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濟南奧體中心主體育場(chǎng)鋼結構制作與施工過(guò)程及其數值分析

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:20 [收藏]


    摘 要：介紹濟南奧體中心主體育場(chǎng)鋼結構的制作工藝與施工過(guò)程，鋼結構施工過(guò)程有限元數值模擬分析方法及計算結果，有效地指導鋼結構的施工過(guò)程。
    關(guān)鍵詞：加工制作 施工 數值分析

    一、工程概況
    濟南奧體中心主體育場(chǎng)位于濟南市東部新城區龍洞地區經(jīng)十東路，總體建筑面積154323m2 ，可容納6萬(wàn)座席。體育場(chǎng)屋蓋形狀類(lèi)似濟南市樹(shù)“柳葉”造型，整體橢圓平面長(cháng)軸約360m，短軸約310m。體育場(chǎng)上部鋼結構屋蓋采取東、西兩片獨立的折板型空間懸挑桁架罩棚結構，單片罩棚最寬約70m，南北縱向最長(cháng)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(cháng)度約53m，懸臂根部最大高度7m；最小懸挑長(cháng)度28m，懸臂根部高度5m；懸臂端部高度1.5m。結構整體建筑效果如圖1所示。
    體育場(chǎng)鋼結構屋蓋東、西罩棚每側徑向主桁架均為64榀，懸挑罩棚前端屋面為平板結構，環(huán)向次桁架共布置9圈，形成折板型空間懸挑結構主要受力體系。中部桁架下弦平面設置6道Φ50mm的預應力棒鋼水平支撐，以增強結構的整體側向抗扭剛度，如圖2所示。64榀主桁架下端通過(guò)32根Y型鋼柱支撐于外圍型鋼混凝土墩臺之上，上部（懸挑根部）通過(guò)32個(gè)節點(diǎn)支座支撐于看臺上的鋼管砼塔柱上，形成穩定的空間結構受力體系。主體育場(chǎng)罩棚鋼結構用量約6600 t，由江蘇滬寧鋼機股份有限公司制作與安裝。


    二、鋼結構制作與施工
    1. 鋼結構制作與施工的特點(diǎn)
    本工程鋼結構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)標高不一、空間定位點(diǎn)多樣；主要結構構件超重、超長(cháng)；主桁架跨度大、安裝高度高，懸挑長(cháng)度大；節點(diǎn)對中心線(xiàn)對稱(chēng)，但不完全相同，特別是鑄鋼節點(diǎn)，現場(chǎng)拼裝胎架數量多。其中的制作施工質(zhì)量控制難點(diǎn)主要有：鋼構件加工質(zhì)量的控制；結構安裝現場(chǎng)的測量、放線(xiàn)和校正，現場(chǎng)場(chǎng)地布置；桁架現場(chǎng)安裝；高空焊接對安裝質(zhì)量的影響；安裝工期短，安全施工保證措施等。
    2. 鋼結構加工制作
    針對本工程結構加工制作及施工的特點(diǎn)與難點(diǎn)，制作前編制了詳細的焊接工藝流程，施工中采取了一系列工藝措施，保證結構每一根構件的質(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(jiǎn)要介紹。本工程鋼結構構件和節點(diǎn)的制作可分為：鋼管桁架構件的制作、節點(diǎn)支座的加工與鑄鋼節點(diǎn)制作、次桁架平面分段的加工制作等。對管桁架主要采用相貫焊接節點(diǎn)，上、下弦桿的部分復雜交匯節點(diǎn)采用了鑄鋼加工節點(diǎn)。
    （1）弧形鋼管桁架結構制作
    本工程相貫線(xiàn)數控切割加工鋼管主要規格為Φ127x6~Φ450x25。根據工廠(chǎng)加工制作此類(lèi)結構構件的實(shí)際情況，對于弧度較小的鋼管主要采用了中頻彎管；對于弧度較大的構件采用冷加工彎管工藝。構件在工廠(chǎng)分段制作組裝，發(fā)運至現場(chǎng)后拼裝成立體桁架單元進(jìn)行吊裝。
    （2）支座節點(diǎn)的加工制作
    本工程鋼結構節點(diǎn)形式主要包括鋼管桁架相貫節點(diǎn)、鑄鋼件節點(diǎn)、預應力鋼棒節點(diǎn)、H型鋼柱支座節點(diǎn)、鋼管柱支座節點(diǎn)等。鑄鋼件節點(diǎn)采用德國標準DIN17182，材料牌號GS-20Mn5V。對其中重要的鋼管柱支座節點(diǎn)，采用了板式加勁焊接加工預先就位、安裝中構件散裝對接焊進(jìn)行拼接的工裝措施。典型的結構內圈支座節點(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、刻劃上部構件安裝線(xiàn)；
    4）支座上部構件定位肋板的組裝；
    5）支座本體與主桁架支撐構件的組裝。

    3. 鋼結構施工過(guò)程
    結合現場(chǎng)土建施工條件，采用場(chǎng)內、場(chǎng)外分區、分段進(jìn)行結構的拼裝與吊裝、驗收合格后再分步卸載、最終完成結構施工的施工方案。在先行施工完成的砼看臺上布置內、外兩圈施工臨時(shí)支撐，依次安裝上部屋面分段桁架、安裝內圈支座，再安裝側面分段桁架、完成外圈支座的定位焊接；最后安裝環(huán)向次桁架，主結構整體吊裝完畢。之后逐步卸除內圈臨時(shí)支撐架（外圈支撐已在安裝內圈支座的同時(shí)已同步逐次卸除），實(shí)施結構卸載。
    （1）主結構吊裝施工
    施工中采用從場(chǎng)地中軸往南北兩端對稱(chēng)吊裝、東西兩側罩棚鋼結構的安裝對稱(chēng)進(jìn)行的吊機行走技術(shù)路線(xiàn)，共分東西兩側對稱(chēng)的8個(gè)吊裝區域。場(chǎng)內、外大型履帶吊分別選用350t、200t及150t 級別。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(chǎng)內以立體分段的形式進(jìn)行吊裝；吊裝到位后放置在臨時(shí)支撐系統上固定、調整，進(jìn)行內圈V型支座的安裝，如圖5所示。側面桁架由大型履帶吊從場(chǎng)外以立體分段的形式進(jìn)行吊裝、就位；罩棚結構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
    根據現場(chǎng)施工方案，設置內、外兩圈臨時(shí)支撐。外圈臨時(shí)支撐系統（雙肢Φ609x12鋼管柱）布置在屋面桁架下部?jì)热χё浇捻趴磁_上（在屋面桁架安裝過(guò)程中已及時(shí)去掉并用結構內支座取代，實(shí)現循環(huán)利用）；內圈臨時(shí)支撐系統（4L 125x12格構柱，豎肢水平間距1m，L63x6腹桿）布置在砼看臺的C~F軸之間，整個(gè)罩棚吊裝完成并驗收合格、卸載后方可拆除。內圈格構支撐柱間上部設2 H450x300x20x25橫梁布設主桁架支撐點(diǎn)位并將內圈支撐連成整體；當臨時(shí)支撐柱下端不在下部砼梁柱框架網(wǎng)格上時(shí)，在相應砼看臺上搭設鋼結構轉換傳力平臺，支撐柱固定在鋼平臺上。
    （3）結構卸載
    本工程鋼結構卸載工作主要特點(diǎn)為：
    1）結構體系較復雜，卸載計算分析工作量大；
    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，在結構中產(chǎn)生局部高應力。
    通過(guò)方案比較優(yōu)選，最終實(shí)施的卸載方案是在結構施工過(guò)程分析計算的基礎上，按照等距、微量下降的原則，根據計算所得的各支撐點(diǎn)卸載行程分步實(shí)施結構卸載。按照計算結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)生的主結構受力與變形的不均勻性，以盡可能實(shí)現荷載的平穩轉移；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，調整其垂直度釋放其水平位移，如圖6所示。


    三、結構施工過(guò)程有限元數值分析
    在施工準備階段，經(jīng)過(guò)與設計和施工方技術(shù)專(zhuān)家深入討論，初步形成了現有的施工組織措施。對于施工過(guò)程比較關(guān)鍵的問(wèn)題，如施工的加載順序、施工合攏溫度、卸載順序以及施工過(guò)程中的變形控制等，缺乏理論上的計算數據支持。對于此類(lèi)復雜的新型結構體系來(lái)說(shuō)，對施工全過(guò)程進(jìn)行模擬分析計算，給出一些動(dòng)態(tài)的量化指標，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。
    1.有限元數值分析目的和意義
    通過(guò)施工全過(guò)程模擬分析，控制結構構件在各荷載工況及其最不利組合作用下施工全過(guò)程中強度及穩定性要求，保證鋼結構施工的安全性；通過(guò)考慮施工順序加載模擬計算，準確了解結構安裝過(guò)程中的內力分布、變化與變形情況，分階段提供鋼結構驗收的變形控制指標，并得到卸載前鋼結構的內應力及其幾何位形，準確進(jìn)行后繼的卸載分析；模擬計算施工卸載過(guò)程工況，為合理實(shí)施施工卸載工序提供可靠依據。
    2.有限元數值分析實(shí)施方法與步驟
    針對本工程結構體系的類(lèi)型與施工工藝特點(diǎn)，分別采用MIDAS/GEN V7.1.2與SAP 2000進(jìn)行結構施工吊裝與卸載過(guò)程的數值模擬分析。吊裝過(guò)程分析采用了鋼結構整體施工計算模型（包括支撐體系鋼結構），主要考察了工況取值為結構自重＋施工荷載（0.2倍構件自重）時(shí)分段、分步吊裝施工時(shí)結構各施工步的累積受力與變形情形；卸載過(guò)程分析則采用了主體鋼結構的分析模型，通過(guò)程序特有的GAP單元模擬實(shí)施各卸載工況；該單元剛度采用了考慮體育場(chǎng)下部砼梁柱結構與鋼結構支撐體系整體變形的總剛度，以期得到更接近現場(chǎng)施工實(shí)際情形的分析效果。由于上述的施工模擬數值分析過(guò)程均考慮了荷載工況的施加順序與結構的累積變形幾何效應，所進(jìn)行的有限元計算實(shí)際上是靜力非線(xiàn)性的過(guò)程。施工過(guò)程數值分析的荷載工況步驟即對應于現場(chǎng)實(shí)施的實(shí)際安裝過(guò)程；根據實(shí)際的施工非線(xiàn)性加載過(guò)程，得到各階段結構的應力、位移變形及支撐反力等計算數值，指導施工控制及驗收。
    除上述的結構整體施工全過(guò)程模擬計算外，對施工過(guò)程中可能出現一些意外工況，如卸載過(guò)程不同步或局部受力支撐點(diǎn)失穩等，分析其對整體結構應力分布及變形產(chǎn)生的影響、通過(guò)計算對意外工況的敏感性進(jìn)行評估，以確保局部失穩狀態(tài)不會(huì )引起連鎖反應而導致整體破壞等，也有著(zhù)很現實(shí)的意義。限于篇幅，僅給出其中部分的結構整體吊裝與卸載施工分析計算典型結果進(jìn)行說(shuō)明。
    3.結構吊裝施工過(guò)程數值分析結果
    根據上述的結構施工技術(shù)方案，采用累計38個(gè)荷載步對結構吊裝過(guò)程進(jìn)行數值模擬，詳細了解各階段結構的受力與變形情況，對現場(chǎng)采取的相應施工方案進(jìn)行及時(shí)的跟蹤與控制，取得了整個(gè)吊裝施工過(guò)程中結構的內力與變形、支撐系統反力變化較為均勻、緩和并始終處于預控合理范圍的良好的技術(shù)經(jīng)濟效果。給出其中一組典型的數值分析結果以資說(shuō)明。




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









    四、結語(yǔ)
    本文介紹了濟南奧體中心主體育場(chǎng)鋼結構工程的制作與施工情況，對結構的施工過(guò)程進(jìn)行了全面的有限元模擬計算，給出了相應的數值分析典型結果。通過(guò)對施工方案及工藝的正確理解與模擬，有限元數值分析結果能夠較好地指導實(shí)際工程的施工過(guò)程。隨著(zhù)鋼結構工程項目的日趨大型化與復雜化，這種準確跟蹤結構施工全過(guò)程的數值模擬工作也就顯得愈發(fā)的重要。


    參考文獻：
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