[摘要] 杭州奧體博覽中心主體育場(chǎng)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(dú)特 、結(jié)構(gòu)形式多樣 、懸挑跨度大等特點(diǎn)。通過有限元分析軟件 ANSYS對(duì)比分析了 3種結(jié)構(gòu)吊裝方案 ，研究其在考慮路徑效應(yīng)下不同拼裝順序?qū)Y(jié)構(gòu)的變形、受力狀況的影響;對(duì)基于一次性加載法和考慮路徑效應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)支撐架卸載過程進(jìn)行了對(duì)比分析。分析結(jié)果表明考慮路徑效應(yīng)的分析方法與一次性加載法所計(jì)算的結(jié)構(gòu)響應(yīng)有很大不同 ，前者更接近結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)施工過程安全可靠。通過計(jì)算分析可以確保空間管桁架的安裝精度 ，保證施工過程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

　　1、工程概況

　　杭州奧體博覽中心主體育場(chǎng)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(guó)性綜合運(yùn)動(dòng)會(huì)及國(guó)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(xiàng)目總體規(guī)劃，杭州奧體中心體育場(chǎng)將于2015 年投入使用，將與博覽城一起成為杭州市的新地標(biāo)。奧體中心的“有機(jī)”造型設(shè)計(jì)靈感源于自然界的花朵，主體育場(chǎng)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(chǎng)固定座位80 011座，為特級(jí)特大型體育建筑物，整個(gè)結(jié)構(gòu)由混凝土看臺(tái)和鋼結(jié)構(gòu)罩棚組成。 整個(gè)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(zhǎng)軸方向?yàn)?33m，短軸方向?yàn)?85m，罩棚最大寬度 68m， 懸挑長(zhǎng)度 52.5m， 罩棚最高點(diǎn)標(biāo)高59.40m。

圖1　主體育場(chǎng)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(chǎng)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(gè)鋼結(jié)構(gòu)罩棚由上、中、下支座支撐在混凝土看臺(tái)及平臺(tái)上。 鋼屋蓋分為墻面、肩部、場(chǎng)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(diǎn)等位置采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)，場(chǎng)內(nèi)懸挑端部與環(huán)桁架連接采用直接相貫節(jié)點(diǎn)。 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(shè)計(jì)狀態(tài)分析的主要區(qū)別在于是否考慮了路徑效應(yīng)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(diǎn)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(duì)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(yīng)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(yīng)盡量與實(shí)際工程相符合，傳統(tǒng)方法是利用彈性約束來模擬臨時(shí)支撐架，這種方法計(jì)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(jìn)行卸載分析時(shí)采用“溫控千斤頂單元”控制卸載行程。 根據(jù)本工程實(shí)際采用的鋼材型號(hào)、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?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，該單元為 3D 線性有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧m合于分析細(xì)長(zhǎng)到中等細(xì)長(zhǎng)的梁結(jié)構(gòu);預(yù)應(yīng)力拉索和鋼棒桿件采用 Link10 單元進(jìn)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(shè)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(zhǎng)度，T為降溫值。

　　2)邊界條件　 由于空間管桁架連接節(jié)點(diǎn)為相貫節(jié)點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)部分與混凝土看臺(tái)上、中、下 3 層支座均由預(yù)埋鑄鋼支座節(jié)點(diǎn)焊接連接，所以該模型節(jié)點(diǎn)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(shí)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(diǎn)且質(zhì)量較大，考慮鑄鋼節(jié)點(diǎn)質(zhì)量、馬道、檁條等，恒荷載分項(xiàng)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(yīng)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(diǎn)，通過各種施工方案對(duì)比分析，選用高空分塊吊裝法進(jìn)行施工。 體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)罩棚為環(huán)形封閉結(jié)構(gòu)，分成 4 個(gè)施工區(qū)進(jìn)行施工，這樣的施工區(qū)域劃分方式可充分利用分區(qū)場(chǎng)地進(jìn)行桁架單元的地面拼裝，同時(shí)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(jìn)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(duì)單個(gè)花瓣的拼裝進(jìn)行分析，桁架采用地面拼裝，利用大型履帶式起重機(jī)場(chǎng)內(nèi)、場(chǎng)外分段吊裝。 首先將花瓣主桁架劃分為多個(gè)單元進(jìn)行吊裝，劃分時(shí)綜合考慮單元?jiǎng)偠取⑵唇狱c(diǎn)位置、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等因素。

　　吊裝單元?jiǎng)澐滞戤吅笮杳鞔_吊裝順序，并在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行單元拼裝。 單元拼裝場(chǎng)地需進(jìn)行平整，確保單元拼裝定位準(zhǔn)確。 主桁架單元?jiǎng)澐旨? 種吊裝方案如圖5 所示。

　　①方案1　 以一組相背花瓣的下支座為起點(diǎn)進(jìn)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(gè)過程以形成一組相背花瓣為止;

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

　　③方案3　 為先安裝外環(huán)方向，待外環(huán)安裝基本完成后再進(jìn)行懸挑和環(huán)桁架的安裝。

圖５　施工模擬結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐峙c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(yīng)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(gè)節(jié)點(diǎn)。 從圖 6 的數(shù)據(jù)對(duì)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(jìn)行環(huán)桁架吊裝時(shí)相鄰花瓣間相互影響，故結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移會(huì)有所增加。 方案2 與方案 1 比較其優(yōu)點(diǎn)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(duì)較小;其缺點(diǎn)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(diǎn)，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(diǎn)，實(shí)際施工過程中采用方案 3 進(jìn)行，整個(gè)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(yīng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)有明顯不同，這是因?yàn)橐淮涡约虞d分析時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)協(xié)同受力，而在實(shí)際施工過程中結(jié)構(gòu)是一步一步完成的，在當(dāng)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(dāng)支撐架不足時(shí)懸挑端受到路徑效應(yīng)的影響更大，這就要求在設(shè)計(jì)和施工時(shí)考慮預(yù)起拱。

圖6　最大位移與最大應(yīng)力曲線

Fig. 6　 The maximum displacements and maximum stress curves

圖7　主桁架節(jié)點(diǎn)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(yīng)計(jì)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(diǎn)，施工安裝方案采用68個(gè)臨時(shí)支撐點(diǎn)，支撐在懸挑桁架外部節(jié)點(diǎn)和開口花瓣桁架節(jié)點(diǎn)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(shí)采用千斤頂抽取墊片法進(jìn)行，每個(gè)支撐點(diǎn)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(shí)根據(jù)理論計(jì)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(yīng)影響的計(jì)算方法，求得卸載前、卸載過程中臨時(shí)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(duì)68 個(gè)支撐點(diǎn)反力在兩種計(jì)算方法下的對(duì)比。 對(duì)比顯示考慮路徑效應(yīng)的安裝方法與一次性加載方法對(duì)臨時(shí)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(duì)于考慮路徑效應(yīng)的分析結(jié)果所產(chǎn)生的反力偏小，而在該文中出現(xiàn)個(gè)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(shí)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(shè)計(jì)臨時(shí)支撐時(shí)應(yīng)充分考慮路徑效應(yīng)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(jì)算的最大豎向位移曲線，選取了結(jié)構(gòu)環(huán)向長(zhǎng)軸方向節(jié)點(diǎn)(A3615，B3630)、短軸方向節(jié)點(diǎn)(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(yīng)與一次性加載的位移和內(nèi)力比較。 從以上數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出基于路徑效應(yīng)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(yīng)的模擬方法更接近結(jié)構(gòu)施工時(shí)的實(shí)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(diǎn)豎向變形曲線

Fig. 10　 Measured deformation curves of inner ring joint

　　4、結(jié)語

　　本文對(duì)杭州奧體博覽中心主體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)罩棚施工進(jìn)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(duì)比了吊裝、卸載過程中考慮路徑效應(yīng)計(jì)算法與一次性加載法的不同，得出如下結(jié)論。

　　1)針對(duì)主體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)部分的吊裝方案進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)的同時(shí)，又具有拼裝胎架利用率高、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)。aaa

　　2)通過對(duì)主體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)部分模擬分析得出路徑效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形有較大影響;基于路效應(yīng)所求得的結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形可為實(shí)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(diǎn)，驗(yàn)證了“溫控千斤頂單元”可較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)卸載行程的控制。

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