深圳湾体育中心大跨屋盖钢结构卸载分析

２０１１年７月下　施工技术　第４Ｏ卷第３４５期　ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　９　深圳湾体育中心大跨屋盖钢结构卸载分析　周　明，高　杰，尤盛志，陈华周　（中建钢构有限公司，广东深圳５１８０４０）　［摘要］深圳湾体育中心大跨屋盖钢结构将结构划分为３４个区域，采用分区分步卸载方式，并对卸载的安全性、千　斤顶选择、卸载位移预先进行分析。同时，由于几何非性线的影响，分步成型的结构与设计必然存在一定差异，在　结构设计中，如果将卸载后结构的受力状态作为结构设计的初始状态，与其他工况组合进行二次验算，能提高卸载　施工的自由度。　［关键词］大跨度钢结构；卸载；几何非线性；分步成型　［中图分类号】ＴＵ７５８．１ｌ　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１００２—８４９８（２０１１）１４－０００９・０３　Ｕｎｌｏａｄｉｎｇ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｌａｒｇｅ－ｓｐａｎ　Ｓｔｅｅｌ　Ｒｏｏｆ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ　Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　Ｂａｙ　Ｓｐｏｒｔｓ　Ｃｅｎｔｅｒ　Ｚｈｏｕ　Ｍｉｎｇ，Ｇａｏ　Ｊｉｅ，Ｙｏｕ　Ｓｈｅｎｇｚｈｉ，Ｃｈｅｎ　Ｈｕａｚｈｏｕ　（Ｃｈｉｎａ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｓｔｅｅｌ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　５　１　８０４０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｍｕｌｔｉ—ｓｔｅｐ　ｕｎｌｏａｄｉｎｇ　ｉｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｉｎ　ｌａｒｇｅ—ｓｐａｎ　ｓｔｅｅｌ　ｒｏｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ　Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　Ｂａｙ　Ｓｐｏｔｓ　Ｃｅｎｔｅｒ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｄｉｖｉｄｅｄ　ｉｎｔｏ　３４　ｓｅｃｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｕｎｌｏａｄｉｎｇ，ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｊａｃｋ　ｔｙｐｅ　ａｎｄ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｕｎｌｏａｄｉｎｇ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｎｅｅｄ　ｐｒｅ—ａｎａｌｙｓｉｓ．　Ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ，ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｍｕｓｔ　ｂｅ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｍｕｌｔｉ—ｓｔａｇｅ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｈａｐｅ．　Ａｕｔｈｏｒｓ　ｓｕｇｇｅｓｔ　ｔｈａｔ　ｉｆ　ｍａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓｉｎｇ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｕｎｌｏａｄｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｓ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｓｔａｔｅ　ｉｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ，　ｗｉｔｈ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｃｈｅｃｋｉｎｇ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｏｔｈｅｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｆｒｅｅｄｏｍ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌａｒｇｅ—ｓｐａｎ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｕｎｌｏａｄｉｎｇ；ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ；ｍｕｌｔｉ—ｓｔａｇｅ　ｆｏｒｍｉｎｇ　１工程概况　深圳湾体育中心位于深圳湾滨海休闲带中段、　后海填海区内，其主要建设有“一场两馆”，即体育　场、体育馆和游泳馆，总建筑面积２５．６万ｍ　（见图　１）。依照“春茧”的外形要求，所有钢构件编织成　“单层曲面网格结构”，基于曲线的柔美要求，钢构　图１　深圳湾体育中心屋盖钢结构工程　件多为弯扭箱形杆件，在弯曲的同时存在扭转。屋　Ｆｉｇ．１　Ｓｔｅｅｌ　ｒｏｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　Ｂａｙ　Ｓｐｏｒ￣Ｃｅｎｔｅｒ　盖钢结构安装时，土建结构已完成，采用“高空原位　单元安装法”，即在结构下方设置若干支承胎架，将　盖结构来说，由于失去胎架支承，在自重作用下，反　而为结构“加载”。　体育场屋盖结构分割成３９７片菱形单元，在地面组　２卸载分析目的　装完成后吊装至设计位形…。　制定“春茧”卸载方案时，卸载的平稳和缓慢是　待屋盖钢结构全部安装完毕，移除支承胎架是　其本质要素（结构动力效应会导致自重荷载放大），　最后的关键环节之一。对支承胎架而言，屋盖与胎　同步性是必须的。深圳湾体育中心屋盖钢结构的卸　架脱开后，胎架的支承作用消失，胎架“卸载”；对屋　载，不是采用计算机控制的整体同步卸载，而是将结　［收稿日期］２Ｏｌ１－０６－２２　构划分为３４个区域，每步只对其中一个区域进行卸　［基金项目］中建股份科技研发课题（ＣＳＣＥＣ　２０１０－Ｚ－２０）　［作者简介］周明，中建钢构有限公司技术中心工程师，深圳市福　载（共３４步），每个区域包含３～４个支承点，每个　田区泰然八路水松大厦ｌ７层５１８０４０，电话：（０７５５）２３９３５３６１－５６６，　支承点设置可调装置，分级卸载，每级位移量不超过　Ｅ　ｍａｉｌ：１６５５７９７２４＠ｑｑ．ｃｏｒｎ　ｌＯ　施工技术　第４Ｏ卷　１Ｃ１ＴＩ，在每个子区域内实现同步的分级小位移卸载。　这样，结构的受力特别是胎架的荷载相应有较大变　化，在卸载施工前须进行计算分析。　计算分析目的主要有３个　Ｊ：①考察卸载全过　程主结构及胎架结构是否安全可靠；②通过计算分　析提炼一些结果，对现场卸载实施提供参考和依据；　③评估卸载后结构响应与原设计的差异，以此研究　卸载方案特别是卸载次序的可行性。　１）安全性评估　当采用分区、分块卸载方式　ａ千斤顶顶起屋盖结构与薄垫片分离　时，需定量掌握卸载过程中荷载转移规律和单一支　承卸载时的影响范围。因为卸载过程中，主结构及　支承结构的内力会不断重分配，某一支承卸载时，将　使相邻支承加载，加载值的大小及影响范围主要与　结构的刚度分布相关联。为此需分析在卸载全过程　中，主结构特别是支承结构的响应，确保安全。　２）千斤顶选择　胎架顶部的卸载工装构造值　得推荐，通过在短立柱上开槽且布设垫片的方式，支　承屋盖结构的横杆可根据需要逐步下调（见图２）。　准备卸载前，还需在托梁与支承横杆之间设置千斤　顶，将支承横杆微微顶起，短立柱槽内的钢垫片便可　抽出，千斤顶固缩，屋盖下沉，如此反复，实现屋盖钢　结构逐步小位移缓慢卸载（见图３）。　圈２胎架顶部卸载工装整体示恩　Ｆｉｇ．２　Ｕｎｌｏａｄｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｏｐ　ｏｆ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｆｒａｍｅ　由上述卸载工艺过程可见，千斤顶所能提供的　顶升能力必须满足卸载要求，且要有一定的富余量　以保证安全。因此，基于计算分析，可首先提取各卸　载点胎架的受力时程；获得在每个卸载步相应胎架　的支承力，以此作为各个卸载区域，各个卸载点千斤　顶型号选择的参考依据。　３）卸载位移估计　主结构跨度大，各区域的刚　度差别也很大，因而卸载过程中，各点卸载所释放的　位移量也有较大差异。在卸载过程中，对已卸载区　域，其位形也不是固定的，会受到后续卸载的影响。　所以每个卸载点需要卸载的位移量，应以卸载全过　ｂ千斤顶支承层屋盖　，｝ｌ／支殍　，屋盅绢ｊ　【　—　册，　Ｉ　、千斤顶ｌ　Ｉ　Ｉ　ｃ千斤顶下降，屋盖结构与薄垫片再次接触　图３胎架顶部卸装工艺过程示意　Ｆｉｇ．３　Ｕｎｌｏａｄｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｏｐ　ｏｆ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｆｒａｍｅ　程中每处卸载点的最大竖向位移为准。例如，有可　能某些支承点第１步卸载完后成，在相应卸载区域，　屋盖结构与胎架工装完全脱开；但在后续卸载步中，　极有可能在先前已完成卸载的区域内，又有胎架工　装与屋盖再次接触，并为屋盖提供支承力。　例如在图４中，支承点２在第１２步完成卸载，　可调装置只需释放１ＣＵｌ便可让屋盖结构与该处支　承点完全分开。然而，后续卸载步中，其竖向挠度可　达４ｃｍ，支承结构又与屋盖接触，并为屋盖提供支承　力。为让各个支承点在完成卸载后，始终与屋盖结　构脱开，其卸载位移量应大于卸载过程中屋盖的最　大竖向位移。另一种情况则是有些支承点无须卸　载，当前面的支承点卸载后，后面尚未开始卸载的屋　盖结构已经“上扬”，与该处的支承点自然脱离。为　使现场的卸载做到有的放矢，前期由数值分析估计　出屋盖与支承机构脱开所需的位移量是必要的。　４）卸载次序评估　由于结构跨度大，安装过程　中支承结构布置较多，主结构由于刚度并不特别大　（单层网壳），会有一定的几何非线性（非线性引起　叠加原理不成立）变化，从而主结构最终的成型状　态与卸载路径（即卸载次序）相关。为此有必要评　估卸载完成后的结构响应与原设计的差异，并以此　作为一个主要指标制定比较理想的卸载次序。　周　明等：深圳湾体育中心大跨屋盖钢结构卸载分析　计算　（支承　点ｌ　正位　侈（　Ｉ』　．）　实测　支承　●一　＼ｌ　　、　趟　负位　眵（　＿Ｆ　）　＼　厘　支承　点ｌ、：　第　【２步　口载　－　、　卸载　步　：＇　１－　实测　（支殍　点２）／　　计算　：支承　２）、　图４　卸载全过程某支承点屋盖位移时程　Ｆｉｇ．４　Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｔｉｍｅ　ｈｉｓｔｏｒｙ　ｏｆ　ｓｏｍｅ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｐｏｉｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｏｏｆ　３卸载结果分析　３．Ｉ安全性评估　在卸载全过程中，无论主结构或胎架结构，在自　重作用下（给予Ｉ．３５的放大系数），其应力均小于　２００ＭＰａ，即保持在弹性范围以内。判定结构在施工　过程中是安全的，安装或卸载方案是可行的。　实际上，只考察结构及胎架的应力水平，原则上　不能判定结构或胎架是否安全。对于钢结构而言，　基于有限元程序计算的结果，如果结构及胎架的应　力水平小于设计强度，并不能说明结构或胎架不失　稳。以最简单的构件钢柱为例，其不失稳的条件为　Ｎ＜　，式中：Ｎ为钢柱的轴力，　为稳定系数　为　钢柱材料设计强度，　为钢柱截面积。　基于极值点失稳机理，存在初弯曲的钢柱最终　是在弹塑性阶段崩溃而失稳，钢柱在本质上仍属于　压弯构件。长细比越大，失稳时截面屈服程度越低，　稳定系数　值越小。但是，有限元程序（如Ｍｉｄａｓ）　在计算结构应力时，模型中的钢柱是“理想直的”　（无初弯曲），不能反映初弯曲及长细比对钢柱的影　响。因此不能认为结构应力小于设计强度就是安全　的，也就是不能通过应力去判定钢柱是否失稳的关　键机制所在。因此，原则上只能通过杆件的应力比　判断结构的安全性。　３．２千斤顶选择　由于卸载时屋盖跨度大且曲面形状复杂，因而　在不同区域千斤顶的顶升力要求也不一样。为此，　千斤顶选择一方面要做到相对经济，另一方面根据　所需顶升能力，在不同的区域设置相应的千斤顶。　考虑到在每一个分片小单元内，顶升能力的需　求相差不大，为施工现场方便，在分片小单元内千斤　顶的型号应尽可能统一。在选取各区域千斤顶型号　时，比较简单的方法是：基于卸载施工过程分析，获　得各卸载点处胎架的支承力时程，由此可整理出每　个卸载步各卸载点处胎架支承力的最大值；然后再　选择各分片小单元内所有胎架支承力的最大值，在　这一小片区域内（分片卸载的最小单元），就可选用　这一型号的千斤顶。　３．３卸载位移量估计　如前所述，为让每一处卸载点在完成卸载后，在　后面的卸载步中，不再与屋盖结构接触，具体的办法　是：依据施工过程分析，预估出各卸载点的竖向位移　时程，以此获得每处卸载点的最大竖向变形量。通　过预先估计各卸载点竖向位移的包络值，可作为现　场卸载的参考数值，做到卸载量值的有的放矢。　３．４卸载次序评估　当前结构设计一般都较少考虑施工过程，是在　完整结构模型的基础上进行分析和设计，要保证施　工完成后的结构与原设计完全一致，理想的施工方　案是计算机控制的整体提升、整体同步卸载。但是，　近年来多数工程具有独特的建筑造型，适合整体提　升及整体卸载的大跨钢结构比较少。给施工特别是　安装工作带来许多困难，　考虑施工实际情况，采用分区分块的安装及卸　载方式是相对合理的，但也造成卸载完成后的结构　内力和位形与原设计存在一定差异。　评价二者差异的办法有很多，最佳方法是结构　设计时，将卸载后结构的受力状态作为结构设计的　初始状态，与其他工况组合进行二次验算。将会极　大方便实际施工。　４　结语　对于大跨钢结构建筑，分区分片卸载是目前典　型且常用的施工方法，采用这种卸载方案时，卸载的　安全性、千斤顶选择、卸载位移量需要预先估计和分　析。另外，由于几何非性线的影响，分步型的结构与　设计存在一定差异，有必要进行评估，一个完善的卸　载方案至少需要考虑上述所有问题。　参考文献：　［１］　郭宇飞，程彬磊，张勇．深圳湾体育中心钢结构屋盖设计　［Ｊ］．施工技术，２０１０（ＳＯ）：３７７—３８４．　［２］王宏．大跨度钢结构关键施工技术的应用［Ｃ］．第六届海峡　两岸及香港钢及组合技术研讨会论文集．上海：同济大学出　版社，２０１０：３７５－３８９．　［３］　北京钢铁设计研究总院．ＧＢ５００１７—２０Ｏ３钢结构设计规范　［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２００３．　［４］　郭彦林，刘学武，赵瑛，等．国家体育场钢结构安装方案研究　［Ｊ］．施工技术，２００６，３５（１２）：２３－２７．　［５］　蒋金生，叶可明．上海新国际博览中心钢桁架结构的施工及　临时支承拆除的卸载过程分析［Ｊ］．建筑结构学报，２００６，２７　（５）：１１８－１２２．　［６］　郭彦林，郭宇飞，高巍，等．国家体育场钢结构屋盖落架过程　模拟分析『Ｊ］．施工技术，２００６．３５（６）：２３－２７．