某体育场大悬挑罩棚施工全过程模拟分析

陈 刚，许 强

(1.杭州科技职业技术学院，浙江 杭州 311402； 2.杭萧钢构股份有限公司，浙江 杭州 311232)

1 工程概况

某体育场东西长约255 m，南北长约202 m，结构最大悬挑为33.673 m，结构最高标高为35.8 m，钢结构平面投影面积约为23 250 m2。最外圈楼梯结构和钢骨柱作为上部钢结构的支撑点。钢结构罩棚主要构件为 Q355B的圆钢管，由主桁架和环桁架、次桁架及钢支撑组成，主桁架支承于下部混凝土钢骨柱,如图1所示。

体育场大悬挑罩棚钢结构是大型空间结构，特点是结构悬挑比较大、刚度柔、单榀桁架重量大、需要进行高空安装、建筑造型复杂等，桁架安装顺序对结构的变形和内力分布影响较大。施工过程按不同的结构形式和安装顺序可以分成若干阶段，在每个阶段，结构形式、受力体系、施工荷载都可能会产生变化，因此需要对处于不同阶段的结构进行全过程的施工验算，保证施工过程的安全性[1-2]。

在桁架吊装和焊接工作完成之后应进行临时支撑胎架的卸载。卸载的过程是结构受力体系逐步转变和内力重新分布的过程，临时支撑胎架的卸载是施工安全的关键问题之一[3-4]。支撑胎架卸载顺序对支撑反力、变形和结构内力影响较大，在施工模拟分析中应对卸载步划分、单元卸载顺序和偶然工况等进行分析，为制定合理的卸载方案提供依据[5-6]。

2 罩棚钢结构施工顺序

2.1 罩棚钢结构施工方案

根据体育场罩棚钢桁架结构的特点，体育场罩棚钢结构采用如下的施工方案：

1)主、次桁架在工厂下料、切割，以散件的形式运至现场。

2)体育场结构外围和场内设置拼装场地，主桁架、环桁架柱均在现场拼装成整榀后吊装。

3)根据钢结构的设计分缝共分成8个区域连续施工，分区图如图2所示，即由A区→B区→H区→G区→F区→E区→D区→C区依次进行钢结构施工。施工过程中主桁架下设立临时支撑胎架。

2.2 罩棚钢结构安装施工流程

首先使用2台25 t汽车起重机在体育场内安装A区、B区的临时支撑胎架，临时支撑架需用缆风绳进行固定，安装完成后进行检查、验收，合格后吊装罩棚钢结构桁架。主桁架在地面拼装并验收合格后，使用260 t履带起重机进行吊装主桁架，使用100 t汽车起重机吊装下部斜桁架柱，然后使用100 t履带起重机吊装相应的环向桁架、次桁架及支撑系统。吊装主桁架、下部斜桁架柱的起重机行走、停放在体育场场外的施工道路上，其余起重机可以行走、停放在体育场内。A区、B区钢结构构件连接节点焊接完成以后，根据卸载方案进行卸载。卸载完成后，拆除A区、B区的临时支撑胎架，同时开始搭设H区、G区的临时支撑架。然后根据A区、B区施工流程依次进行H区、G区、F区、E区、D区、C区罩棚钢结构的安装、卸载。

3 施工模拟分析

采用Midas/Gen软件进行施工全过程模拟分析。罩棚钢结构材料材质均匀，强度高，施工模拟计算时不考虑材料非线性，但需要考虑安装过程中的非线性效应。根据不同施工步骤，对结构、边界和荷载进行分组设置，通过不同施工步骤间的“激活”和“钝化”模拟罩棚钢结构安装和卸载。施工模拟过程中，主要考虑结构自重、风荷载、降温荷载，降温荷载按-25 ℃计算[7-8]。典型施工模拟有限元模型如图3所示。

一般的施工模拟常设置铰接的固定支座代替临时支撑，约束刚度与实际不一致，导致结构变形和内力分布与实际不一致[9]；在卸载的过程中如果连续施加强迫位移，可能会导致结构杆件出现内力反号，导致分析结果失真。因此，在有限元中需要建立临时支撑架和缆风绳模型，使用弹性连接模拟卸载过程，充分考虑临时支撑胎架的变形对罩棚钢结构施工过程的影响。

管桁架杆件、临时支撑架杆件选取梁单元进行模拟，适合于分析细长的线型结构，管桁架材料按结构设计进行取值。临时支撑架材料取Q235B，缆风绳材料按自定义材料设置，弹性模量取1.6×1011N/m2，泊松比取0.3。

4 有限元计算结果

4.1 基于施工全过程的模拟分析结果

模拟结果分析显示，整个施工全过程模拟过程中，结构的应力始终保持在合理的水平，施工步骤间结构应力变化比较平缓，未出现较大的波动和剧烈变化，构件应力小于材料的屈服强度。整个施工过程中最大应力一般出现在主桁架临时支撑胎架卸载以后，少数出现在卸载以前的构件安装过程中，因此进行施工全过程的有限元模拟计算能够最大限度地保证施工安全。考虑到桁架构件拉压应力下的屈服或屈曲失稳，控制构件最大应力比更符合实际，施工全过程中最大应力比0.56，可知结构具有一定的安全储备。施工过程中最大竖向位移为38.4 mm，能够满足JGJ 7—2010空间网格结构技术规程要求短向跨度1/250的要求。各分区施工全过程有限元计算模拟分析结果见表1。

表1 分区施工全过程模拟分析结果

由于体育场桁架整体呈现马鞍形，各榀主桁架垂直平面外有轻微的倾斜，在吊装过程中由于钢支撑是逐步安装的，吊车松钩后主桁架端部会出现一定扭转变形，特别是B区、D区、F区、H区的主桁架，因此在模拟分析时要特别注意环桁架、次桁架、支撑的安装顺序。模拟分析时通过调整各次构件的吊装次序，施工过程中主桁架没有出现大的侧向位移变形。各分区模拟施工应力与变形如图4所示。从图4中可以看出，由于临时支撑高度比较高，施工过程中主桁架和临时支撑胎架是沿着悬挑端方向有一定位移变形，最大水平位移变形10.5 mm，满足规范限值要求。

4.2 偶然工况的结构敏感性分析

卸载过程中可能出现较大反力临时支撑卸载滞后、较大反力临时支撑失效、较大反力区域附近的临时支撑胎架失效等偶然工况，这些偶然工况有可能导致局部构件破坏甚至结构整体倒塌。针对出现概率最大的较大反力临时支撑卸载滞后这种偶然工况进行分析。研究表明:钢罩棚的整体性较好，但是局部卸载滞后直接导致滞后的临时支撑点反力大幅度提高，反力变化趋势改变；临时支撑点附近的桁架杆件应力比也相应增大，存在严重的安全隐患。以反力最大的E区8号临时支撑胎架为例，临时支撑反力最大56.2 kN，考虑相邻临时支撑卸载不同步，造成8号临时支撑卸载滞后，临时支撑反力增加到83.2 kN，增大了48%。因此在进行下部临时支撑胎架设计时应留有足够的安全储备，并且在卸载前对相关的工程人员进行培训，尽可能避免出现可能的偶然工况。

针对较大反力临时支撑胎架失效的问题，通过临时支撑胎架的设计验算，充分考虑各种可能出现的工况，保证安全不失效。考虑到临时支撑高度达到33 m，安装时会出现顶部的侧倾，缆风绳只设置在顶部和中间位置，临时支撑会出现屈曲失稳，需要计算胎架整体失稳。经过计算，临时支撑钢构件最大应力比0.26，缆风绳容许拉力23.6 kN，最大拉力8.5 kN，满足使用需求。设置2道缆风绳情况下，临界荷载安全系数35.1，远大于4.2，满足《空间网格结构技术规程》的稳定性安全要求。支撑卸载滞后计算图见图5。

5 结语

本文基于施工全过程的有限元模拟分析，对某体育场的罩棚钢结构施工全过程进行了分析研究，模拟计算分析结果表明:1)施工全过程模拟过程中，结构的应力始终保持在合理的水平，结构应力和变形未出现突变，整个施工过程中最大应力可能出现在构件安装或卸载的过程中，因此需要进行施工全过程的有限元模拟计算。2)由于体育场罩棚钢结构形式比较复杂，模拟分析时要特别注意环桁架、次桁架、支撑的安装顺序，避免安装过程中出现比较大的位移变形。3)施工过程中偶然工况会引起相关的临时支撑反力和局部构件应力的变化，出现局部破坏甚至引起整体坍塌，必须充分考虑各种可能会出现的偶然工况。