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曲靖體育場(chǎng)鋼屋蓋安裝過(guò)程及模擬分析

文檔作者：何榮1，周鋒1，童樂(lè)為1，陳以一1，朱文偉2 文檔來(lái)源： 1．同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 2．云南建工鋼結(jié)構(gòu)有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年12月15日
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2013年9月上
第42卷第17期
施工技術(shù)
CONSTRUCTl0N TECHNOLOGY 121
DOI：lO．7672／s舒s2013170121
曲靖體育場(chǎng)鋼屋蓋安裝過(guò)程及模擬分析棗
何榮1，周鋒1，童樂(lè)為1，陳以一1，朱文偉2
(1．同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092；2．云南建工鋼結(jié)構(gòu)有限公司，云南昆明650224)
【摘要】曲靖體育場(chǎng)鋼屋蓋為大跨懸挑管桁架結(jié)構(gòu)，采用“地面拼裝成段、跨外分段吊裝、高空對(duì)接合龍”的施工工
藝。鋼屋蓋結(jié)構(gòu)受安裝路徑效應(yīng)影響較大，故采用sAP2000非線性施工模塊按實(shí)際逐榀安裝平面桁架模擬安裝過(guò)
程。研究表明，大部分構(gòu)件應(yīng)力比集中在O～0．1，具有富足的施工安全儲(chǔ)備；鋼屋蓋的“x”形單元在安裝過(guò)程中的
相對(duì)獨(dú)立性較好，冬季降溫對(duì)體育場(chǎng)施工影響不大。
[關(guān)鍵詞】安裝；鋼結(jié)構(gòu)；施工效應(yīng)；模擬
[中圖分類號(hào)】Tu758．11 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)】1002-8498(2013)17-0121Ⅲ5
Simlllation Analysis and Erection Process of the
Steel Roof for Qujing Stadium
He R0n91，ZhOu Fen91，TOng Leweil，Chen Yiyil，Zhu Wenwei2
(1．co訛擴(kuò)礦c涮Z E昭E聊e矗增，％，硒i‰沁阽渺，．s^口哪威200092，ClIIino；
2． 地肌徹co琳f(shuō)九‘c如凡E增inee打增跏ef＆m甜扯陀co．，厶d．，勛nmi增，地n加n 650224，饑in口)
Abstract：The steel roof of Qujing stadium is a 1arge-span suspended pipe trIlss stllJcture．The stlllcture
was assembled into segments， hoisted outside the plan， and closed in the air． The impact of process
can’t be neglected， so the erection process w鵲simulated and analyzed by SAP2000． Simulation on
every installation step of plan tmss agrees with actual situation． The result shows that tlIe stress mtio of
most members is between 0 and O．1．The“X"8tmcture unit is relatively independent to each other． The
low tempemture in winter has litⅡe innuenee on tlle constmction．
Key words：instaLllation；steel stlllctures；construction ea．ect；simulation
國(guó)家體育中心“鳥(niǎo)巢’’為我國(guó)復(fù)雜大跨鋼結(jié)構(gòu)
提供了豐富的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)隨著各類大跨
體育場(chǎng)的涌現(xiàn)，施工人員對(duì)施工技術(shù)和施工過(guò)程中
體現(xiàn)出來(lái)的諸多技術(shù)問(wèn)題和力學(xué)問(wèn)題也越來(lái)越重
視。建筑的施工過(guò)程是結(jié)構(gòu)體系、荷載、邊界條件
都不斷變化的過(guò)程，具有結(jié)構(gòu)時(shí)變、材料時(shí)變和邊
界時(shí)變的特點(diǎn)，“路徑”和“時(shí)間”效應(yīng)直接影響施工
階段和使用階段結(jié)構(gòu)的受力性能?。大跨鋼結(jié)構(gòu)
施工效應(yīng)更加明顯，不考慮施工效應(yīng)將有可能導(dǎo)致
結(jié)構(gòu)局部破壞、剛度退化甚至穩(wěn)定性失效引起整體
垮塌，或者導(dǎo)致竣工后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度未能達(dá)到設(shè)計(jì)要
求，造成安全儲(chǔ)備降低呤1。根據(jù)有關(guān)部門(mén)不完全統(tǒng)
計(jì)，我國(guó)約有2／3以上的工程結(jié)構(gòu)倒塌事故發(fā)生在
施工階段¨1。
·云南大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工控制關(guān)鍵技術(shù)及工程示范研究
(2013CA023)
[作者簡(jiǎn)介】何榮，碩士研究生，E·mail：山eIong@126．com’
【收稿日期】2013．ol-22
施工過(guò)程模擬分析是重大項(xiàng)目制訂合理施工
方案的重要依據(jù)，是施工安全的可靠保證。曲靖市
體育中心為2014年第十四屆云南省運(yùn)動(dòng)會(huì)主體育
場(chǎng)，如圖1所示，看臺(tái)主體結(jié)構(gòu)為混凝土框架·剪力
墻結(jié)構(gòu)，看臺(tái)上部屋蓋為封閉的鋼桁架罩棚。體育
場(chǎng)總建筑面積35 342m2，共約31 000座。體育場(chǎng)鋼
屋蓋造型類似“馬鞍”，東西兩端高，南北兩端低。
平面投影外輪廓近似圓形，半徑約132m；內(nèi)環(huán)輪廓
投影為橢圓，長(zhǎng)軸198m，短軸133m。屋面鋼屋蓋最
大懸挑長(zhǎng)度為46．0m，屬于超限大跨鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)
計(jì)和施工都需要專門(mén)研究和論證。對(duì)于施工過(guò)程
比較關(guān)鍵的問(wèn)題，如工程安裝方法、安裝順序、合龍
縫選擇、卸載方案等進(jìn)行重點(diǎn)分析，給出量化指標(biāo)，
保證工程安裝經(jīng)濟(jì)、安全。
1鋼屋蓋安裝方案
1．1鋼屋蓋結(jié)構(gòu)體系
體育場(chǎng)鋼屋蓋由44個(gè)類似的“X”形單元、2道
環(huán)桁架、V形支撐柱及側(cè)向支撐組成，如圖2所示。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
122 施工技術(shù)第42卷
圖1 曲靖體育場(chǎng)效果
Fig．1 Effect of Qujing Stadium
每個(gè)“x”形單元由2榀徑向平面桁架在彎角處傾斜
靠攏組成，在其懸挑端部和彎角處都設(shè)置環(huán)桁架，
其他關(guān)鍵部位也設(shè)有側(cè)向連接支撐，形成整體環(huán)向
受力體系?！癡”形支撐柱一端連接“x”形單元肩
部，另一端支撐看臺(tái)型鋼混凝土柱頂部，“x”形單元
腳部焊接H型鋼插入基礎(chǔ)中卜1。
圖2鋼屋蓋結(jié)構(gòu)體系
Fig．2 Structure system of steel roof
1．2鋼屋蓋安裝方案
1)安裝方法
目前大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的安裝方法通常分為高
空散裝法、分條或分塊吊裝法、整體吊裝法、整體提
(頂)升法、分條或分塊滑移法、整體滑移法、攀達(dá)彎
頂法及折疊展開(kāi)法等哺1。由于鋼屋蓋管桁架截面
較高，跨度大且空間曲面不規(guī)則，故采用“地面拼裝
成段、跨外分段吊裝、高空對(duì)接合龍”的施工工藝。
此方法能夠最大限度減少輔助用鋼量，在保證現(xiàn)場(chǎng)
鋼構(gòu)件組裝焊接質(zhì)量和組裝精度的同時(shí)，也能減小
桁架結(jié)構(gòu)的次應(yīng)力，降低對(duì)看臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響∞。。
2)拼裝單元
結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械及施工條件，將“x”形單元拆
分為屋面懸挑桁架、墻面桁架、內(nèi)外環(huán)桁架及散件
(環(huán)向支撐和側(cè)向支撐)，如圖3所示。部分節(jié)點(diǎn)相
交桿件數(shù)量較多，故采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)保證施工質(zhì)量。
3)合龍縫選擇與安裝順序
在確定合龍縫時(shí)，需要考慮以下幾點(diǎn)¨3：①已
安裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；②單元分段的安裝難易程度；
③斷口合龍的精確度和難易程度。
根據(jù)文獻(xiàn)[8]中溫度荷載對(duì)此大跨結(jié)構(gòu)的影響
◇舸躲
鑫
圖3鋼屋蓋拼裝單元?jiǎng)澐址桨?
Fig．3 Unit division scheme for steel roof assembIy
分析，鋼屋蓋對(duì)溫度荷載較為敏感。鋼屋蓋南北兩
低谷端部豎向位移因溫度荷載引起的變化較為明
顯，應(yīng)力變化也大于東西兩側(cè)高峰處的變化。綜合
考慮合龍安裝的精度要求和分區(qū)已安裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)
定性，確定鋼屋蓋南北高峰處為合龍縫，合龍縫將
鋼屋蓋分為南北對(duì)稱的2個(gè)分區(qū)。
鋼屋蓋的安裝順序?yàn)椋涸诨炷量磁_(tái)內(nèi)圈安裝
臨時(shí)支撐胎架；南北兩區(qū)分別從①和⑧軸同時(shí)開(kāi)始
逆時(shí)針安裝墻面桁架及側(cè)向支撐，如圖4所示；1／4
鋼屋蓋區(qū)域的墻面桁架安裝結(jié)束后，開(kāi)始逐榀安裝
屋面懸挑桁架、環(huán)向支撐及側(cè)向支撐，并同時(shí)繼續(xù)
安裝墻面桁架和側(cè)向支撐；鋼屋蓋安裝至合龍縫處
停止施工，選擇合適的溫度進(jìn)行合龍安裝；內(nèi)圈支
撐胎架按一定的順序進(jìn)行卸載，直至所有的支撐與
懸挑端脫離。
o～
①一
一。
一。
圖4鋼屋蓋的安裝順序
Fig．4 lnstaIIation order of steel roof
4)鋼屋蓋臨時(shí)支撐
設(shè)置合理的臨時(shí)支撐是大跨鋼結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程
中必須慎重解決的問(wèn)題舊1。不同單元吊裝時(shí)，需預(yù)
先安裝好相對(duì)應(yīng)的臨時(shí)支撐。墻面桁架安裝時(shí)采
取腳手架、纜風(fēng)繩及槽鋼等措施；屋面懸挑桁架安
裝時(shí)采用支撐胎架和簡(jiǎn)易門(mén)式剛架為桁架兩端提
供支撐，其中支撐胎架設(shè)置在每2個(gè)“x”形單元懸
挑端相近的位置，主桁架采用咖140mm×5mm，腹桿
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
何榮等：曲靖體育場(chǎng)鋼屋蓋安裝過(guò)程及模擬分析
采用咖114 mm×5 mm，頂部四角系上咖10 mm纜風(fēng)
繩，如圖5所示。
屋面懸挑桁架
面
架
圖5鋼屋蓋的臨時(shí)支撐
Fig．5 Temporary supports of steeI roof
5)預(yù)變形
鋼屋蓋懸挑端采用預(yù)起拱消除恒載位移，以達(dá)
到接近設(shè)計(jì)狀態(tài)和增加建筑美觀的效果。施工預(yù)
變形的計(jì)算方法分為一般迭代法、正裝迭代法、倒
拆迭代法、分階段綜合迭代法、局部位形約束正裝
迭代法等¨0|。因?yàn)殇撐萆w在懸挑端部設(shè)置的支撐
胎架軸向剛度較大，施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形較
小，所以預(yù)變形可采用一般迭代法求得。
2鋼屋蓋安裝過(guò)程模擬分析
2．1施工力學(xué)分析方法
在施工力學(xué)分析中需要考慮幾何與狀態(tài)兩大
非線性的耦合效應(yīng)嵋-，重點(diǎn)關(guān)注與狀態(tài)非線性相伴
的結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)型及體系變化、結(jié)構(gòu)剛度變化和邊界
條件變化的模擬。針對(duì)大跨鋼屋蓋結(jié)構(gòu)，采用
sAP2000(V15)非線性施工模塊的生死單元技術(shù)實(shí)
現(xiàn)施工安裝時(shí)變問(wèn)題的求解。施工過(guò)程中鋼材和
混凝土的性能基本穩(wěn)定，且材料處于彈性階段，故
施工模擬不考慮材料非線性效應(yīng)，只考慮安裝路徑
對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的狀態(tài)非線性效應(yīng)。
通過(guò)“殺死”和“激活”來(lái)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的拆除與安
裝，主要步驟為一次性建立結(jié)構(gòu)的整體模型；根據(jù)
施工階段的劃分將單元、邊界條件和荷載劃分為不
同的施工步；按施工步驟依次“激活”相應(yīng)施工步內(nèi)
的構(gòu)件，添加對(duì)應(yīng)階段的施工荷載(包括邊界條件
的改變)，并“殺死”相應(yīng)施工步內(nèi)拆除的構(gòu)件；最終
“激活”結(jié)構(gòu)成型所需的全部構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)整個(gè)施工過(guò)
程的力學(xué)分析¨“。
2．2施工荷載
模擬分析中主要考慮構(gòu)件恒載、施工活載的最
不利組合。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009—
2012相關(guān)規(guī)定，分析荷載取值及各項(xiàng)系數(shù)如下：①
構(gòu)件自重由程序自動(dòng)計(jì)算，施工安裝荷載按0．5kN／
m2選??；②自重荷載分項(xiàng)系數(shù)在撓度驗(yàn)算時(shí)取
1．o，桿件內(nèi)力驗(yàn)算時(shí)取1．2；③構(gòu)件吊裝時(shí)動(dòng)力系
數(shù)取1．3。
2．3邊界條件
為了保證分析結(jié)果的可靠性，將看臺(tái)下部混凝
土結(jié)構(gòu)和鋼屋蓋臨時(shí)支撐構(gòu)件都建在整體模型中，
提供真實(shí)的邊界約束剮度。屋面懸挑桁架端部的
44個(gè)支撐點(diǎn)編號(hào)如圖6所示。
1l2l等946’黧ll赫5264 。ln0b}h矗必埔孥n瞪9726 1110瓶芝瓤{揀弘512 8磊獬捌{嬲。驢
2．4鋼屋蓋模擬施工步劃分
模擬施工步的劃分方案并不唯一，能夠滿足反
映安裝順序即可；但是不同的方案可能導(dǎo)致不同的
分析結(jié)果，故對(duì)比分析1次、2次安裝和逐榀安裝完
1／4鋼屋蓋區(qū)域懸挑桁架3種方案，研究3種劃分
方案對(duì)結(jié)果的影響。如圖7所示，3種方案所得位
移和反力存在較大偏差，一次性安裝劃分方案的反
力分布較為均勻，這和懸挑桁架的安裝先后實(shí)際情
況不相符，故不對(duì)劃分方案進(jìn)行簡(jiǎn)化，選用最符合
實(shí)際工序的逐榀安裝的施工步劃分方案，整個(gè)安裝
模擬過(guò)程分為51步。
2．5安裝過(guò)程模擬分析結(jié)果
鋼屋蓋整體結(jié)構(gòu)完成后，屋面懸挑桁架端部的
支撐胎架反力如圖8a所示，懸挑端的豎向位移也不
盡相同，如圖8b所示；最大位移和反力都出現(xiàn)在同
一支撐胎架處，如圖9所示；大部分構(gòu)件的應(yīng)力比集
中在O～0．1，具有足夠的安全儲(chǔ)備(見(jiàn)圖10)。
3安裝過(guò)程的模擬結(jié)果分析
3．1“x”形單元安裝的相對(duì)獨(dú)立性
鋼屋蓋“x”形單元由2榀平面桁架組成，安裝
過(guò)程以單榀平面桁架(即“x”形單元的一半)為單
位。最大反力和最大端部位移都發(fā)生在同一支撐
點(diǎn)，該點(diǎn)的位移和反力變化過(guò)程如圖11所示，在安
裝穩(wěn)定后，后裝“x”形單元對(duì)已安裝單元的影響微
小，安裝的相對(duì)獨(dú)立性較好。
3．2安裝溫度的影響
至合龍縫處停止安裝，選擇合適的溫度進(jìn)行合
龍。體育場(chǎng)鋼屋蓋設(shè)計(jì)溫度為17℃，分別考慮當(dāng)?shù)?
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
施工技術(shù)第42卷
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支撐點(diǎn)編號(hào)
a豎向位移
支撐點(diǎn)編號(hào)
b反力
圖7 3種方案的支座豎向位移和反力對(duì)比
Fig．7 Vertical displacement and reaction
of support points in three schemes
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三皇寶寶三呈三三曼寶寶三三三=====二=2型222型型型型=1222蘭222022三：
b位移
圖8 安裝結(jié)束后懸挑端反力和位移
Fig．8 Reaction and vertical dispIacement Of end point
圖9最大位移和最大反力位置
Fig．9 LOcation of the maximal Vertical
displacement and reactiOn
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圖10安裝結(jié)束后構(gòu)件應(yīng)力比
Fig．10 Stress ratio of steeI members after instaIlation
，． 苧三壟． 。．。
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a位移
圖“ 最大反力處的位移和反力變化
Fig．1 l Vertical displacement and reaction
cbange of support point with the maximal
Vertical displacement and reaction
兩種溫度極值情況(37℃和一17℃)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。
圖12表明，升溫使得結(jié)構(gòu)懸挑端部向上翹起，端部
支撐反力減??；降溫則使得結(jié)構(gòu)端部向下壓迫，引
起支撐反力增大。升溫引起的位移和反力變化量
明顯大于降溫的變化量。工程實(shí)際安裝時(shí)間在冬
季，安裝溫度<17℃，降溫引起的變化量影響不大，
對(duì)施工過(guò)程不會(huì)造成安全隱患。
4 結(jié)語(yǔ)
1)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的施工仿真分析對(duì)于施工安
全的保證非常重要，對(duì)施工順序、施工造價(jià)甚至施
工圖設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生較大影響，通過(guò)仿真分析施工過(guò)程
中的不安全因素，合理調(diào)整設(shè)計(jì)施工方案。
2)針對(duì)鋼屋蓋大跨懸挑桁架結(jié)構(gòu)，采用“地面
拼裝成段、跨外分段吊裝、高空對(duì)接合龍”的施工工
藝，選擇東西兩側(cè)高峰處為合龍縫，并從合龍縫開(kāi)
始逆時(shí)針逐榀安裝。
3)采用SAP2000非線性施工模塊，施工步按實(shí)
際逐榀安裝平面桁架劃分。最大位移和反力出現(xiàn)
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
2013 No．17 何榮等：曲靖體育場(chǎng)鋼屋蓋安裝過(guò)程及模擬分析125
三
曼
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圖12溫度變化引起的位移和支座反力
Fig．1 2 Vertical displacement and reaction caused
by temperature change
在同一支撐胎架處，大部分構(gòu)件的應(yīng)力比集中在0
～0．1，具有富足的安全儲(chǔ)備。
4)鋼屋蓋的“x”形單元在安裝過(guò)程中相對(duì)獨(dú)立
性較好；體育場(chǎng)的實(shí)際安裝溫度低于設(shè)計(jì)溫度，對(duì)
施工的影響不大。
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(上接第117頁(yè))
面噴塑處理的鋁合金型材、熱鍍鋅鋼構(gòu)件和能達(dá)到
50次使用壽命的維薩板，高強(qiáng)環(huán)保材料的采用和先
進(jìn)的制造工藝從源頭上保證了該產(chǎn)品的環(huán)保性和
經(jīng)濟(jì)性。
7結(jié)語(yǔ)
昆山龍飛光電廠房一期新建工程系屬臺(tái)灣龍
飛光電有限公司第8．5代TFT．LCD生產(chǎn)線項(xiàng)目，該
工程F棟建筑潔凈生產(chǎn)層為無(wú)梁樓板結(jié)構(gòu)，考慮到
工期緊等特點(diǎn)，樓板支撐體系選用臺(tái)式模板早拆體
系，施工時(shí)間自2011年11月中旬至2012年3月中
旬，現(xiàn)階段已圓滿完成了全部工作，并得到了業(yè)主、
監(jiān)理工程師的一致好評(píng)。
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(上接第120頁(yè))
取犀變形等措施才能保證安裝到位后結(jié)構(gòu)的精度。
3)懸臂段桁架安裝，擰緊高強(qiáng)螺栓、將弦桿與
牛腿焊接后，仍然會(huì)有一定的自然下沉，所以采用
該方法安裝時(shí)，鋼桁架的標(biāo)高應(yīng)預(yù)留一定的變形
量，以保證安裝后桁架標(biāo)高。有條件時(shí)可以先進(jìn)行
試安裝，取得自然下沉值后指導(dǎo)后續(xù)桁架安裝。
4)一般在保留建筑上進(jìn)行施工，通常都是有重
要設(shè)備運(yùn)行，如配電室、鍋爐房、制冷機(jī)房等。故在
該類工程中施工時(shí)，對(duì)保留建筑和設(shè)備的安全防護(hù)
非常重要。尤其是此類建筑地下與場(chǎng)地外管線密
集，采用汽車式起重機(jī)施工應(yīng)更謹(jǐn)慎。
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