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      濟南奧體中心主體育場鋼結構制作與施工過程及其數值分析
      
                                  
                    
      作者：建筑鋼結構網    					
      
					時間：2009-12-22 20:26:20					[收藏]
      
               
      
                
      				
      				
      

               
      
               
        
				
        
    摘  要：介紹濟南奧體中心主體育場鋼結構的制作工藝與施工過程，鋼結構施工過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程。
        
    關鍵詞：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位于濟南市東部新城區龍洞地區經十東路，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，南北縱向最長約330m。罩棚中間高、兩邊低，高差14m，最高點離地面約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。結構整體建筑效果如圖1所示。
        
    體育場鋼結構屋蓋東、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32個節點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
        
    本工程鋼結構的制作與施主要有以下特點：主體鋼屋蓋呈雙曲面，各點標高不一、空間定位點多樣；主要結構構件超重、超長；主桁架跨度大、安裝高度高，懸挑長度大；節點對中心線對稱，但不完全相同，特別是鑄鋼節點，現場拼裝胎架數量多。其中的制作施工質量控制難點主要有：鋼構件加工質量的控制；結構安裝現場的測量、放線和校正，現場場地布置；桁架現場安裝；高空焊接對安裝質量的影響；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與難點，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量，進而確保整個工程的質量要求。限于篇幅與闡述的重點，此處僅做簡要介紹。本工程鋼結構構件和節點的制作可分為：鋼管桁架構件的制作、節點支座的加工與鑄鋼節點制作、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，上、下弦桿的部分復雜交匯節點采用了鑄鋼加工節點。
        
    （1）弧形鋼管桁架結構制作
        
    本工程相貫線數控切割加工鋼管主要規格為Φ127x6~Φ450x25。根據工廠加工制作此類結構構件的實際情況，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。構件在工廠分段制作組裝，發運至現場后拼裝成立體桁架單元進行吊裝。
        
    （2）支座節點的加工制作
        
    本工程鋼結構節點形式主要包括鋼管桁架相貫節點、鑄鋼件節點、預應力鋼棒節點、H型鋼柱支座節點、鋼管柱支座節點等。鑄鋼件節點采用德國標準DIN17182，材料牌號GS-20Mn5V。對其中重要的鋼管柱支座節點，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行拼接的工裝措施。典型的結構內圈支座節點制作工藝如下（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；
        
    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. 鋼結構施工過程
        
    結合現場土建施工條件，采用場內、場外分區、分段進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；最后安裝環向次桁架，主結構整體吊裝完畢。之后逐步卸除內圈臨時支撐架（外圈支撐已在安裝內圈支座的同時已同步逐次卸除），實施結構卸載。
        
    （1）主結構吊裝施工
        
    施工中采用從場地中軸往南北兩端對稱吊裝、東西兩側罩棚鋼結構的安裝對稱進行的吊機行走技術路線，共分東西兩側對稱的8個吊裝區域。場內、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，每二榀組成一個立體吊裝單元。屋面桁架由大型履帶吊從場內以立體分段的形式進行吊裝；吊裝到位后放置在臨時支撐系統上固定、調整，進行內圈V型支座的安裝，如圖5所示。側面桁架由大型履帶吊從場外以立體分段的形式進行吊裝、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，最后進行環向次桁架的安裝。次桁架重量較小，在地面上拼裝好進行整體吊裝。
        


        


        
    （2）臨時支撐布設
        
    根據現場施工方案，設置內、外兩圈臨時支撐。外圈臨時支撐系統（雙肢Φ609x12鋼管柱）布置在屋面桁架下部內圈支座附近的砼看臺上（在屋面桁架安裝過程中已及時去掉并用結構內支座取代，實現循環利用）；內圈臨時支撐系統（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位并將內圈支撐連成整體；當臨時支撐柱下端不在下部砼梁柱框架網格上時，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為：
        
    1）結構體系較復雜，卸載計算分析工作量大；
        
    2）卸載點存在水平位移；
        
    3）卸載總噸位大，單點卸載噸位大；
        
    4）卸載點分布廣，工程組織難度大；
        
    5）施工臨時支撐剛度不夠產生不均勻沉降，在結構中產生局部高應力。
        
    通過方案比較優選，最終實施的卸載方案是在結構施工過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卸載行程分步實施結構卸載。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支撐各點剛度差異產生的主結構受力與變形的不均勻性，以盡可能實現荷載的平穩轉移；隨后等量5mm、同步微量地完成卸載。卸載點水平位移較大時，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、結構施工過程有限元數值分析
        
    在施工準備階段，經過與設計和施工方技術專家深入討論，初步形成了現有的施工組織措施。對于施工過程比較關鍵的問題，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，缺乏理論上的計算數據支持。對于此類復雜的新型結構體系來說，對施工全過程進行模擬分析計算，給出一些動態的量化指標，是保證工程安全有效實施不可或缺的一個重要環節。
        
1.有限元數值分析目的和意義
        
    通過施工全過程模擬分析，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程中強度及穩定性要求，保證鋼結構施工的安全性；通過考慮施工順序加載模擬計算，準確了解結構安裝過程中的內力分布、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，準確進行后繼的卸載分析；模擬計算施工卸載過程工況，為合理實施施工卸載工序提供可靠依據。
        
2.有限元數值分析實施方法與步驟
        
    針對本工程結構體系的類型與施工工藝特點，分別采用MIDAS/GEN V7.1.2與SAP 2000進行結構施工吊裝與卸載過程的數值模擬分析。吊裝過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）時分段、分步吊裝施工時結構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構的分析模型，通過程序特有的GAP單元模擬實施各卸載工況；該單元剛度采用了考慮體育場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施工實際情形的分析效果。由于上述的施工模擬數值分析過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，所進行的有限元計算實際上是靜力非線性的過程。施工過程數值分析的荷載工況步驟即對應于現場實施的實際安裝過程；根據實際的施工非線性加載過程，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程模擬計算外，對施工過程中可能出現一些意外工況，如卸載過程不同步或局部受力支撐點失穩等，分析其對整體結構應力分布及變形產生的影響、通過計算對意外工況的敏感性進行評估，以確保局部失穩狀態不會引起連鎖反應而導致整體破壞等，也有著很現實的意義。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行說明。
        
3.結構吊裝施工過程數值分析結果
        
    根據上述的結構施工技術方案，采用累計38個荷載步對結構吊裝過程進行數值模擬，詳細了解各階段結構的受力與變形情況，對現場采取的相應施工方案進行及時的跟蹤與控制，取得了整個吊裝施工過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經濟效果。給出其中一組典型的數值分析結果以資說明。
        


        


        


        


        
4.結構卸載過程數值分析結果
        
    根據上述的結構卸載施工方法與步驟，采用累計7個施工荷載步對結構卸載過程進行數值模擬，各卸載點分布圖及其具體卸載步驟行程見圖10、表1。由于數值分析考慮了結構下部各卸載點處支撐的總剛度效應（考慮體育場下部砼梁柱結構與鋼結構支撐體系整體變形），各卸載點支撐總剛度存在差異（不具有對X軸的對稱性），對各卸載點實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行及時跟蹤與測控，整個卸載過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，保證了結構卸載過程的安全可靠。各卸載點支撐分批、逐次退出工作，屋蓋鋼結構從支撐受力狀態順利轉換到自由受力狀態，取得了良好的技術經濟效果。給出其中一組典型的數值分析結果以資說明。
        


        


        


        


        


        


        


        


        

        
四、結語
        
    本文介紹了濟南奧體中心主體育場鋼結構工程的制作與施工情況，對結構的施工過程進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際工程的施工過程。隨著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程的數值模擬工作也就顯得愈發的重要。
        

        

        
參考文獻：
        
    (1) 鋼結構設計規范GB50017-2003.
        
    (2) 建筑鋼結構焊接規程JGJ81-2002.
        
    (3) 鋼結構工程施工質量驗收規程GB 50205-2001.
        
    (4) 牟在根. 簡明鋼結構設計與計算. 北京:人民交通出版社, 2005.
        
    (5) 李和華等. 鋼結構連接節點設計手冊(第二版). 北京: 中國建筑工業出版社, 2005.
        
    (6) 王寅大, 藺軍, 謝艷花. “嶺南明珠”體育館屋蓋鋼結構施工過程模擬計算. 第四屆海峽兩岸及香港鋼結構技術交流會論文集. 上海, 2006.
        
    (7) 濟南奧林匹克體育中心體育場鋼結構罩棚工程施工組織設計. 江蘇滬寧鋼機股份有限公司, 2007.
        

        
          
		  
        				
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