建筑行业国家体育场钢结构支撑卸载分析.doc

国度运动场钢构造支撑卸载剖析邱德隆 李久林 杨俊峰 高树栋 范重 魏义进提  要：本文按照国度运动场主体钢构造装置方法分段吊装空中组拼方法(简称散装法)，同时按照支撑卸载点多、散布范畴广等实践情况动身，从钢构造支撑卸载进程的支撑反力剖析动手，应用无限元软件ANSYS详细比照盘算剖析了年夜跨度马鞍形空间钢构造屋面支撑的卸载次序跟卸载步调，择优断定了分阶段全体分级同步卸载的原那么跟详细的卸载步调。通过对每一步调卸载反力盘算跟卸载进程中可以呈现的支撑生效剖析，给出了支撑卸载反力后果，为钢构造支撑塔架的选型及打算供应按照，也希冀对类似工程的卸载施工供应参考。要害词：主体钢构造、支撑卸载、卸载反力、卸载步调1 工程概略国度运动场钢构造工程由24榀拉通或根本拉通的门式刚架缭绕着运动场外部碗状看台区改变而成，穿插安排的主构造与屋面、破面的次构造一同编织成“鸟巢”的外型。一切钢构造构件构成构造及修建形状，如图1-1所示。钢构造屋面呈双曲面马鞍型，最高点高度为，最低点高度为；破体上呈卵形，长轴最年夜尺寸约333米、短轴最年夜尺寸约296米；屋盖中部的启齿内环呈椭圆型，长轴约190米，短轴约为124米；年夜跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为。屋面主桁架矢高，上弦杆截面根本为1000mm×1000mm，上弦杆截面根本为800mm×800mm，腹杆截面根本为600mm×600mm；屋面钢构造总分量约14000吨，竖向荷载通过24根组合钢构造柱通报至根底。2 装置方法及支撑点的选择2.1 装置方法由于国度运动场钢构造为特年夜型年夜跨度空间构造，构件自重发生的内力所占比例较年夜，钢构造装置方法跟次序对构造构件在重力荷载感化下的内力将发生清楚阻碍；同时钢构造装置方法跟施工次序对和谐钢构造施工与混凝土构造施工的关联，对保障混凝土看台连续施工、钢构造的顺遂装置、室内装修工程及机电装备工程实时拔出以及核心基座尽早施工存在严峻的意思。平日，年夜跨度钢构造的装置打算有全体晋升、滑移、分段吊装空中组拼方法(简称散装法)跟部分全体晋升等方法。异常，国度运动场钢构造装置打算的选择进程中比照思索了上述四种方法。针对国度运动场工程的详细情况，以及钢构造工程及其与别的分部工程之间的时刻跟空间关联，为了满意国度运动场工程总工期的恳求，按照施工总安排，国度运动场看台混凝土构造先行施工，钢构造随落后展施工1。由于采纳全体晋升打算时，被钢构造围罩的看台混凝土构造不克不及先期施工，因此室内装修工程、机电装备工程等无奈提早拔出，招致总体工期无奈满意恳求。采纳滑移打算时，需求在钢构造的四周存在充足年夜的施工园地，由于施工现场园地狭窄，滑移打算遭到施工园地的限度，同时也遭到看台混凝土构造的制约，别的，滑移法也面对着宏年夜的技巧应战等要素。因此，国度运动场钢构造装置方法要紧进展了散装法跟部分全体晋升法的比选。在调剂开端打算之前，施工方就钢构造的装置方法进展了国际外范畴的打算征集，按照调剂前的开端打算前提，经专家择优评审，拟选定部分全体晋升的方法。调剂开端打算后，将原有的钢构造运动屋盖撤消，钢构造结实屋盖的启齿加年夜，约添加了20m。主构造打算修正前后变更情况见图2-1。按照调剂后开端打算图及详细技巧前提，鉴于以下要紧缘故：Ø 屋盖钢构造调剂打算后曾经不调剂前意思上的“内环桁架”，屋盖两头的启齿是由各榀贯穿的主桁架穿插而成；Ø 由各榀贯穿的主桁架穿插构成的“内环桁架”破体标准特别年夜，同时截面板厚比调剂打算前有了较年夜幅度的减小，同时存在较年夜的高差，全体刚度较差；Ø 由于钢屋盖启齿界限在短轴（货色向）曾经扩展到一层看台的边线、长轴（南北向）到跑道的外侧，采纳在空中进展“内环桁架”或含部分主桁架的全体拼装、晋升的打算将对混凝土看台施工发生较年夜阻碍。清楚，部分全体晋升方法已不存在上风，因此，终极断定钢构造总体装置打算采纳空中散装法2。2.2 支撑点设置在断定采纳空中散装法的总体装置打算后，随后的主要任务既是断定支撑点的安排、钢构造装置单位的分段以及按照装置单位的吊装工况选择吊机，这三方面的任务既互相联络又互相制约。在支撑点安排的选择进程中，同时还要思索其的地位与看台混凝土构造的穿插关联，只管增加支撑塔架设置对看台混凝土构造施工的烦扰阻碍。按照调剂后的钢构造开端打算图，支撑点的选择思索了两种方法，方法一为50个支撑点，方法二为78个支撑点。两种方法如以下图2-2、图2-3所示：通过以上两种支撑点安排方法的比较以及两种吊装工况的详细盘算剖析，终极择优断定采纳方法二：即78个支撑点，分红三圈：外圈24个、中圈24个、内圈30个2。3 卸载原那么按照2中断定的78个支撑点安排，外圈24个支撑点为主桁架订交的第一个节点，中圈为主桁架订交的第三个节点，内圈为主桁架订交的五、七（六）个节点。比较平均的散布在全部钢构造屋盖。同时可以留意到78个支撑点散布范畴较年夜，间距也较年夜。关于此类空间年夜跨度构造，最优的卸载方法应当为78个支撑全体同步卸载。然而思索到如斯重型的马鞍形钢屋盖构造，支撑反力跟各个支撑点的卸载变形量均有较年夜差异，要实现散布范畴如斯年夜，同时数目达78个之多的支撑全体同步卸载，不只从卸载装备的选配、操纵职员的操纵治理，以及同步精度等各方面，施行时难度都宏年夜。结合本工程78个支撑点可以分红外、中、内三圈的详细散布情况、钢构造屋盖的破体安排情况以及钢构造屋盖的受力跟变形特色。通过盘算剖析说明，当采纳分阶段全体分级同步卸载的方法进展卸载，跟全体同步卸载比较钢构造本体的应力阻碍不年夜，因此，断定了“分阶段全体分级同步卸载”的卸载原那么。即不寻责备体支撑点同时同步卸载，寻求每一圈支撑实现每一步同步卸载，同时实现全体支撑点分假设干个阶段到达全体同步卸载，而在每个阶段卸载施行进程中各圈支撑点并不是同步卸载23。4 卸载工况比照盘算剖析4.1 卸载工况按照“分阶段全体分级同步卸载”的原那么，对卸载的详细步调分两种工况进展了比对盘算：工况1：分红9个阶段共33个步调，前6个阶段均为卸载总量的10%，第7、第8阶段为15%，第9阶段为10%；卸载次序为由内圈向外圈。详见下表4-1：工况2：分红7个阶段，前3个阶段均为卸载总量的10%，后4个阶段为17.5%；卸载次序为由外圈向内圈。详见下表4-2：4.2 盘算前提 荷载重力荷载：取钢屋盖构造打算无限元模子构造本身的分量；施工荷载：作为最后的思索，为守旧起见，取无限元模子构造自重的35%作为施工荷载；风载：按照开端打算剖析后果，本工程不是风敏感构造，故在此处不思索风荷载感化。温度荷载：进展卸载剖析时未思索温度荷载感化。地动荷载：地动属于小概率发惹事情，卸载进程本身时刻较短，发作地动的可以性极小，故不思索地动感化。4.2.2 支座界限前提支座束缚前提为：组合柱柱足刚结、破面次构造底部铰结。4.2.3支撑点卸载模拟支撑点只在Z（竖）束缚，别的偏向（X、Y）自由。在钢屋盖构造盘算模子的78个支撑点下各设置了一根刚性杆，并未思索支撑塔架的弹性感化。此刚性杆只能接受压力而不克不及接受拉力。刚性杆上端与构造支撑点在Z偏向的位移一样，它的下端被束缚。在卸载进展时，对刚性杆的底部开释规则的位移来模拟卸载的进程4。4.3 卸载工况比照盘算后果及剖析除卸载步调纷歧样外，两种卸载工况的盘算前提均一样。盘算进程中，支撑点的详细编号见图4-1。由于构造的对称性，为轻便起见，取1/4的支撑反力进展剖析。此中外圈支撑为：9、13、16、19、22、23；中圈支撑为：17、8、12、15、18、21；内圈支撑为：20、24、7、11、2、14、10、1。 两种卸载工况盘算后果剖析通过以上两种卸载工况盘算后果剖析，可以掉掉以下论断：（1）支撑反力呈动摇变更，反力的总体趋向是逐步下落的。（2）两种工况卸载进程中，构件内力相差不清楚，均在构造同意的应力范畴内。（3）卸载进程中，工况1外圈反力最年夜值到达4330KN，变更幅度年夜，增幅快要100%，中圈反力最年夜值为3300KN，增幅约70%，内圈反力最年夜值为1900KN，变更幅度小，增幅约6%；工况2外圈反力最年夜值为2600KN，比初始值稍年夜为，最年夜增幅约20%，中圈反力最年夜值为3000KN，增幅50%，内圈反力最年夜值为3500KN，变更幅度较年夜，增幅达260%。全部卸载进程中，工况1最年夜支撑反力为4330KN，工况2为3500KN。（4）从每圈反力跟看，工况1总体程度较工况2年夜，工况1外圈反力跟保持较高值的时刻长，且外、中、内三圈反力跟差异较年夜，工况2各圈反力差异较小，且保持在绝对较小的程度。（5）从总反力看，工况1在卸载进程中呈现比初始反力年夜的景象，增幅为10%，且在卸载到第9步时总反力仍然坚持在初始程度，卸载前期对总反力的下落不清楚，前期下落较为清楚。工况2在全部卸载进程中总反力不断处于下落趋向，未呈现总反力添加情况，卸载前期下落幅度比工况1年夜，前期下落幅度比工况1小。4.4 卸载步调断定通过3中两种卸载工况的盘算后果剖析，不管是从卸载总反力，仍然单个支撑点呈现的最年夜反力值，以及反力变更的情况，可以看出采纳工况2设定的卸载步调清楚优于工况1。因此，卸载步调终极断定为工况2：7个阶段（7年夜步），每个阶段5小步，合计35小步。第一、二、三年夜步卸载步调为：外圈卸载10%、中圈5%、内圈5%，再中圈5%，内圈5%；前三年夜步实现后外、中、内三圈各卸载总位移量的30%。第四、五、六、七年夜步卸载实现总位移量的70%，每年夜步卸载量为17.5%，每年夜步步调为：外圈卸载17.5%、中圈8.75%、内圈8.75%，再中圈8.75%，内圈8.75%。卸载从外圈开始，终极支撑离开任务次序为外、中、内圈。5 支撑生效剖析在断定卸载步调后，为了对可以呈现的支撑生效危险进展猜想跟操纵，对支撑生效的两种情况进展了剖析。情况1为卸载进程中呈现最年夜反力点的支撑生效，情况2为最年夜反力点相邻支撑点生效。当最年夜反力点支撑（20号）生效时，其周边的支撑点（8、17、24、98、89、105号）反力响应添加，添加的幅度约为10%，剩余反力由构造本身接受；当最年夜反力点支撑（20号）相邻点（105号）生效时，最年夜反力支撑（20号）反力添加到4000KN，添加幅度约为14%。6 支撑打算反力以上盘算后果均是按构造自重的35%作为卸载施工时的施工荷载，该施工荷载取值偏年夜，后果偏于守旧。随后，按照以上断定的卸载步调跟生效剖析，取构造自重的15%作为施工荷载，同时思索了开端选定的支撑塔架构造在卸载进程中本身刚度的阻碍（支撑不是简化成只要Z向束缚的刚性杆，而是弹性杆），进展了进一步的盘算。卸载进程以及生效剖析中各支撑最年夜反力如下表6-1所示。该反力作为支撑塔架打算反力的参考按照56。7 结语本文通过装置打算跟支撑点的选择，按照支撑点设置的实践情况断定了支撑卸载的原那么，并对支撑卸载的两种工况进展了详细的比照剖析，终极择优选定了支撑卸载的详细步调，同时按照实践的施工荷载按照断定的卸载步调进展了盘算剖析，为支撑塔架的打算反力供应按照。实践卸载施行进程的种种检测后果说明卸载原那么跟卸载的详细步调是精确可行的7。国度运动场钢构造全部卸载剖析中的各个环节也可以为以后类似工程参考自创。致  谢在卸载剖析进程中，掉掉了刘树屯、周文瑛、关忆卢、郭彦林及刘子祥等国际著名钢构造专家的鼎力支撑跟协助，在此表现真诚的感谢。参考文献 1 杨俊峰、杨庆德、邱德隆等，国度运动场工程施工构造总打算，2004年12月2 杨俊峰、邱德隆、高树栋等，国度运动场钢构造施工构造打算，2004年12月3 刘树屯、李久林、高树栋、邱德隆，“鸟巢”钢构造要害施工技巧引见，第六届天下古代工程学术研究会，2006年7月4 张波、盛跟太，ANSYS无限元数值剖析道理与工程使用，清华年夜学出书社，2005年5 魏义进、封叶剑、陈桥生等，国度运动场钢构造支撑塔架卸载打算，2005年8月6 郭彦林、高  巍等，国度运动场支撑塔架卸载剖析盘算讲演，2005年8月7 国度运动场钢构造支撑塔架卸载施工总结讲演，北都城建团体国度运动场工程总承包部，2006年10月