[摘要] 杭州奧體博覽中心主體育場鋼結(jié)構(gòu)罩棚由空間管桁架和弦支網(wǎng)殼組成 ，具有造型獨特 、結(jié)構(gòu)形式多樣 、懸挑跨度大等特點。通過有限元分析軟件 ANSYS對比分析了 3種結(jié)構(gòu)吊裝方案 ，研究其在考慮路徑效應下不同拼裝順序?qū)Y(jié)構(gòu)的變形、受力狀況的影響;對基于一次性加載法和考慮路徑效應的鋼結(jié)構(gòu)支撐架卸載過程進行了對比分析。分析結(jié)果表明考慮路徑效應的分析方法與一次性加載法所計算的結(jié)構(gòu)響應有很大不同 ，前者更接近結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)施工過程安全可靠。通過計算分析可以確?？臻g管桁架的安裝精度 ，保證施工過程的安全性和經(jīng)濟性。

　　1、工程概況

　　杭州奧體博覽中心主體育場位于錢塘江與七甲河交匯處南側(cè)，規(guī)劃建筑面積22.9 萬 ㎡，可舉辦洲際性、全國性綜合運動會及國際田徑、足球比賽，是杭州奧體博覽城奧體中心的重要組成部分。 根據(jù)項目總體規(guī)劃，杭州奧體中心體育場將于2015 年投入使用，將與博覽城一起成為杭州市的新地標。奧體中心的“有機”造型設計靈感源于自然界的花朵，主體育場更是猶如綻放于錢塘江邊的白蓮花(見圖1a)。

　　杭州奧體博覽中心主體育場固定座位80 011座，為特級特大型體育建筑物，整個結(jié)構(gòu)由混凝土看臺和鋼結(jié)構(gòu)罩棚組成。 整個鋼結(jié)構(gòu)罩棚由 14 組(28 片)主花瓣、13 片次花瓣組成(見圖1b)。 罩棚外邊緣長軸方向為333m，短軸方向為285m，罩棚最大寬度 68m， 懸挑長度 52.5m， 罩棚最高點標高59.40m。

圖1　主體育場整體效果及鋼結(jié)構(gòu)罩棚效果

Fig. 1　 Rendering of the whole structure of the main stadium and rendering of its steel?structure awning

　　2、鋼結(jié)構(gòu)罩棚結(jié)構(gòu)體系

　　杭州奧體博覽中心主體育場鋼結(jié)構(gòu)罩棚為空間管桁架+弦支單層網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)體系(見圖2)。 主花瓣為管桁架結(jié)構(gòu)，主花瓣與主花瓣間以及主桁架間為弦支單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，整個鋼結(jié)構(gòu)罩棚由上、中、下支座支撐在混凝土看臺及平臺上。 鋼屋蓋分為墻面、肩部、場內(nèi)懸挑 3 部分。 在結(jié)構(gòu)支座、主桁架相貫連接部位、桁架與支撐柱連接部位、主次花瓣連接節(jié)點等位置采用鑄鋼節(jié)點，場內(nèi)懸挑端部與環(huán)桁架連接采用直接相貫節(jié)點。 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)主要桿件截面為圓鋼管，圓鋼管選用無縫鋼管和焊接直縫鋼管; 所有主桁架構(gòu)件采用 Q345C， 次桿件為Q345B，最大直徑桿件為 ?700 × 35。

圖2　鋼結(jié)構(gòu)罩棚

Fig. 2　 Steel structure awning

　　3、施工過程模擬分析

　　3. 1　 施工模擬分析方法

　　結(jié)構(gòu)在施工過程模擬分析與設計狀態(tài)分析的主要區(qū)別在于是否考慮了路徑效應問題，本文所采用的施工模擬方法是基于 ANSYS 生死單元技術(shù)的一次性建模法，這種方法較分步建模法其優(yōu)點是可以考慮幾何非線性影響，分析精度較高;分步建模法只能分析已有模型的受力狀態(tài)，無法考慮上一部安裝位形對后續(xù)施工步的影響，即無法考慮施工順序的不同而產(chǎn)生路徑效應問題。

　　3. 2　 施工模擬有限元模型

　　該工程主要采用了空間管桁架結(jié)構(gòu)體系，施工模擬分析有限元模型的建立應盡量與實際工程相符合，傳統(tǒng)方法是利用彈性約束來模擬臨時支撐架，這種方法計算所得到結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力偏小，本文采用 ANSYS 參數(shù)化編程將支撐架一同建立到模型中，使其參與受力變形;在進行卸載分析時采用“溫控千斤頂單元”控制卸載行程。 根據(jù)本工程實際采用的鋼材型號、截面尺寸利用 ANSYS 有限元軟件建立有限元模型。(見圖3)

圖3　施工模擬有限元模型

Fig. 3　 FEA model of construction simulation analysis

　　1)單元類型及材料屬性　 管桁架及網(wǎng)殼桿件選取 Beam189 梁單元進行模擬，該單元為 3D 線性有限應變梁單元，適合于分析細長到中等細長的梁結(jié)構(gòu);預應力拉索和鋼棒桿件采用 Link10 單元進行模擬，卸載過程中行程控制采用 Link10 溫控千斤頂單元模擬。 鋼材的密度取 7 850kg / m3;彈性模量：拉索取1 .9 × 10¹¹N/ m2，管桁架取 2 .06 ×10¹¹N/ m2;　泊松比取0 .3;溫控千斤頂單元可通過增大彈性模量來忽略受壓產(chǎn)生的豎后變形，需通過設置線膨脹系數(shù) α 來控制單位卸載行程，α 可以用公式：α = Δ/LT 求得，其中 Δ 為單位卸載行程，L 為單元長度，T為降溫值。

　　2)邊界條件　 由于空間管桁架連接節(jié)點為相貫節(jié)點，鋼結(jié)構(gòu)部分與混凝土看臺上、中、下 3 層支座均由預埋鑄鋼支座節(jié)點焊接連接，所以該模型節(jié)點連接采用剛性連接，支座為固定支座。

　　3)荷載取值　 施工模擬分析時考慮了施工恒荷載(結(jié)構(gòu)自重)、活荷載(施工活荷載)以及溫度作用之間的最不利組合。 由于結(jié)構(gòu)中使用了大量的鑄鋼節(jié)點且質(zhì)量較大，考慮鑄鋼節(jié)點質(zhì)量、馬道、檁條等，恒荷載分項系數(shù)取 1.5。 本文分析了 1 .5 恒荷載 + 0 .98 活荷載 + 0 .7 溫度荷載(降溫 25℃)組合工況下結(jié)構(gòu)的應力和變形。

　　3、鋼結(jié)構(gòu)施工方案與吊裝方案

　　3. 3 .1　 結(jié)構(gòu)施工方案

　　結(jié)合該工程特點，通過各種施工方案對比分析，選用高空分塊吊裝法進行施工。 體育場鋼結(jié)構(gòu)罩棚為環(huán)形封閉結(jié)構(gòu)，分成 4 個施工區(qū)進行施工，這樣的施工區(qū)域劃分方式可充分利用分區(qū)場地進行桁架單元的地面拼裝，同時各區(qū)域施工互不影響，提高了施工效率。 結(jié)構(gòu)吊裝分別以( 1?5a)軸、( 1?15a)軸、(1?25a)軸和(1?36a)軸為分界線。 先施工 C，D施工區(qū)，后施工 A，B 施工區(qū)，最后結(jié)構(gòu)在 (1?5a) 軸和( 1?25a)軸附近進行合龍(見圖4)。

　

圖4　施工區(qū)域劃分

Fig. 4　 Division of construction area

　　3 .3 .2　 管桁架單元吊裝方案

　　鋼結(jié)構(gòu)罩棚除開口處一組花瓣支撐桿件略有不同，其余13 組花瓣支撐布置基本相同。 整體施工方案確定后對單個花瓣的拼裝進行分析，桁架采用地面拼裝，利用大型履帶式起重機場內(nèi)、場外分段吊裝。 首先將花瓣主桁架劃分為多個單元進行吊裝，劃分時綜合考慮單元剛度、拼接點位置、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等因素。

　　吊裝單元劃分完畢后需明確吊裝順序，并在施工現(xiàn)場進行單元拼裝。 單元拼裝場地需進行平整，確保單元拼裝定位準確。 主桁架單元劃分及3 種吊裝方案如圖5 所示。

　?、俜桨?　 以一組相背花瓣的下支座為起點進行吊裝，先安裝外環(huán)桁架然后安裝內(nèi)環(huán)懸挑桁架，再安裝環(huán)桁架，整個過程以形成一組相背花瓣為止;

　　②方案 2　 以一組相對花瓣的下支座為起點進行吊裝，由外環(huán)向內(nèi)環(huán)安裝，形成一組相對的花瓣為止;

　?、鄯桨?　 為先安裝外環(huán)方向，待外環(huán)安裝基本完成后再進行懸挑和環(huán)桁架的安裝。

圖５　施工模擬結(jié)構(gòu)單元劃分與吊裝方案

Fig. 5　 Divide the structural element of construction simulation and lifting schemes

　　圖6 為3 種吊裝方案在不同吊裝步驟下的最大位移曲線和組合最大應力曲線;圖 7 為吊裝方案 3與一次性加載法位移比較曲線，選取了(1?15a)軸線左側(cè)主桁架由下至上20 個節(jié)點。 從圖 6 的數(shù)據(jù)對比可以看出方案 2 安裝過程中結(jié)構(gòu)的剛度較方案 1高;方案3 與方案2 基本相同，在進行環(huán)桁架吊裝時相鄰花瓣間相互影響，故結(jié)構(gòu)應力和位移會有所增加。 方案2 與方案 1 比較其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，懸挑端剛度較大，結(jié)構(gòu)變形相對較小;其缺點是吊裝步驟相互干擾多，影響吊裝效率。施工方案 3 具備了方案1 和方案2 的優(yōu)點，具有施工效率高、考慮了桁架制作周期、充分利用了拼裝胎架等優(yōu)點，實際施工過程中采用方案 3 進行，整個吊裝過程如圖8 所示。 圖7 數(shù)據(jù)表明一次性加載與考慮路徑效應的結(jié)構(gòu)響應有明顯不同，這是因為一次性加載分析時整個結(jié)構(gòu)協(xié)同受力，而在實際施工過程中結(jié)構(gòu)是一步一步完成的，在當前施工步驟完成后結(jié)構(gòu)已經(jīng)受力;吊裝過程中 z 向位移的變化與一次性加載區(qū)別最為明顯，當支撐架不足時懸挑端受到路徑效應的影響更大，這就要求在設計和施工時考慮預起拱。

圖6　最大位移與最大應力曲線

Fig. 6　 The maximum displacements and maximum stress curves

圖7　主桁架節(jié)點位移

Fig. 7　 The displacements of main truss joint

圖8　鋼結(jié)構(gòu)主要安裝步驟

Fig. 8　 Major installation procedures for steel structure

表1　 一次性加載與考慮施工路徑效應計算結(jié)果比較

　　3 .4　 支撐架卸載

　　根據(jù)該工程結(jié)構(gòu)的特點，施工安裝方案采用68個臨時支撐點，支撐在懸挑桁架外部節(jié)點和開口花瓣桁架節(jié)點上。 支撐架卸載采用同步等距和等比例相結(jié)合的方式卸載，卸載時采用千斤頂抽取墊片法進行，每個支撐點下由千斤頂和墊片支撐，墊片采用厚度為5，10，20，30mm 鋼板。 卸載時根據(jù)理論計算通過千斤頂來抽取墊片。

　　本文采用基于 ANSYS 軟件生死單元技術(shù)考慮路徑效應影響的計算方法，求得卸載前、卸載過程中臨時支撐的反力以及卸載階段結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。

　　圖9 是對68 個支撐點反力在兩種計算方法下的對比。 對比顯示考慮路徑效應的安裝方法與一次性加載方法對臨時支撐架的反力有所不同。 一次性加載所求結(jié)構(gòu)整體受力相對于考慮路徑效應的分析結(jié)果所產(chǎn)生的反力偏小，而在該文中出現(xiàn)個別支撐反力小于一次性加載所產(chǎn)生的反力，這與懸挑桁架單元安裝順序、質(zhì)量不同有關(guān)，一次性加載使懸挑部分協(xié)同受力，而實際過程中單元吊裝完成后已經(jīng)參與受力(變形)，這將使相鄰的質(zhì)量較輕的懸挑桁架下支撐架反力減小。 設計臨時支撐時應充分考慮路徑效應所帶來的支架反力增大問題，這將有助于提高施工過程支撐架的安全性。

圖９　支撐架反力

Fig. 9　 Reaction of temporary supports

　　圖10 是結(jié)構(gòu)基于以上 2 種卸載前狀態(tài)下卸載計算的最大豎向位移曲線，選取了結(jié)構(gòu)環(huán)向長軸方向節(jié)點(A3615，B3630)、短軸方向節(jié)點(C4397)豎向位移值。 表1 列出了卸載前后結(jié)構(gòu)考慮施工效應與一次性加載的位移和內(nèi)力比較。 從以上數(shù)據(jù)對比可以看出基于路徑效應的卸載方法與一次成型的卸載法有明顯不同，且前者所求結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移都較后者要大，考慮路徑效應的模擬方法更接近結(jié)構(gòu)施工時的實際受力和變形狀態(tài)，并且更加安全可靠。

圖10　內(nèi)環(huán)節(jié)點豎向變形曲線

Fig. 10　 Measured deformation curves of inner ring joint

　　4、結(jié)語

　　本文對杭州奧體博覽中心主體育場鋼結(jié)構(gòu)罩棚施工進行施工模擬全過程分析，比較了 3 種吊裝方案并綜合考慮各方面因素，提出了合理的吊裝順序;對比了吊裝、卸載過程中考慮路徑效應計算法與一次性加載法的不同，得出如下結(jié)論。

　　1)針對主體育場鋼結(jié)構(gòu)部分的吊裝方案進行了施工模擬的分析比較，最終確定了由外環(huán)向內(nèi)環(huán)多點同步吊裝的安裝方案，分析表明方案 2 比施工方案1 結(jié)構(gòu)具有更高的剛度，方案 3 在具備方案 2優(yōu)點的同時，又具有拼裝胎架利用率高、施工速度快等優(yōu)點。aaa

　　2)通過對主體育場鋼結(jié)構(gòu)部分模擬分析得出路徑效應對結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形有較大影響;基于路效應所求得的結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形可為實際施工提供參考。

　　3)利用 ANSYS 軟件生死單元技術(shù)及 Link10 單元特點，驗證了“溫控千斤頂單元”可較好地實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)卸載行程的控制。

　　4)通過對卸載方案的模擬，得出基于路徑效應的卸載方法將獲得更準確的支撐架反力，這將有助于保證結(jié)構(gòu)施工安全。