎昧丝紤]體育場下部砼梁柱結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)支撐體系整體變形的總剛度，以期得到更接近現(xiàn)場施工實(shí)際情形的分析效果。由于上述的施工模擬數(shù)值分析過程均考慮了荷載工況的施加順序與結(jié)構(gòu)的累積變形幾何效應(yīng)，所進(jìn)行的有限元計(jì)算實(shí)際上是靜力非線性的過程。施工過程數(shù)值分析的荷載工況步驟即對(duì)應(yīng)于現(xiàn)場實(shí)施的實(shí)際安裝過程；根據(jù)實(shí)際的施工非線性加載過程，得到各階段結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移變形及支撐反力等計(jì)算數(shù)值，指導(dǎo)施工控制及驗(yàn)收。
    除上述的結(jié)構(gòu)整體施工全過程模擬計(jì)算外，對(duì)施工過程中可能出現(xiàn)一些意外工況，如卸載過程不同步或局部受力支撐點(diǎn)失穩(wěn)等，分析其對(duì)整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布及變形產(chǎn)生的影響、通過計(jì)算對(duì)意外工況的敏感性進(jìn)行評(píng)估，以確保局部失穩(wěn)狀態(tài)不會(huì)引起連鎖反應(yīng)而導(dǎo)致整體破壞等，也有著很現(xiàn)實(shí)的意義。限于篇幅，僅給出其中部分的結(jié)構(gòu)整體吊裝與卸載施工分析計(jì)算典型結(jié)果進(jìn)行說明。
    3.結(jié)構(gòu)吊裝施工過程數(shù)值分析結(jié)果
    根據(jù)上述的結(jié)構(gòu)施工技術(shù)方案，采用累計(jì)38個(gè)荷載步對(duì)結(jié)構(gòu)吊裝過程進(jìn)行數(shù)值模擬，詳細(xì)了解各階段結(jié)構(gòu)的受力與變形情況，對(duì)現(xiàn)場采取的相應(yīng)施工方案進(jìn)行及時(shí)的跟蹤與控制，取得了整個(gè)吊裝施工過程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形、支撐系統(tǒng)反力變化較為均勻、緩和并始終處于預(yù)控合理范圍的良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。給出其中一組典型的數(shù)值分析結(jié)果以資說明。




    4.結(jié)構(gòu)卸載過程數(shù)值分析結(jié)果
    根據(jù)上述的結(jié)構(gòu)卸載施工方法與步驟，采用累計(jì)7個(gè)施工荷載步對(duì)結(jié)構(gòu)卸載過程進(jìn)行數(shù)值模擬，各卸載點(diǎn)分布圖及其具體卸載步驟行程見圖10、表1。由于數(shù)值分析考慮了結(jié)構(gòu)下部各卸載點(diǎn)處支撐的總剛度效應(yīng)（考慮體育場下部砼梁柱結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)支撐體系整體變形），各卸載點(diǎn)支撐總剛度存在差異（不具有對(duì)X軸的對(duì)稱性），對(duì)各卸載點(diǎn)實(shí)施的卸載行程均是不同的。
    對(duì)各卸載步結(jié)構(gòu)受力與變形情況進(jìn)行及時(shí)跟蹤與測控，整個(gè)卸載過程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形、支撐系統(tǒng)反力變化較為均勻、緩和并始終處于預(yù)控合理范圍，保證了結(jié)構(gòu)卸載過程的安全可靠。各卸載點(diǎn)支撐分批、逐次退出工作，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)從支撐受力狀態(tài)順利轉(zhuǎn)換到自由受力狀態(tài)，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。給出其中一組典型的數(shù)值分析結(jié)果以資說明。









    四、結(jié)語
    本文介紹了濟(jì)南奧體中心主體育場鋼結(jié)構(gòu)工程的制作與施工情況，對(duì)結(jié)構(gòu)的施工過程進(jìn)行了全面的有限元模擬計(jì)算，給出了相應(yīng)的數(shù)值分析典型結(jié)果。通過對(duì)施工方案及工藝的正確理解與模擬，有限元數(shù)值分析結(jié)果能夠較好地指導(dǎo)實(shí)際工程的施工過程。隨著鋼結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目的日趨大型化與復(fù)雜化，這種準(zhǔn)確跟蹤結(jié)構(gòu)施工全過程的數(shù)值模擬工作也就顯得愈發(fā)的重要。


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