泰州体育公园体育场钢结构屋盖施工模拟分析.pdf

江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤0引言随着人们生活水平的不断提高袁 全民健身的理念逐渐深入人心遥 近几年袁各地体育场馆建设如火如荼袁江苏省目前已建成 3 万人以上的大型体育场 10 座袁规划或在建的各类体育场馆近 100 座遥大型体育场馆多采用钢结构屋盖袁如毕节体育场采用泰州体育公园体育场钢结构屋盖施工模拟分析姜荣斌1袁蒋凤昌1袁唐金来2袁林网朋2袁郁俊2渊1泰州职业技术学院袁江苏泰州 225300曰2锦宸集团有限公司袁江苏泰州 225300)摘要索承网格结构施工复杂袁预应力索的张拉与结构相互影响袁施工过程中结构变形与应力变化大袁且结构体系不断发生转变袁施工难度很大遥文章以泰州市体育公园体育场为例袁建立有限元累加模型袁且考虑几何非线性因素袁对索的预应力施加过程进行了详细动态分析袁全面研究了施工全过程索及钢结构的力学响应袁并对张拉工装及耳板等关键节点进行了有限元精细化模拟遥 结果表明袁预应力索张拉及胎架拆除对结构影响较大袁其应力及位移变化幅值均超过 80%遥提升工装及耳板等关键构件受力不均匀袁应通过构造措施保证其强度和稳定性遥 基于施工仿真分析袁可对钢屋盖施工方案进行优化袁保证安全施工遥关键词体育场曰索承网格结构曰钢结构曰预应力曰数值模拟中图分类号 TU391.3文献标志码 B文章编号1005-6270渊20圆3冤03-0054-06Construction Simulation Analysis for Steel Structure Roof of Taizhou Sports ParkStadiumJIANG Rongbin1JIANG Fengchang1TANG Jinlai2LIN Wangpeng2YU Jun2(1.Taizhou Polytechnical College,Taizhou Jiangsu 225300 China曰2.Jinchen Group Co.,Ltd,Taizhou Jiangsu 225300 China冤Abstract院The construction of cable-supported grid structure is complicated,the tension of prestressed cablesand the structure affect each other,the structural deformation and stress change greatly in the constructionprocess,also he structural system changes constantly,so the construction is very difficult.In this paper,takingTaizhou Sports Park Stadium as an example,the finite element accumulation model is established.Consideringthe geometric nonlinearity,the dynamic analysis of the cable prestressing process is carried out in detail.Themechanical response of cable and steel structure in the whole construction process is studied comprehensively,meanwhile the finite element fine simulation of key joints such as tensioned fixture and lug plate is carried out.The results show that the prestressed cable tensioning and the demolition of the tire frame have great influenceon the structure,and the amplitude of the stress and displacement is more than 80%.Key components such ashoisting tooling and ear plate are not uniformly stressed,so their strength and stability should be guaranteed bystructural measures.Based on the construction simulation analysis,the steel roof construction scheme can beoptimized to ensure safe construction.Key words院 stadium曰cable supported grid structure曰steel structure曰prestress曰simulation analysis收稿日期圆园22鄄12鄄21作者简介姜荣斌袁男渊1986-冤袁泰州职业技术学院袁讲师袁从事土木工程教学科研工作遥基金项目院泰州市科技支撑计划渊社会发展冤项目渊TS202049冤曰江苏省发改委省级工程研究中心建设项目渊JPERC2021-168冤曰江苏省土木建筑学会科研课题渊2022-9冤曰本项目得到江苏高校野青蓝工程冶资助遥54江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤图 3屋盖索承网格体系了钢管桁架结构1袁成都东安湖体育场采用了悬挑平面桁架加立面单层交叉网格结构2遥 预应力索承网格体系也深受青睐袁如蚌埠奥体中心3尧临沂奥体中心4及苏州奥体中心5等体育场是其中的代表遥 但索承网格结构施工中存在着一些技术难点袁如分批张拉时预应力索的受力状态和平衡条件比较复杂尧结构变形大尧应力变化繁复袁且在构件安装完成之前整个结构是一个野机构冶袁具有高度坍塌的风险遥 因此袁必须对大跨度索承网格结构施工全过程做好精细化模拟袁 对关键构件进行局部受力分析袁优化构造及施工方案袁以保障结构施工安全遥文章以泰州市体育公园体育场索承网格屋盖为例袁对屋盖安装尧预应力索张拉及关键构件进行了有限元仿真模拟袁考察其施工全过程结构的受力性能遥 该项目位于泰州市周山河街区天德湖以南地块袁 是 2022 年江苏省第二十届运动会主场馆遥建筑面积 62 905 m2袁屋盖平面近似为圆形袁南北向约为 263 m袁东西向约为 233 m袁看台罩棚最大悬挑长度为 47.8 m袁屋盖最大高度为 47 m渊图 1冤遥1索承钢结构屋盖结构体系1.1结构组成钢结构由竖向支撑与屋盖体系 2 个部分组成渊图 2尧图 3冤遥 竖向支撑体系由矩管 V 形桁架柱尧大拱桁架尧桁架环梁构成袁环带宽约 6 m遥 屋盖体系采用预应力索承网格结构遥屋盖上弦为径向和环向箱形梁构成的单层网格结构渊图 4冤袁整个单层网格与外圈环梁采用铰接连接遥下弦为车辐式布置的索杆体系袁每道径向索上侧设置 3 根垂直撑杆袁径向索锚固于外环梁上曰沿环索设置连接环索和上弦单层网格的斜腹杆袁 形成内环带桁架渊图 5冤遥 其中径向索共 38 榀袁椎D140 的径向索共计 20 榀袁椎D122 的径向索共计 18 榀曰 环向索只有一圈袁采用 6D125曰屋面水平稳定索 D30袁共计192 根遥 索承网格上弦为箱型构件袁 截面尺寸为B750 mm 伊350 mm 伊14 mm 伊14 mm 耀B750 mm 伊600 mm伊24 mm伊24 mm袁 主 要 材 质 为 Q420C尧Q345C遥 下部撑杆为圆管袁 截面尺寸为 P219 mm伊12 mm耀P500 mm伊16 mm袁主要采用 Q345C遥1.2结构特点渊1冤 屋盖上弦单层网格作为悬臂结构与外环梁铰接连接袁弯矩为零袁上弦径向梁可设计为等截面箱形梁袁与类似悬臂长度体育场屋盖相比袁可大大节约用钢量6遥 上弦单层网格的重量完全由下弦索系承担袁在下弦索系没有施加预应力前袁上弦单层网格类似于瞬变体系袁变形较大袁因此上弦单层图 1泰州体育场鸟瞰图图 2竖向支撑体系图 4上弦单层网格图 5下弦索杆体系55江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤图 6屋盖索承网格局部示意图网格施工时主要靠临时支撑胎架支撑遥渊2冤为了增加屋盖悬挑长度袁环索前端悬挑部分增加了 V 形撑杆渊图 6冤遥 同类工程袁有的采用一圈封闭的环向桁架遥 本工程取消了环向桁架袁代之以 V 形撑杆袁使环向桁架与悬挑结构的支承构件合二为一袁结构得到了优化遥 V 形撑杆的主要作用是支撑环索前端的悬挑部分构件袁 如在张拉前安装袁则预应力施加时 V 形撑杆受拉袁屋盖前端必然产生向下的变形袁因此 V 形撑杆必须在张拉完成后再安装袁可以克服张拉导致屋盖结构大变形的问题遥2施工仿真分析钢屋盖的安装采用分块桁架吊装及高空散装袁结构体系在施工过程中时刻发生变化袁杆件受力状态也不断发生变化遥 个别杆件甚至会由受拉构件转变为受压杆件袁 导致压杆失稳或者应力过大袁结构受力复杂袁施工难度大遥因此必须对钢屋盖全部施工过程进行精细化有限元分析7遥 分析的内容包括钢结构安装尧吊装尧温度作用尧 预应力张拉及关键构件的局部受力分析遥 总体分析内容及过程与实际施工流程一致袁首先进行钢结构分块吊装及安装袁要分析吊装过程及屋盖安装每一步的受力状况遥 在钢结构安装的最后合拢阶段袁温度作用不可忽视袁考虑了正负温差作用袁选择合适的合拢温度遥 随后进行径向索的张拉袁在张拉过程中袁各预应力索及钢结构受力不断发生变化袁支撑胎架逐渐脱空袁支点数量及反力大小也不断变化遥 而张拉工装及耳板等构件因预应力作用袁承受了较大的局部荷载袁为保障张拉的安全袁还应对此类构件进行实体有限元分析袁根据其应力分布特征再对细部构造进行优化遥2.1有限元模型说明由于钢屋盖结构造型复杂袁用钢量大袁采用一次性建模的方法建立结构分块及散装计算模型遥在 Midas/Gen 8.7.0 中定义详细施工过程袁 对钢结构每一施工步骤进行精细化模拟遥 因钢结构安装过程中前尧后阶段衔接紧密袁故可采用累加模型袁考虑上一施工阶段对下一阶段的影响袁 以真实反映施工过程8遥计算考虑几何非线性袁采用牛顿拉普森法迭代求解遥分析模型包含竖向支撑尧屋盖索承网格尧胎架支撑遥模型中构件的材料尧截面尧边界条件等与设计条件相同渊图 7冤遥2.2施工阶段划分将屋盖结构的施工划分为以下几个阶段院淤网格结构渊除了悬挑网格结构下部斜撑杆冤拼装完成曰于上部斜拉结构安装完毕曰 盂张拉上部斜拉索曰榆拆除部分内部支撑胎架袁拉索提升就位曰虞拉索预紧渊30%冤曰愚拉索张拉同步调整渊50%冤曰舆拉索张拉渊70%冤曰余拉索张拉完成渊100%冤曰俞安装斜撑杆曰逾拆除支撑胎架袁拆除上部斜拉结构遥2.3屋盖钢结构施工过程模拟体育场钢结构主要包括 3 部分院钢板剪力墙及V 型柱底钢骨埋件尧上部屋盖钢结构以及入口雨棚钢结构遥 钢板剪力墙及 V 型柱底钢骨埋件随土建施工顺序进行安装遥上部屋盖钢结构中屋盖支撑系统及车辐式网格结构施工顺序按照 1-62 轴寅1-39 轴寅1-1 轴寅1-63 轴的顺序进行施工 渊图 8冤遥环形飘带幕墙和 V 型柱间倒三角幕墙跟随支撑及网格结构进行流水施工袁V 型柱间正三角幕墙支撑及网格施工稍滞后遥图 7体育场有限元模型图 8屋盖支撑系统及车辐式网格结构施工顺序示意图56江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤图 9第 8 步应力云图渊单位院N/mm2冤根据钢屋盖的节段划分及起吊重量袁 将屋盖的安装划分为 11 个步骤袁 图 9 为第 8 步应力云图袁其中第 9 步为卸载拱架处支撑架遥 由计算结果渊图 10冤可知袁 钢屋盖安装过程中以应力和竖向位移为控制项遥 支撑卸载前袁钢结构应力及位移随着施工过程逐渐增大袁但应力更为敏感袁其最大应力为 64.3 MPa袁发生在悬臂端支点附近遥 屋盖钢结构在卸载支架后结构发生了体系转换袁位移和应力急剧增大袁最大位移为 208.2 mm袁增加 91.6%袁发生在最大挑臂端部曰最大应力为 114.8 MPa袁增加 78.5%袁发生在大拱桁架上方支点附近袁仍在可控范围遥 因此袁支架卸载是危险工况之一袁应做好施工监控遥2.4吊装分析对屋盖结构构件进行吊装验算袁共计算了 4 块吊装单元 渊图 11冤遥 对结构自重乘以 1.2 倍的放大以考虑施工荷载效应曰 荷载组合的分项系数取1.35袁动力放大系数取 1.35遥其中吊装单元 1 的竖向最大位移为 5.8 mm袁最大应力为 9.6 MPa渊图 12冤遥计算结果渊表 1冤表明吊装单元的应力最大为26.1MPa袁变形最大为 10.8 mm袁受力较小袁对结构验算不起控制作用袁分块及吊点设置主要由施工工艺及吊装能力决定遥2.5环境温度对上部结构的施工影响分析上部钢结构设计合拢温度为 15 益25 益袁 实际施工时可能超过这个范围袁故需对环境温度对钢结构合拢的影响进行分析遥考虑两种环境温度工况下对结构的影响院+25 益温差下合拢尧-25 益温差下合拢遥+25 益下合拢袁结构应力范围-101 MPa耀191 MPa袁竖向挠度范围-51 mm耀7 mm渊图 13尧图 14冤曰-25 益下合拢袁结构应力范围-164 MPa耀197 MPa袁竖向挠度范围-54 mm耀5 mm遥 两种工况挠度相差不大袁主要区别为应力分布不同袁最大温度应力均出现在 V 形撑杆上遥 屋盖外环及内环为向上的挠度袁其值很小袁均在 7 mm 以内遥 环形屋盖中间区域则产生向下的挠度袁以短轴端点附近区域最大遥 环境温度作用对上部钢结构施工的影响显著袁但仍在可控范围内遥图 10屋盖钢结构安装阶段位移及应力图 11屋盖结构吊装计算单元图 12吊装单元计算结果表 1吊装单元计算结果单元类型Dx/mmDy/mmDz/mm应力/Mpa单元 1单元 2单元 3单元 42.30.22.20.61.00.83.31.65.87.44.910.49.615.626.118.7图 13+25 益温差应力云图渊单位院N/mm2冤57江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤图 17各施工阶段钢结构应力2.6张拉过程施工仿真分析利用有限元模型袁分析结构竖向变形尧钢结构应力尧索力及胎架支座反力袁考察结构在预应力索张拉过程中结构的受力性能袁并对其进行优化9遥渊1冤竖向变形及胎架反力在上部斜拉索张拉之前袁上部网格结构主要为向下的位移袁 上部斜拉索的张拉使得位移增大袁但此后总体上较为平稳 渊图 15冤遥 在径向拉索张拉100%后袁网格结构的位移急剧增大袁达到了最大值442 mm袁 这是预应力索张拉形成的反拱效应所致渊图 16冤遥 沿着椭圆环向布置五圈胎架支撑袁随着径向索的分级张拉袁胎架与屋盖结构由外圈向内圈逐渐脱空遥 脱空后的胎架支撑应设置足够的稳定索袁否则易发生失稳事故遥胎架反力随着环向索和径向索的安装尧张拉而逐步增大袁最大反力达到 608 t遥渊2冤钢结构应力随着网格结构的安装尧预应力索的张拉袁钢结构应力总体上呈增加趋势渊图 17冤遥 拆除支撑胎架及斜拉结构后袁最大拉应力及最大压应力均有所下降袁原因是自重抵消了部分预应力反拱效应遥 在整个施工过程中袁 钢结构最大拉应力为 239 MPa袁最大压应力为 149 MPa袁均小于钢材的容许应力遥渊3冤索力临时索索力较小袁 在整个施工过程中较为平稳袁变化不大渊图 18冤遥 径向索张拉至 100%时袁临时索达到最大索力 433 kN袁遥 径向索为张拉索袁通过张拉工装进行张拉袁超张拉工艺 5%遥 径向索的张拉按照预紧 30%寅同步调整 50%寅张拉 70%寅张拉完成 100%的流程进行遥 最大索力为 3 050 kN袁发生在安装斜撑杆之后遥环向索的索力随着径向索的张拉逐步增大袁 在拆除胎架及上部斜拉结构后袁达到最大值 13 149 kN袁 此为环向索的控制工况袁是主要涉及依据遥通过有限元模型对 10 个施工阶段进行了仿真分析袁可知环向索及径向索为主要受力索袁而环向索由于受到多根径向索的张拉袁 导致其索力较大遥综合分析可知袁预应力索张拉工艺流程合理袁结构在张拉过程中的受力状态良好遥2.7关键构件局部受力分析在预应力张拉施工过程中袁 关键节点受力复杂袁 其受力是否可靠关系到结构整体的安全性袁因此对复杂节点如张拉工装尧斜拉结构的张拉端等应进行局部受力分析遥渊1冤提升工装受力分析图 16预应力索张拉完毕后钢结构竖向变形云图图 15各施工阶段钢结构位移及胎架反力图 14+25 益温差位移云图渊单位院mm冤图 18各施工阶段索力58江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤图 19提升工装 Von-mises 应力云图(MPa)图 20提升工装变形云图(mm)图 21 临时支撑反力架应力云图本项目提升工装共 4 种袁设计承载为 200 t 及360 t袁分别适用于 D120 及 D140 规格的拉索遥建立提升工装的实体有限元模型袁 然后通过ANSYS 进行受力分析渊图 19尧图 20冤遥由计算结果可以看出袁线弹性分析时袁钢结构绝大部分区域 Von-mises 应力极小袁 均在 200 MPa 以内袁最大变形值为 1.5 mm袁满足设计张拉力需求遥 力的传递路径类似拱形袁形成拉杆-压杆体系遥 张拉工装的腹板为主要压杆袁下翼缘板为拉杆遥 因此袁跨中截面上翼缘局部区域进行了加高袁 增加的腹板向两侧张拉点延伸以满足受力需求遥 在腹板的主要受压区设置双侧竖向加劲肋袁以保证其局部稳定遥渊2冤临时支撑反力架的受力分析屋盖上部斜拉结构为临时支撑构件袁由 P180伊8 及 P83伊7 钢管及 椎28 钢绞线组成遥 钢绞线通过厚度为 40 mm 的耳板与钢管相连袁 在施工过程中进行张拉袁钢管结构实际上作为预应力钢绞线张拉时的反力架遥 耳板结构是重要传力构件袁应进行重点受力分析遥由分析结果渊图 21冤可知袁在最不利工况下袁反力架最大应力为 267 MPa袁满足张拉要求遥 但应力分布极不均匀袁 集中在锚固点附近小范围区域袁设计时应充分考虑到这种不均匀性袁以防出现因应力集中导致的结构失效遥3结语文章对泰州体育公园体育场施工全过程进行了有限元分析袁可以得出如下结论院渊1冤预应力索张拉前袁屋盖钢结构应力和位移变化平缓袁可根据吊装能力合理划分单元遥渊2冤预应力索的张拉会导致钢结构应力和位移急剧增大袁应力增大 26%尧位移增大 90%遥 可在预应力张拉工况下快速找出最危险的构件及部位袁进一步优化构造措施袁降低应力峰值遥渊3冤胎架支撑卸载后袁钢结构完成体系转换袁其受力状态变化幅度为施工全过程最大袁是控制工况之一遥渊4冤张拉工装尧耳板等关键构件受力极不均匀袁局部应力较大袁构造设计时应充分考虑到这种不均匀性遥参考文献1 高峰.毕节体育场无内支撑钢屋盖体系设计J.建筑结构袁2020袁50渊23冤院13-17.2 冯远袁陈文明袁周全袁等.成都东安湖体育公园体育场结构设计J.建筑结构袁2020袁50渊19冤院22-29.3 徐成荣袁胡舜袁王静峰袁等.蚌埠奥体中心体育场大悬挑预应力罩棚钢结构施工新技术J.建筑结构袁2020袁50渊23冤院43-50.4 吴小宾袁陈强袁陈志强袁等.临沂奥体中心体育场车辐式单层索膜罩棚结构设计J.建筑结构袁2020袁50渊19冤院1-7.5 徐晓明袁张士昌袁高峰袁等.苏州奥体中心体育场钢屋盖结构设计J.建筑结构袁2019袁49渊23冤院1-6.6 司波袁王丰袁向新岸袁等.环向悬臂索承网格结构预应力设计关键技术研究和应用J.建筑结构袁2014袁44渊15冤院36-40.7 曹江袁李永明袁苑庆涛袁等.郑州奥林匹克中心体育场钢结构施工技术J.钢结构袁2018袁33渊11冤院127-131.8 王丰袁徐刚袁吕品袁等.徐州奥体中心体育场环向悬臂索承网格预应力施工关键技术J.施工技术袁2014袁43渊14冤院78-82.9 冯国军袁马晓菲袁吴旦翔.蚌埠体育中心主体育场大跨度钢罩棚施工过程模拟分析J.钢结构袁2018袁33渊05冤院107-111+131.59