1、1国家体育场钢结构支撑卸载分析邱德隆 李久林 杨俊峰 高树栋 范重 魏义进提 要：本文依据国家体育场主体钢结构安装方法分段吊装高空组拼方法(简称散装法)，同时根据支撑卸载点多、分布范围广等实际情况出发，从钢结构支撑卸载过程的支撑反力分析入手，运用有限元软件 ANSYS 详细对比计算分析了大跨度马鞍形空间钢结构屋面支撑的卸载顺序和卸载步骤，择优确定了分阶段整体分级同步卸载的原则和具体的卸载步骤。通过对每一步骤卸载反力计算和卸载过程中可能出现的支撑失效分析，给出了支撑卸载反力结果，为钢结构支撑塔架的选型及设计提供依据，也期望对类似工程的卸载施工提供参考。关键词：主体钢结构、支撑卸载、卸载反力、卸载
2、步骤1 工程概况国家体育场钢结构工程由 24 榀拉通或基本拉通的门式刚架围绕着体育场内部碗状看台区旋转而成，交叉布置的主结构与屋面、立面的次结构一起编织成“鸟巢”的造型。所有钢结构构件形成结构及建筑外形，如图 1-1 所示。钢结构屋面呈双曲面马鞍型，最高点高度为 68.5 米，最低点高度为 40.1 米；平面上呈椭圆形，长轴最大尺寸约 333 米、短轴最大尺寸约 296 米；屋盖中部的开口内环呈椭圆型，长轴约 190 米，短轴约为 124 米；大跨度屋盖支撑在 24根桁架柱之上，柱距为 37.958 米。屋面主桁架矢高 12.000m，上弦杆截面基本为 1000mm1000mm，下弦杆截面基本
3、为 800mm800mm，腹杆截面基本为 600mm600mm；屋面钢结构总重量约14000 吨，竖向荷载通过 24 根组合钢结构柱传递至基础。2 安装方法及支撑点的选择2.1 安装方法由于国家体育场钢结构为特大型大跨度空间结构，构件自重产生的内力所占比例较大，钢结构安装方法和顺序对结构构件在重力荷载作用下的内力将产生明显影响；同时钢结构安装方法和施工顺序对协调钢结构施工与混凝土结构施工的关系，对保证混凝土看台连续施工、钢结构的顺利安装、室内装修工程及机电设备工程及时插入以及外围基座尽早施工具有重大的意义。通常，大跨度钢结构的安装方案有整体提升、滑移、分段吊装高空组拼方法(简2称散装法)和局部
4、整体提升等方式。同样，国家体育场钢结构安装方案的选择过程中对比考虑了上述四种方式。针对国家体育场项目的具体情况，以及钢结构工程及其与其它分部工程之间的时间和空间关系，为了满足国家体育场工程总工期的要求，按照施工总部署，国家体育场看台混凝土结构先行施工，钢结构随后进行施工1。由于采用整体提升方案时，被钢结构围罩的看台混凝土结构不能先期施工，因而室内装修工程、机电设备工程等无法提前插入，导致总体工期无法满足要求。采用滑移方案时，需要在钢结构的周围具备足够大的施工场地，由于施工现场场地狭小，滑移方案受到施工场地的限制，同时也受到看台混凝土结构的制约，另外，滑移法也面临着巨大的技术挑战等因素。因此，国
5、家体育场钢结构安装方法主要进行了散装法和局部整体提升法的比选。在调整初步设计之前，施工方就钢结构的安装方法进行了国内外范围的方案征集，依据调整前的初步设计条件，经专家择优评审，拟选定局部整体提升的方法。调整初步设计后，将原有的钢结构活动屋盖取消，钢结构固定屋盖的开口加大，约增加了 20m。主结构设计修改前后变化情况见图 2-1。根据调整后初步设计图及具体技术条件，鉴于以下主要原因： 屋盖钢结构调整设计后已经没有调整前意义上的“内环桁架”，屋盖中间的开口是由各榀贯通的主桁架交叉而成； 由各榀贯通的主桁架交叉形成的“内环桁架”平面尺度很大，而且截面板厚比调整设计前有了较大幅度的减小，同时存在较大的
6、高差，整体刚度较差； 由于钢屋盖开口边界在短轴（东西向）已经扩大到一层看台的边线、长轴（南北向）到跑道的外侧，采取在地面进行“内环桁架”或含部分主桁架的整体拼装、提升的方案将对混凝土看台施工产生较大影响。明显，局部整体提升方法已不具有优势，因此，最终确定钢结构总体安装方案采用高空散装法2。2.2 支撑点设置在确定采用高空散装法的总体安装方案后，随后的重要工作既是确定支撑点的布置、钢结构安装单元的分段以及根据安装单元的吊装工况选择吊机，这三方面的工作既相互联系又相互制约。在支撑点布置的选择过程中，同时还要考虑其的位置与看台混凝土结构的交叉关系，尽量减少支撑塔架设置对看台混凝土3结构施工的干扰影响
7、。根据调整后的钢结构初步设计图，支撑点的选择考虑了两种方式，方式一为 50个支撑点，方式二为 78 个支撑点。两种方式如下图 2-2、图 2-3 所示：通过以上两种支撑点布置方式的比较以及两种吊装工况的详细计算分析，最终择优确定采用方式二：即 78 个支撑点，分成三圈：外圈 24 个、中圈 24 个、内圈 30 个2。3 卸载原则根据 2 中确定的 78 个支撑点布置，外圈 24 个支撑点为主桁架相交的第一个节点，中圈为主桁架相交的第三个节点，内圈为主桁架相交的五、七（六）个节点。比较均匀的分布在整个钢结构屋盖。同时可以注意到 78 个支撑点分布范围较大，间距也较大。对于此类空间大跨度结构，最
8、优的卸载方式应该为 78 个支撑整体同步卸载。但是考虑到如此重型的马鞍形钢屋盖结构，支撑反力和各个支撑点的卸载变形4量均有较大差异，要实现分布范围如此大，同时数量达 78 个之多的支撑整体同步卸载，不仅从卸载设备的选配、操作人员的控制管理，以及同步精度等各方面，实施时难度都巨大。结合本工程 78 个支撑点可以分成外、中、内三圈的具体分布情况、钢结构屋盖的平面布置情况以及钢结构屋盖的受力和变形特点。通过计算分析表明，当采用分阶段整体分级同步卸载的方式进行卸载，和整体同步卸载相比钢结构本体的应力影响不大，因此，确定了“分阶段整体分级同步卸载”的卸载原则。即不追求全部支撑点同时同步卸载，追求每一圈支
9、撑实现每一步同步卸载，同时实现全部支撑点分若干个阶段达到整体同步卸载，而在每个阶段卸载实施过程中各圈支撑点并不是同步卸载23。4 卸载工况对比计算分析4.1 卸载工况根据“分阶段整体分级同步卸载”的原则，对卸载的具体步骤分两种工况进行了比对计算：工况 1：分成 9 个阶段共 33 个步骤，前 6 个阶段均为卸载总量的 10%，第 7、第 8 阶段为 15%，第 9 阶段为 10%；卸载顺序为由内圈向外圈。详见下表 4-1：工况 2：分成 7 个阶段，前 3 个阶段均为卸载总量的 10%，后 4 个阶段为17.5%；卸载顺序为由外圈向内圈。详见下表 4-2：54.2 计算条件4.2.1 荷载重力
10、荷载：取钢屋盖结构设计有限元模型结构自身的重量；施工荷载：作为最初的考虑，为保守起见，取有限元模型结构自重的 35%作为施工荷载；风载：根据初步设计分析结果，本工程不是风敏感结构，故在此处不考虑风荷载作用。温度荷载：进行卸载分析时未考虑温度荷载作用。地震荷载：地震属于小概率发生事件，卸载过程本身时间较短，发生地震的可能性极小，故不考虑地震作用。4.2.2 支座边界条件支座约束条件为：组合柱柱脚刚结、立面次结构底部铰结。4.2.3 支撑点卸载模拟支撑点只在 Z（竖）约束，其它方向（X、Y）自由。在钢屋盖结构计算模型的78 个支撑点下各设置了一根刚性杆，并未考虑支撑塔架的弹性作用。此刚性杆只能承受
11、压力而不能承受拉力。刚性杆上端与结构支撑点在 Z 方向的位移相同，它的下端被约束。在卸载进行时，对刚性杆的底部释放规定的位移来模拟卸载的过程4。64.3 卸载工况对比计算结果及分析除卸载步骤不一样外，两种卸载工况的计算条件均相同。计算过程中，支撑点的具体编号见图 4-1。由于结构的对称性，为简便起见，取 1/4 的支撑反力进行分析。其中外圈支撑为：9、13、16、19、22、23；中圈支撑为：17、8、12、15、18、21；内圈支撑为：20、24、7、11、2、14、10、1。789104.3.3 两种卸载工况计算结果分析通过以上两种卸载工况计算结果分析，可以得到以下结论：（1）支撑反力呈波
12、动变化，反力的总体趋势是逐步下降的。（2）两种工况卸载过程中，构件内力相差不明显，均在结构允许的应力范围内。（3）卸载过程中，工况 1 外圈反力最大值达到 4330KN，变化幅度大，增幅将近 100%，中圈反力最大值为 3300KN，增幅约 70%，内圈反力最大值为 1900KN，变化幅度小，增幅约 6%；工况 2 外圈反力最大值为 2600KN，比初始值稍大为，最大增幅约 20%，中圈反力最大值为 3000KN，增幅 50%，内圈反力最大值为3500KN，变化幅度较大，增幅达 260%。整个卸载过程中，工况 1 最大支撑反力为 4330KN，工况 2 为 3500KN。（4）从每圈反力和看，工况 1 总体水平较工况 2 大，工况 1 外圈反力和维持较高值的时间长，且外、中、内三圈反力和差异较大，工况 2 各圈反力差异较小，且维持在相对较小的水平。（5）从总反力看，工况 1 在卸载过程中出现比初始反力大的现象，增幅为10%，且在卸载到第 9 步时总反力仍然保持在初始水平，卸载前期对总反力的下降不明显，后期下降较为明显。工况 2 在整个卸载过程中总反力一直处于下降趋势，未出现总反力增加情况，卸载前期下降幅度比工况 1 大，后期下降幅度比工况 1 小。
