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1、第 32 卷 第 1期建 筑 结 构2002 年 1 月广州市新体育馆屋盖吊装及拆撑过程动态分析陈国栋 郭彦林 ( 清华大学土木工程系 北京 100084)叶浩文 顾国荣 李鸿生 ( 中国建筑第三工程局 广州 510660) 提要 应用 ANSYS 软件对广州市新体育馆主场馆钢屋盖结构进行了安装过程的动态跟踪分析 。跟踪分析 的主要目的是实时了解吊装和拆撑两个阶段钢屋盖内力和变形的变化情况 ,并根据分析结果复核 、 优化施工吊装方案和拆撑方案。计算分析为钢屋盖安装提供了理论依据 。 关键词 钢屋盖 动态跟踪分析 吊装和拆撑过程Based on theANSYS finite element n
2、onlinear analysis,this paper presents thecontinuous changing of deformation and internal force distribution of truss roof structure of Guangzhou New Gymnasium during its erection process . Theem-phasis is paid on the theoretical investigation to safety behavior of the roof structure from hoisting st
3、ate into design state after removing temporary pillars. The proposed erection scheme were checked theoretically ,and some modifica- tions were made accordingly .Keywords: steel truss; roof structure; tracing analysis ; hoisting ; removing; temporary pillars; process一 、引言广州市新体育馆位于广州从化高速公路旁 ,其西部为广州机场
4、,东部为白云山 。新体育馆由三个场馆( 主场馆 、训练馆和大众体育活动服务中心) 及运动员村等附属建筑物组成 ,总建筑面积为95 748m2。 三个场馆像三片树叶般飘落在一个曲线型的 500m 狭长地带上 。主场馆建筑面积为39 635m2, 屋盖的长轴 短轴为 160m 110m,屋顶的最高点为 33. 87m ; 训练馆面积为19 412m2,屋盖的长轴 短轴为 150m 70m ,屋顶最高点为 20. 27m; 大众活动中心9 048m2,屋盖的长轴 短轴为 140m 30m,屋顶最高点距地面 14. 95m 。主场馆屋盖室内透视详见图 1 。图 1 主场馆屋盖室内透视新体育馆采用法国建
5、筑师保罗安德鲁的建筑设计方案 ,结构及相应专业设计由广州市建筑设计研究院完成 ,新体育馆钢屋盖安装项目由中建三局与清华大学联合承担 。二 、屋盖结构组成新体育馆三个场馆屋盖均是由空间梯形主桁架 、轻型平面辐射桁架 、箱形钢环梁 、拉索及上弦平面刚性檩条构成的空间焊接结构 ,坐落于周边的钢筋混凝土环梁上 ,见图 2 。主桁架为变截面梯形空间桁架 ,由四榀方 、圆钢管截面平面桁架组成 ,梯形截面外围尺寸为4 500 850 4 000 1 400 850 1 200( 上边 下边高( mm) ) ,梯形空间桁架截面在 RT2 处突变为二根扁细方管截面 ,截面抗弯刚度及轴向刚度急剧降低 ,端部力主要
6、传给 RT2 桁架 ,详见图 2( b) 。辐射桁架为变高度 平 面 桁 架 , 截 面 高 度 的 变 化 范 围 为 4 200 1 300mm ,与主桁架连接处的截面高度较大 ,方管上弦截面为 250 250 ( 14 20) ,圆管竖腹杆截面 180 6 , 圆管斜 腹杆截面 108 12 , 下 弦杆采 用双钢管2 102 19 缀板格构式截面 , 焊接于竖腹杆下端的实心钢棒上 , 圆管中心肢距为 108mm, 以加大平面外的回转半径 ,在支座端的桁架截面突变为厚 40mm 、高约1 600 1 300mm的钢板 ,与水平箱形钢环梁焊接 ; 水平箱形环梁截面外围尺寸为 650mm 1
7、 250mm 20 mm( 主桁架端部局部范围内 ,板厚为 32mm),其与钢筋混凝土环梁支座间的支撑形式是竖向固定支撑 、径向弹性约束( K =5 000kN/m) 、切向滑动 ,详见图 2( c) 。拉索分为平面拉索和环向垂直拉索 。平面拉索包括四道径向平面拉索和一道环向平面拉索 。平面拉索的主要作用是增强屋盖平面的整体刚度 , 环向垂直拉索不仅增强屋盖结构的空间刚度 ,更主要的是限制辐射桁架53图 2 屋盖下弦的平面外位移 ,保证辐射桁架下弦部分受压杆不发生平面外失稳 。拉索采用 7 5 钢绞线 , 拉索布置详见图 2( a) ; 上弦平面檩条为型钢 H320 250 9 14。 除辐射
8、桁架下弦两端点为铰接外 , 屋盖内部节点均为刚性连接 ,连接形式为钢板焊接或相贯连接 ; 辐射桁架竖腹杆下端为圆柱实心钢棒 ,钢棒下端切割成圆弧与两侧直通的圆管下弦杆焊接 ,部分下弦节点设置垂直 交叉钢索的锚固端 。三 、吊装阶段分析1.吊装方案简介主场馆吊装机具采用大吨位覆带吊 , 在场内分段 吊装主桁架 ,利用临时钢管支撑进行高空拼接 ,场外整榀吊装辐射桁架 。屋盖吊装具体方法如下 :第一步 ,吊装钢环梁 。水平钢环梁分段吊至设计标高 ,分段焊接 ,纠偏形成整体 ,安装与钢筋混凝土环 梁间的特制支座 。第二步 ,吊装纵向主桁架 。对于主场馆 ,主桁架采用地面分段组装 、高空拼装成形的施工方
9、法 。主桁架分为 11 段 ,共设有 12 组钢管临时支撑 。钢管支撑顶 部安装有油压千斤顶支撑于主桁架的下弦节点 ,可调节主桁架安装标高 ,为后续的屋盖拆撑做准备 , 详见图 3 。 对训练馆及大众活动中心 ,由于场地不允许吊装设备进场 ,两个场馆的主桁架安装均采用支设胎架 、原位拼装成形的施工 方法 。第三步 , 吊装辐射桁架 , 与主桁架和钢环梁焊接 。对于主场馆 , 由于吊装大型桁架所需的吊车进出主场馆需预留洞口 ,根据业主及设计单位的要求 , 进行场外整榀辐射桁架吊装 。场外辐射桁架吊装顺序根据屋盖受力合理及施工方便的原则选取 ,分为 10 个阶段 ,详见图 3 。初始安装阶段 1
10、: 对称吊装两端部 RT2 RT4间共 12 榀辐射桁架 , 确保主桁架变截面处的内力传递 ,及时安装该处的上弦刚性檩条并张紧垂直拉索 ; 安装阶段 2 10 : 由 RT21( 中间桁架) 向两边按临时钢管支撑节间对称的原则安装直到完成 。安装 RT21 及邻近的辐射桁架时 , 中间几榀平面桁架长度较大 , 平面外稳定不满足要求 , 在吊 装设备脱钩前在桁架上弦施加一至二道揽风绳与钢环梁或钢筋混凝土边梁张紧连接 ,同时用第二 、第四道刚性檩条和垂直拉索将辐射桁架连成整体 。训练馆及大众活动中心的辐射桁架的吊装方法及顺序同主场馆 。图 3 主桁架临时钢管支撑和辐射桁架安装顺序第四步 ,张紧屋盖
11、拉索 。从拉索的功能看 ,平面拉索和环向垂直拉索同样重要 。拉索作为屋盖结构的支撑系统 ,能增强结构刚度 ,设计最终状态要求每根索的张拉力不小于 40kN , 受力状态比较简单 ; 但在施工阶段 ,预应力的施加是一个动态的过程 ,索张拉对已张拉索和未张拉索内力的影响程度取决于索所处的位置 ,索的张拉必定引起索系和杆件的内力重分布 。因此 ,索的张拉顺序要保证拉索间的相互影响较小 。为消除索一次张拉引起杆件及周边索的内力突变和索力不均的现象 ,采用分两级张拉索的形式 , 先张拉 50 %的索力 ,后补张拉至设计要求 。综合考虑以上因素 ,确定了 索整体张拉顺序的原则 : 1) 先张拉平面拉索 C
12、B6,CB7 ,54表示竖向支座约束;表示径向弹簧约束。图 4 辐射桁架安装阶段 4 结束后的计算变形图后张拉垂直拉索 CB1 CB5 ; 2) 先张拉环向平面拉索CB6,后张拉径向平面拉索 CB7 ; 3) 先张拉外环垂直拉索 ,后张拉内环垂直拉索 。局部张拉顺序的原则 : 1) 环向平面拉索 : 环向平面拉索从 RT21 开始向主桁架两端对称 、分级张拉 ; 2) 径向平面拉索 : 从主桁架向钢环梁方向张拉 ,而且规定在由檩条和辐射桁架上弦杆构成的闭合框内成对张拉 ; 3) 环向垂直拉索 : 以辐射桁架为中心对称面分级张拉 。吊装方案的选择应使各构件满足极限状态设计准则 0S R 的强度
13、、稳定及刚度要求 , 在施工阶段取 0=0. 9 。吊装阶段的荷载只有桁架和索的自重 ,施工活荷载可以忽略不计 。根据屋盖受力特点 ,吊装过程主要动态跟踪了端部辐射桁架 RT2 下弦受压杆 、中部桁架 RT21 的上弦杆和下弦杆 、钢环梁的变形及内力变化 、临时钢管支撑处的主桁架侧面腹杆内力及主桁架挠度的变化 。根据理论分析结果 ,反复调整优化吊装方案 ,达到安全 、 合理 、经济的目的 。2.吊装过程整体验算单榀辐射桁架从吊装 、搁置( 铰接) 于主桁架和钢环梁上至最后与主桁架和钢环梁焊接形成整体( 刚接)是一个复杂的传力转变过程 ,这种连接形式转变过程仅对该榀桁架端部的局部内力有影响 ,
14、而对整个屋盖的内力及变形分布的影响很小 。并且 ,安装过程计算是将辐射桁架按临时钢管支撑节间对称的原则进行的 ,已安装的辐射桁架数量较多 ,正在安装的单榀辐射桁架占已安装辐射桁架总数量的比例很小 。所以 ,模型分析时认为辐射桁架与主桁架和钢环梁均为刚接 。吊装按临时钢管支撑节间对称进行 ,模型分析同样也按节间对称进行 ,假定主桁架最不利内力及变形出现在各节间辐射桁架满跨布置时 ,忽略节间内安装辐射桁架的动态过程 。屋盖计算采用 ANSYS 5 . 5 通用程序 , 考虑了结构几何非线性效应并计入预应力拉索的影响 。根据结构杆件的受力特性 , 桁架单元采用空间梁单元( Beam4) 或管单元(
15、Pile16),辐射桁架端部节点板采用空间板单元( Shell63) ,钢环梁处的径向弹性支座采用弹簧单元( Combin40) ,其弹簧刚度系数 K =5 000kN/m ; 临时钢管支撑只能受压 、不能受拉 ,采用 Link10( 只压不拉) ,预应力索单元采用 Link10( 只拉不压) 以考虑单元死活带来的结构受力状态非线性问题 。荷载只考虑结构自重( 按结构构件重量的实际分布) 并乘以荷载分项系数 0. 9 1 . 2 1. 1 , 以考虑少量的施工活荷载( 人员及设备) 及辐射桁架竖腹杆下端局部的实心棒重量 ,屋盖结构整体分析中 ,不考虑动力系数 ; 验算单榀桁架吊装时则考虑了动力
16、系数的影响 。图 5 ,6 给出了主桁架 10 个安装阶段的挠度变化值 。从图中可以看出 ,各跨挠度最大值均发生在本跨安装辐射桁架时刻 ,其它跨安装辐射桁架时对本跨挠度值影响很小 。主桁架的计算最大挠度出现在第二安装阶段 ,即在 1# 2#钢支撑间安装辐射桁架时 ,其值仅为 2. 88mm ,小于设计要求的 5mm 限值 ,实测最大挠度为 2. 7mm ,计算挠度与实测挠度基本一致 。图 5 主桁架的最大挠度值( 一)图 6 主桁架的最大挠度值( 二)图 7 给出了屋盖吊装完成后的钢环梁在各辐射桁架处的径向位移 ,未考虑日照温差的影响 。环梁向外最大扩张位移值 6. 33mm 位于 RT21 处 ,而内缩位移值 -1. 55mm 位于 RT2 处 。图 8 给出 RT2 端部下弦杆最大压力值 ,其最大压力值随着安装过程逐渐加大 ,其最大值 238kN 远小于设计所要求的限值1 350kN 。55图 7 辐射桁架全部安装后钢环梁最终变形图 8 安装阶段 RT
