大型体育场馆拆除施工仿真与方案优化探讨_李欣.pdf

第 53 卷 第 6 期2023 年 3 月下建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.6Mar.2023 DOI:10.19701/j.jzjg.ZJ220106河北省省级科技计划资助(22375410D)。第一作者:第一作者:李欣,硕士,高级工程师,主要从事大型公建项目建造及施工研究,Email:1710941523 。通信作者:通信作者:张发强,硕士,主要从事大跨度空间结构研究,Email:zhangfaq 。大型体育场馆拆除施工仿真与方案优化探讨李 欣1,王 猛1,张发强2,3,宫富强1(1 北京建工集团有限责任公司,北京 100055;2 河北省土木工程灾变控制与灾害应急重点实验室,廊坊 065201;3 华北科技学院建筑工程学院,廊坊 065201)摘要:早期建设的大型体育场馆面临着结构耐久性已达安全使用下限、系统的设备升级改造、人流疏导与现代交通系统接驳、文化消费提升等问题,需要拆除复建。以北京工人体育场拆除施工为例,比选了爆破拆除、静力拆除、机械拆除 3 种方案,最终采取机械拆除方案;通过有限元软件 MIDAS Gen 对 3 种不同拆除工况采取移除构件法进行拆除施工仿真计算,结果表明采取从高到低、逐跨逐间、先内后外的拆除工况最为合理;并对该种工况选取 3 个不同步骤进行连续倒塌分析,描述了预应力梭形灯架、钢结构挑梁、主体看台区的拆除施工工艺,为北京工人体育场拆除施工提供技术支撑。关键词:北京工人体育场;大型体育场馆;机械拆除;施工仿真计算中图分类号:TU746.3 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)06-0006-06引用本文 李欣,王猛,张发强,等.大型体育场馆拆除施工仿真与方案优化探讨J.建筑结构,2023,53(6):6-11.LI Xin,WANG Meng,ZHANG Faqiang,et al.Discussion on simulation and scheme optimization of large stadium demolition constructionJ.Building Structure,2023,53(6):6-11.Discussion on simulation and scheme optimization of large stadium demolition construction LI Xin1,WANG Meng1,ZHANG Faqiang2,3,GONG Fuqiang1(1 Beijing Construction Engineering Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China;2 Hebei Key Laboratory of Civil Engineering Catastrophe Control and Disaster Emergency Response,Langfang 065201,China;3 Architectural Engineering College,North China Institute of Science and Technology,Langfang 065201,China)Abstract:The large stadiums built in the early days are faced with problems such as the structural durability has reached the lower limit of safe use,the upgrading and transformation of the system equipment,the connection between the flow of people and the modern transportation system,and the promotion of cultural consumption,which need to be demolished and rebuilt.Taking the demolition construction of Beijing Workers Stadium as an example,three schemes of blasting demolition,static demolition and mechanical demolition were compared and selected,and the mechanical demolition scheme was adopted finally.The removal of components method were adopted to carry out the demolition construction simulation calculation for three different demolition conditions by finite element software MIDAS Gen.The results show that the demolition conditions from high to low,span by span,first inside and then outside are the most reasonable.Three different steps were selected for continuous collapse analysis in this condition,and the demolition construction technology of prestressed spindle light frame,steel structure beam and main stand area were described,which provides technical support for the demolition construction of Beijing Workers Stadium.Keywords:Beijing Workers Stadium;large stadium;mechanical demolition;construction simulation calculation0引言 我国建国初期建设的很多大型体育场,已达到了结构安全使用年限,尤其是北上广深等一线城市的大型体育场已经进行了多次加固整修1-3,以完成重大体育及文艺盛事。大型体育场一般都有着结构形式复杂、单个结构构件重、占地面积大、体量大,容纳人数多等特点。大型体育场馆常见的拆除技术方案是爆破拆除,如河南省体育场4、沈阳五里河体育场5,而机械拆除施工方式应用较少。对于修建年限较久的建筑物,其承载力会随着使用年限的增加而减小,会导致拆除工作有较大的风险。陈艳丹等6利用SAP2000 软件对钢筋混凝土框架结构机械拆除过程进行了仿真模拟,判断施工过程的安全性和可靠第 53 卷 第 6 期李 欣,等.大型体育场馆拆除施工仿真与方案优化探讨性。潘毅等7利用 MIDAS Gen 软件采用静力线性分析,对建筑结构进行抗连续倒塌评估。北京工人体育场(图 1(a)单梁最重约 18t,长约 18.3m;挑棚悬臂梁总重约 1 600t;结构钢筋混凝土总量约为 14 000 万 m3,砖砌体约为 28 000m3;同时体育场灯架为预应力梭形柱,拆除面积达到 10.3万 m2。拆除项目多,交叉工作面大,现场切割产生火花,吊顶拆除,钢结构拆除,防止高处坠落、机械伤害、物体打击、触电,保证交通安全等都是施工的重点难点。通过有限元软件建立体育场地上部分整体模型(图 1(b),对拆除施工进行力学仿真与优化,分析机械拆除过程的可靠性和安全性,为制定大型体育场可靠的拆除技术方案提供支撑。图 1 北京工人体育场地上部分图 3 工况一拆除步骤示意图图 4 工况二拆除步骤示意图图 5 工况三拆除步骤示意图 针对北京工人体育场改造工程,可采用的拆除方案有爆破拆除施工、静力拆除施工、机械拆除施工,三种方案的特点见文献8,综合考虑,北京工人体育场采用机械拆除施工,在保证周边商业、居民正常有序的前提下,采用隔音屏与中水降尘的方式配合机械拆除进行施工。1有限元仿真计算1.1 模型建立 通过有限元软件 MIDAS Gen 对拆除施工过程进行静力计算。整个体育场为椭圆形混凝土框架混合结构,南北长282m,东西宽208m,体育场主体由24 个伸缩缝分割成 24 个独立区域,每个区域 4 跨(图 2)。共 96 排柱,每排柱 36 根,由内到外高度分别为 2、4.7、10、14、22.4m。模型主要有梁、柱和板,看台通过板单元模拟。柱截面为 550550、600600、600800、6001 000,梁截面为 180600、180700、250700、300700,悬挑梁截面为 180500、220600、300700。混凝土强度等级根据实测数据平均值选取为 C30,楼板厚 100mm,看台板厚 200mm。图 2 单台 4 跨模型1.2 模拟方法确定 体育场为对称结构,24 个看台互为独立结构,拆除按照分区及结构伸缩缝跳仓作业,取其中 1 个看台对拆除钢结构及挑檐的主体结构进行模拟计算。由于小看台与大看台互相独立,对其分别采取移除构件法进行模拟计算。对移除构件后的结构进行静力分析,当最大应力或最大变形大于允许值时,认为该构件或结构发生破坏9-10。针对大看台,采取 3 种不同顺序的拆除方法进7建 筑 结 构2023 年行模拟计算。工况一(图 3)采取从内至外,先逐跨拆除内侧低区看台,再从上至下逐层拆除外侧高区看台。工况二(图 4)采取从内至外,从上至下逐跨拆除。工况三(图 5)采取从外至内,从上至下逐层拆除。表 1 各工况下不同拆除步骤对应的柱应力对比/MPa拆除步骤AZ1AZ2AZ3BZ1BZ2BZ3一二三一二三一二三一二三一二三一二三step01.351.351.351.901.901.901.941.941.941.841.841.842.752.752.752.902.902.90step11.241.241.311.991.991.841.631.631.241.791.791.802.732.732.482.422.421.83step21.181.251.351.861.991.681.591.640.991.221.781.842.482.752.172.362.421.45step31.271.111.631.961.091.481.651.051.761.192.482.781.432.222.421.52step41.161.021.261.861.111.061.591.141.221.101.922.481.231.622.381.78step51.190.911.870.771.581.201.382.191.182.06step61.221.741.851.261.651.232.591.901.951.61step71.451.521.471.48step80.850.810.890.78 注:一、二、三分别表示工况一、工况二、工况三,余同。1.3 结果分析 取轴和轴(图 6)的柱底的应力、径向主梁的应力和挠度做拆除过程分析,柱编号分别为AZ1 AZ3、BZ1 BZ3;梁编号分别为 AL1 AL3、BL1BL3(图 7)。图 6 单台轴网平面图图 7 大看台剖面图表 1、2 分别为各工况下不同拆除步骤对应的柱应力和梁应力,其中第 0 步(step0)为拆除前初始状态,拆除前最大柱应力出现在 BZ3,为 2.9MPa,最大梁应力出现在 BL3,为 8.37MPa;表 3 为梁挠度对比,拆除前梁最大挠度出现在 BL3,为 2.10mm。工况一拆除过程中柱应力在前 5 步均逐级递减,但在第 6 步拆除时均有大幅增大;AL2、BL2 的梁应力则在第 5 步拆除时有增大;梁挠度整体保持递减的趋势。工况二每 3 步拆除一跨,其柱、梁应力和梁挠度在拆除一跨时,基本保持稳定,仅有极小的幅度波动。工况三拆除过程其柱、梁应力表现为先增大后减小,梁挠度变化较为稳定。从三种工况的结果可以看出,采取工况二逐跨逐间的拆除方式,结构相对更为稳定,拆除施工过程更为可控。最终拆除方案采用工况二方案。2仿真优化 提取工况二 step2、step4、step7 拆除过程,对其分别进行拆除构件后的倒塌分析。step2 拆除内侧2 根柱后,根据应力云图(图 8(a)显示,在径向主梁处最大应力为31.2MPa,大于其破坏强度30MPa,表明此处发生破坏,移除该构件后再进行下一次计算(图 8(b),结构最大应力为 15.6MPa,小于破坏强度。再移除外侧柱,根据结果(图 8(c)对破坏构件再进行移除直至结构各构件应力均小于破坏强度。经过数次迭代计算,最终结果表明该跨待拆除构件均已全部破坏,但对相邻的两跨影响较小。step4 拆除内侧 2 根柱后结果如图 9(a)所示,对破坏构件进行拆除后结果如图 9(b)所示,各构件应力均小于破坏强度30MPa,移除外侧柱,经过迭代计算,结果表明(图 9(c)该跨待拆除构件均发生破坏,相邻一跨部分梁、柱也受影响发生破坏,由于该跨结构上部较为完整,该拆除方法倒塌不可控因素大,对结构影响大,不适合直接拆除底柱。step7 拆除内侧第 1 根柱后(图 10(a),最大应力为 63.56MPa,拆除内侧第 2 根柱后(图 10(b),外侧底柱应力为 43MPa,已发生破坏,位移云图(图10(c)表明,结构内侧竖向位移最大,即结构整体向内侧发生倒塌。3主要施工工艺3.1 施工安排 在主体结构拆除前,需进行预拆除和钢结构拆除,预拆除包括座椅、草皮、通风、热力、电气、给水排水等专业拆除;钢结构拆除包括灯架、挑棚拆除。3.2 钢结构拆除 (1)钢结构主要拆除:挑棚上部预应力梭形柱灯架、挑棚。(2)预应力梭形柱灯架拆除:灯架拆除(图 11)8第 53 卷 第 6 期李 欣,等.大型体育场馆拆除施工仿真与方案优化探讨的过程是预应力释放的过程,在吊车的辅助下,灯架由承受荷载的结构变成不能承受荷载的机构,最后变成构件被拆除掉。在拆除灯架过程中采用双台 300t 吊车进行吊装作业,吊点的选取是拆除的关键,预应力梭形柱的吊点设置在梭形柱柱下圆盘处。通过吊装带连表 2 各工况下不同拆除步骤对应的梁应力对比/MPa拆除步骤AL1AL2AL3BL1BL2BL3一二三一二三一二三一二三一二三一二三step04.464.46 4.464.974.974.974.95 4.95 4.957.047.04 7.048.158.158.158.378.378.37step14.554.55 4.72 4.91 4.91 5.00 4.95 4.95 5.29 7.11 7.11 7.28 7.97 7.97 8.17 7.96 7.96 8.42 step24.41 4.53 4.79 4.73 4.91 5.12 4.73 4.95 5.21 4.25 7.14 7.35 7.64 7.97 8.33 7.64 7.99 8.29 step34.50 4.20 4.09 4.86 5.01 4.17 4.93 5.15 7.18 6.85 7.12 8.17 8.25 7.21 8.18 8.23 step44.41 3.55 4.16 4.72 4.65 4.38 4.73 4.24 6.55 7.18 7.78 7.93 7.45 7.80 step54.42 4.71 4.72 4.20 4.78 4.30 7.33 7.84 7.10 7.81 step64.40 4.58 4.84 4.89 4.43 6.63 4.90 4.92 step74.70 4.33 4.94 4.37 step84.78 4.35 表 3 各工况下不同拆除步骤对应的梁挠度对比/mm拆除步骤AL1AL2AL3BL1BL2BL3一二三一二三一二三一二三一二三一二三l0/30026.726.726.727.327.327.327.327.327.326.726.726.727.327.327.327.327.327.3step00.960.960.961.171.171.171.261.261.261.611.611.612.022.022.022.102.102.10step10.95 0.95 0.92 1.14 1.14 1.09 1.23 1.23 1.12 1.62 1.62 1.55 1.95 1.95 1.88 2.03 2.03 1.88 step20.96 0.95 0.92 1.12 1.14 1.05 1.21 1.23 1.16 0.98 1.62 1.54 1.94 1.95 1.81 2.00 2.03 1.94 step30.95 0.89 1.04 1.14 1.01 1.15 1.22 1.12 1.62 1.47 1.93 1.99 1.76 1.95 2.06 1.89 step40.96 0.75 1.04 1.12 1.02 1.03 1.21 0.98 1.29 1.84 1.98 1.82 1.77 2.03 step50.97 0.98 1.12 1.06 1.21 0.94 1.75 1.92 1.85 1.97 step60.98 1.08 1.17 1.35 0.99 1.94 1.19 1.36 step71.13 1.19 1.15 1.19 step81.01 1.10 1.03 1.11 注:l0为梁长度,l0/300 为梁挠度限值;AL1AL3 梁长度为 8.2m,BL1BL3 梁长度为 8m。图 8 工况二 step2 拆除过程应力云图/MPa图 9 工况二 step4 拆除过程应力云图/MPa9建 筑 结 构2023 年图 10 工况二 step7 拆除过程应力及位移云图接吊车,并启动吊车。采用倒链拉紧稳定索,从中间两个梭形柱稳定索向两边稳定索依次卸掉稳定索力,然后松掉销轴。汽车吊抬臂,使吊带完全受力,使背索逐步卸力。然后使得梭形柱竖直,松掉梭形柱柱脚销轴。两台汽车吊同时吊起灯架和拉索,缓慢吊装至地面指定位置。对灯架进行二次切割,装车运至消纳场地。图 11 预应力梭形柱灯架拆除照片(3)挑棚拆除:首先对次梁采用气割方式进行拆除,主梁之间的次梁使用电焊切断。切割位置为:沿第 1 根主梁根部切割次梁,沿第 3 根、第 5 根主梁根部切割次梁,依此方式跳梁切割。挑棚钢梁采用两台 300t 汽车吊拆除。主梁拆除前,需在主梁上设置 2 处吊装孔(图 12),使用电焊进行打孔。切割主梁根部及后部连接点,使主梁脱离约束,汽车吊全部受力。汽车吊吊运至地面,使用电焊对地面上的主梁、次梁进行二次切割。3.3 主体结构拆除 拆除施工前进行拆除任务的进一步确认,现场核实水、电、气等管线。拆除采取自上而下、先拆板、再拆梁、最后拆柱子和墙的原则进行施工。先拆除需要保留的构件,再进行全面拆除,保证安全图 12 钢结构挑棚拆除照片施工。拆除同时,随时洒水,以降低粉尘污染,达到拆除中的环保施工要求。(1)拆除外檐:采用长臂液压剪站在场馆外侧拆除,见图 13。长臂液压剪拆除施工中遵循先非承重、后承重的原则,从高到低、从上至下、先内后外、逐跨逐间拆除,拆除纵向一跨间后将外墙向内处理一层外墙,确保拆除外墙时,没有碎渣石溅出施工围挡。(2)采用长臂液压剪拆除大看台上部及外围的墙、柱、楼梯及大看台(图 14)。(3)拆除小看台采用液压剪拆除(图 15),将主体结构拆除至地面。图 13 外檐拆除照片01第 53 卷 第 6 期李 欣,等.大型体育场馆拆除施工仿真与方案优化探讨图 14 主体结构拆除照片图 15 小看台拆除照片(4)原地二次破碎:液压锤配合挖掘机进行翻渣和二次破碎施工,使渣土块大小适合运输,并用挖掘机进行渣土归堆。整个拆除过程严格控制扬尘污染。拆除前先将待拆部位洒水湿润,在拆除时采取人工喷水降尘,高处结构用长臂车将人举起,并用高压水枪喷水,保证拆除时无可见扬尘。拆除完成后,渣土及时清运出场。4结语 (1)通过有限元软件计算分析了三种不同拆除顺序工况,结果表明工况二即从高到低、逐跨逐间、先内后外的拆除方式下结构较为稳定,最终采取工况二方案,为北京工人体育场拆除施工提供技术支撑。(2)对工况二提取 3 个不同拆除步骤并进一步做倒塌分析,结果表明在上部构件未完全拆除时,拆除底部承重柱对结构影响大,倒塌不可控因素大;在拆除终步前,对内侧承重柱进行拆除,结构整体向内倒塌。(3)采用长臂液压剪、液压锤等的机械拆除方式,能够有效满足大型体育场馆的拆除,具有周期短、造价低、对周围居民影响小的优点。参考文献 1 盛平,张龑华,甄伟,等.北京工人体育场结构改造设计方案及关键技术J.建筑结构,2021,51(19):1-6.2 李建国,王轶,王立新.北京工人体育场加固设计综述J.建筑结构,2008,38(1):54-57,62.3 李文峰,苗启松,覃阳,等.奥体体育场加固改造工程消能减震分析与设计J.建筑结构,2008,38(1):43-45,120.4 方春,方桂富.河南省体育场控制爆破拆除J.爆破,2001,18(4):45-46.5 杨旭升,付强.沈阳市五里河体育场爆破拆除方案与实施J.辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2008,27(S1):154-156.6 陈艳丹,文华.钢筋混凝土框架结构机械拆除施工仿真模拟J.西南科技大学学报,2017,32(3):48-54.7 潘毅,刘宜丰,秦楠,等.成都市规划展览馆辅楼抗连续倒塌评估()基于概念设计的线性静力分析J.土木工程学报,2012,45(S1):177-181.8 王猛,李欣,庄宝潼,等.大型体育场馆拆除建筑垃圾零排放技术研究J.建筑结构,2023,53(6):12-17,11.9 胡晓斌,钱稼茹.结构连续倒塌分析与设计方法综述J.建筑结构,2006,36(S1):573-577.10 傅学怡,黄俊海.结构抗连续倒塌设计分析方法探讨J.建筑结构学报,2009,30(S1):195-199.(上接第 17 页)12 盛平,张龑华,甄伟,等.北京工人体育场结构改造设计方案及关键技术J.建筑结构,2021,51(19):1-6.13 BARBUDO A,AGRELA F,AYUSO J,et al.Statistical analysis of recycled aggregates derived from 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