沈阳奥体中心主拱滑移施工过程分析

沈阳奥体中心主拱滑移施工过程 沈阳奥体中心主拱滑移施工过程分析 徐硕 1，魏明 2 1 武汉理工大学土木工程与建筑学院～武汉 (430070) 2 中国建筑第三工程局金属结构工程公司～上海 (200015) E-mail:xucaoshuo@sohu.com 摘 要:本文采用有限元分析理论,通过理想弹性模型及线性屈曲特征值分析,对某大型三角 桁架拱结构滑移施工过程～进行各种不利工况下的受力和稳定性分析,并根据分析结果给出 了对施工过程有指导意义的结论。 关键词:主拱～滑移～工况～稳定性 1. 引言 大跨空间结构是近二十年来流行起来的结构形式，将各种大跨结构类型组合起来构成某 一建筑单体，使建筑的造型更加美观、多样化是发展趋势之一。虽然针对此类结构的设计、 分析已经比较完善，但由于这种结构的杆件截面大、拼装单元重、设计标高大等特点，使施 工只能采用极其保守的，这样势必造成措施费的大量增加，企业盈利空间缩小，甚至亏 损。在保证工程质量和工期的前提下，如何提高施工水平是一个值得研究的课。 本文以沈阳奥林匹克体育中心工程为实际背景，利用有限元分析软件 ANSYS，针对施 工过程中的四种不利工况，对支架内力、主拱内力和位移以及主拱与支架组合的整体稳定性 进行分析研究，得到分析结果，为施工单位提供极有力的技术支持。 2. 工程概况及施工 沈阳奥林匹克体育中心工程体育场位于沈阳市浑南新区，体育场总建筑面积 14 万平方 米，体育场罩棚面积约 6 万平米。整个罩棚结构分东南西北四片，南北两片由沿径向的弧形 圆管和两个主拱组成，东西两片由支架在南北两主拱上的桁架构成。见图 1。 图 1 体育场罩棚三维模型图 该罩棚结构存在如下特点: 1 .工程杆件超大，特别是主拱结构钢管均为大口径钢管，钢管直径最大达 1524mm，壁 厚达 33mm。 2 .工程结构复杂，桁架“体型”大，主拱桁架每个重达 1680 吨，长达 390 多米，安装顶 点高达 81 米。 由此可见，该罩棚结构的设计使得施工比较复杂，特别是主拱结构的施工存在不少难点。 本工程的施工方案采用的是将主拱构件在地面预拼装为三段，两端的两段较短，直接利用履 -1- 带吊吊装到位，中间长段部分利用弧形轨道滑移到位，弧形轨道由支架支撑[1]。 在滑移过程中存在最不安全的四种工况，如图 2(a)、(b)、(c)、(d)所示。对该结构在 施工过程中各种工况下的应力、位移及整体稳定性分析和验算[2]，以保证安装的顺利进行是 本工程实施的要点。 (a) 工况一 (b)工况二 (c)工况三 (d)工况四 图 2 主拱的滑移施工过程 3. 工况分析 3.1 分析方法 从上面的滑移方案可以看出，主拱在支架上滑移的整个过程中有两个关键问题。其一， 在滑移过程中，主拱的变形及应力是否满足规范的要求;其二，搭设的支架必须满足在整个 滑移过程中的受力要求，避免出现承载力或稳定性不足而倒塌。 针对以上两个关键问题，本文采用的分析方法为:考虑滑移过程中最不利的四种工况， 对支架与主拱的组合结构直接作静力分析，验算主拱变形和应力值是否满足规范的要求;对 支架与主拱组合结构进行特征值屈曲分析，验证支架的受力是否满足稳定性要求。特征值屈 曲分析考虑了应力强化效应，这种效应会导致结构在受压力后抵抗横向荷载的能力降低。特 征值屈曲分析不考虑结构变形的影响，也忽略初应力和应变高阶量的作用，求解将得到结构 的欧拉临界荷载[3]。如下: 0 ，, K , ， ， , S ,，,, , , 其中 , K , 为刚度矩阵 , S , 为应力刚度矩阵 ,,, 为位移特征矢量 ， 为特征值，即荷 -2- 载因子。由于实际结构中存在缺陷，因而达不到理论稳定强度。对实际工程而言，特征值屈 曲分析具有计算速度快的特点，特征值可以为非线性分析提供参考荷载。 3.2 分析模型 根据前面的分析方法，利用有限元分析软件 ANSYS 对主拱滑移施工过程进行受力分析 时，首先要建立分析模型。 为节约施工材料，设计的支架截面选用结构构件中已有截面(内径 280mm，外径 300mm) 的圆环钢管。整个几何模型在笛卡尔坐标系中。采用三维梁单元模拟实际结构体系，单元性 质定义为 Beam188[4]。由于主拱„体型?非规则，故首先利用结构设计的 AutoCAD 图读取节 点的三维坐标值并存于数组中，然后在 ANSYS 中导入此坐标值，这样可以在有限元分析软 件中快速而准确的得到结构的仿真模型，如图 3 所示。 1 图 3 支架及主拱的 3D 有限元模型 3.3 分析结果(考虑主拱在支架上滑移过程中最不利的四种工况) 模型建立后，根据结构的设计尺寸及施工材料，分别在最不安全的四种工况下，对模型 进行有限元网格剖分，施加载荷并求解，求解的结果归纳整理后见表 1。 表 1 四种工况下的支架及主拱分析结果 -3- 工况一 工况二 工况三 工况四 允许值 支架强度 最 大 正 应 力 231.5 164 144 133 ?310 (MPa) 主拱强度 -25 -80 -189 -204 ?310 最 大 正 应 力 (MPa) 主拱刚度 322.4 254 186 196 ?300000/500 =600 挠度(mm) 支架和主拱稳定 9.5 7.9 6.8 5.5 ?5 性 屈曲特征值 不同工况下各指标值最大时的有限元分析结果如图 4 至图 6 所示。 -204.514 -100 100 -200 0 200 图 4 主拱的正应力图(工况 4) -322.346 -237.324 -152.303 -67.281 17.74 -279.835 -194.813 -109.792 -24.77 图 5 主拱的挠度图(工况 1) -4- -150 -50 50 -100 0 100 图 6 支架和主拱的一阶屈曲模态图(工况 4) 4. 结论 在工况一时，由于主拱位于支架的最低处，参与支撑主拱的支架很少，因而支架的 1. 最大正应力比在其他三种工况时要大;同时，由于主拱的高度较低，整体的稳定性 较好，而在工况 4 时，主拱的高度最高，因而整体的稳定性最差，屈曲特征值仅为 5.5，只略高于工程允许值 5 。 各项指标中的最大值均出现在工况 1 和工况 4，因此在滑移过程的开始和结尾应该 2. 减小滑移速度，而在中间部分滑移时可以考虑适当的增加速度。 由于上述结论是建立在只考虑主拱和支架自身重力的前提下进行的分析，而主拱的 3. 最大安装标高为 81000mm，为充分保证支架的整体稳定性和工程质量，应尽量选 择在无风无雨天气施工。 - 5 - 参考文献 [1] 网壳结构技术规程 JGJ61-2003 北京:中国建筑工业出版社，2003 [2] 沈世钊，陈昕.网壳结构稳定性.北京:科学出版社，1999 [3] 任重. ANSYS 实用分析教程 北京:北京大学出版社，2003 [4] 杜新喜，崔 磊，叶国平.黄山体育馆中大跨度屋面网架安装 武汉大学学报(工学版) 2003，8(36) Analyse Based on Main arch’s Slippage process of Shenyang Olympic gymnasium Xu Shuo1, Wei Ming2 1 Civil Engineering and Building Academy of Wuhan University of Technology, Wuhan (430070) 2 Metal Structure Engineering Co.of China Construction Third Engineering Bureau, Shanghai (200015) Abstract Basing on the finite element theory, This paper in terms of the analysis of the ideal elasticity model and linearity buckling characteristic value, analyses the force and stability of some large-scale triangle truss arch slippage under lower disadvantageous various working condition .In the end, according to the analyzing result ,this paper gives out the guiding significance conclusion. Keywords: Main arch, Slippage, Working condition, Stability -6-