上海世博演艺中心飞碟状钢结构屋盖卸载仿真分析_李冠群

14
拆除 45、46、63、64 号临时支撑
15
剩余所有支撑逐步卸载并拆除
图 6 临时支撑模型图
卸载过程中一般应满足下述原则： ① 须保证临时支撑结构处于安全状态，保证不会发生 整体失稳； ② 须保证钢结构的变形协调； ③ 在满足上述条件的基础上，为加快施工进度，提高卸 载效率，卸载步数尽可能少、每步幅度尽可能大。 根据所确定的卸载原则，采用有限元计算，通过大量计 算，最终确定一条拆除临时支撑结构的路径．。 第一步按照施工方制定的方案拆除外外圈支撑。 第二步考虑到中圈支撑下部为楼板，在卸载过程中所承 受荷载不宜过大，所以在卸载时先拆除中圈的 ８ 个支撑，使 其荷载传递到内圈支撑和外圈支撑上。 第三步分步依次按照从内向外的卸载顺序逐步进行卸 载。在进行到一定程度的卸载后，然后再在调节过程中对于 支撑反力较小或者接近于支撑自重的杆件在下一卸载步中 予以直接拆除，至第 １５ 步完全拆除所有支撑，卸载结束。 根据卸载顺序，采用 ＭＩＤＡＳ／ＧＥＮ 进行施工阶段模拟分 析，计算模型为一整体模型，按照施工步骤将结构构件、支座 约束、荷载工况划分为 １５ 个施工阶段进行施工过程模拟分 析。计算过程采用考虑施工阶段的方式进行分析，得到每一
表 5 施工工况与施工步骤对应关系表
卸载步骤 1
卸载工况 拆除 1- 36 号临时支撑（外外圈支撑）
2
拆除 73- 80 号临时支撑（中圈支撑）
3
所有支撑卸载 5mm
4
所有支撑卸载 5mm
5
所有支撑卸载 5mm
6
所有支撑卸载 10mm
7
所有支撑卸载 10mm
所有支撑卸载 15mm
8
拆除 38- 43、48- 53、56- 61、66- 71 号临时支撑
考虑到世博演艺中心较高的使用要求，确定其屋盖钢结 构的卸载方式以结构关键节点竖向位移为主要控制参数，同 时以结构整体应力为辅助控制参数，其间综合考虑施工条件 及工期要求，保证临时支撑强度、刚度、稳定性完全在满足要 求的条件下进行。
临时支撑位置如下图：
图 5 临时支撑编号
阶段卸载完成状态下的结构内力、应力和变形，在下一阶段 程序会根据新的变形对模型进行调整，从而可以真实地模拟 施工的动态过程。
世博演艺中心结构总用钢量吨位大，其中整体提升就位 的屋盖钢结构吨位就达 ２３ ０００ ｔ，为确保结构的安全和整体 外形，需控制各点同步下降。 2.3 卸载点分布广、点数多
临时支撑的 ８８ 个点需要分批、分步骤卸载。８８ 个支撑 分布于整个屋盖下部，并且为对应主桁架架的交叉节点分别 分布于四圈环相桁架位置。
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第 11 期 李冠群、宋胜录、伍小平、杨兴富、罗国锋、封 杰：上海世博演艺中心飞碟状钢结构屋盖卸载仿真分析 11/2009
表 7 整体结构桁架应力汇总表
整体结构应力 MAX 整体结构应力 MIN
工况 轴号 数值（Mpa） 轴号 数值（Mpa）
28
44.04
9
- 43.1
38
42.08
9
- 41.7
2009 年 11 月出版
5 工程应用效果
各阶段支座反力汇总如表 ６。
表 6 支座反力汇总表
工况 临时支撑反力 MAX 外围支座反力 MAX
编号 数值（t） 轴号 数值（t）
2 63
41
15
30
3 63
40
9
38
4 63
39
9
39
5 63
39
9
40
6 37
41
9
41
7 37
44
9
43
8 81
51
9
49
37008 3.21E+09 1.61E+09
有限元模型情况如下：
表 4 模型概况表 节点总数 1574 单元总数 4089 梁单元数 4089
世博演艺中心整体施工阶段分析模型如图 ４ 所示。
图 4 世博演艺中心施工阶段分析模型
4 卸载方案的确定
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《建筑施工》第 31 卷
11/2009 李冠群、宋胜录、伍小平、杨兴富、罗国锋、封 杰：上海世博演艺中心飞碟状钢结构屋盖卸载仿真分析 第 11 期
S h a n g h a i Wo rld Exp o Pe rfo rm in g Art s Ce n t e r
□ 李冠群 1 宋胜录 1 伍小平 1 杨兴富 1 罗国锋 2 封 杰 2
（1.上海建工（集团）总公司技术中心 200083；2.上海市机械施工公司 200072）
【摘 要】上海世博演艺中心钢结构屋盖外形呈飞碟状，具有跨度大、结构复杂的特点，根据其支撑的卸载点多、分布范围
1 工程背景
1.1 工程概况 上海世博演艺中心建筑外形呈飞碟状，其结构为地下二
层、地上五层整体向外倾倒形的钢框架结构，在观景台区域 采用了巨型悬臂桁架以满足建筑效果及相关使用要求；而建 筑顶部则为钢屋盖结构，其平面呈不规则三角形，并通过屋 面系统来达到预期的建筑效果。 1.2 结构形式
本工程自 － ６．７ ｍ ～＋ ３８ ｍ 由六层钢框架结构、巨型悬 臂桁架和组合桁架结构形成的钢屋盖，该部分钢结构的总吨
图 2 屋盖钢结构平面示意图
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第 11 期 李冠群、宋胜录、伍小平、杨兴富、罗国锋、封 杰：上海世博演艺中心飞碟状钢结构屋盖卸载仿真分析 11/2009
图 3 屋盖钢结构立面桁架 TR 3 示意
2 重点难点分析
2.1 重要建筑物的高标准要求 对于具有地标意义及重要功能需要的重要建筑物，其在
48
40.1
外环
- 42
5 5、6、31、32 41.9、31 46.6
外环
- 49.6
7 外环 52.8
外环
- 54.7
8 外环 65.7
外环
- 62.4
9 外环 67.1
外环
- 63.6
10 外环 78.1
外环
- 71.7
11 外环
92.98 外环
- 82.5
12 外环
107.2 外环
虽然在卸载前对结构进行了多次、详细的计算，但是实 际的卸载量和理论计算数值必定存在差异，因此在整个卸载 过程中对可能出现的意外问题必须做好充足的准备和相关 的应急方案。
3 仿真模型的建立
3.1 荷载情况 在钢结构安装阶段，荷载主要考虑结构的自重（节点连
接部位的额外荷载按 ２０％考虑）、施工荷载（为安全起见，按 结构自重的 ２０％考虑），荷载总共取值为 １．４４ 倍结构整体自 重。
0 引言
在大跨度钢结构屋盖的安装过程中，设置临时支撑塔 架，以及在结构安装完成后再拆除临时支撑，可以减小安装 过程中主体结构的内力和变形，结构安全性强。这种方法在 诸多大型项目的建设中得到了应用，如国家大剧院和国家体 育场等［１－６］。
临时支撑的卸载过程是主体结构和临时支撑相互作用 的一个复杂力学状态转变过程，是结构受力逐渐转移和内力 重分布的过程。临时支撑可以看作为主体结构的弹性约束， 且随着临时支撑的卸载，其弹性约束程度在不断的变化。在 此过程中临时支撑与主体结构从完全接触逐渐转为完全脱 离，即临时支撑由承载状态逐渐转为无载状态，而主体结构 则由支承状态逐渐转为承载状态［７］。
81- 88 卸载 5mm
9
44- 47、52- 55 卸载 2mm
10
所有支撑卸载 15mm
11
所有支撑卸载 20mm
所有支撑卸载 20mm
12
拆除 37、54、55、72 号临时支撑
拆除 47、44、85、62、65、88、81、44 号临时支撑
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剩余所有支撑卸载 20mm
剩余所有支撑卸载 20mm
卸载操作统一协调难度大，各点因为总位移不一致，同 比卸载量变化大。 2.4 结构复杂，卸载计算分析工作量大
为确保整个结构经过卸载后，平稳的从支撑状态向结构 自身承力状态转变，必须对卸载全过程进行详细周密的分 析，并对所取得的理论计算结果进行分析，以指导整个卸载 过程的实施。 2.5 整体结构卸载结果和实际结构可能存在差异
9 63
44
9
46
10 82
43
9
49
11 82
48
9
52
12 82
48
9
52
13 82
42
25
61
14 82
29
25
66
15
25
71
整体结构应力汇总如表 ７，位移变化如图 ７。 随着卸载过程的进行，临时支撑最大支座反力位置由外 圈逐渐向内圈移动，临时支撑最大支座反力呈现先增大后减 小的趋势，最大值发生在工况 ８，此时拆除了外圈径向临时 支撑，大小为 ５１０ ｋＮ。而 永 久 支座 反 力 则稳 步 增 加，由 ３００ ｋＮ 增加到 ７１０ ｋＮ，各工况平均增量 ２７０ ｋＮ。在整个卸载 过程当中，永久支座反力变化均匀，未出现较大突变。 结构最大应力由中心十字桁架转移到径向桁架，最后再
Ｓ＝ γＧＳＧＫ 其中 Ｓ—荷载效应组合；
γＧ—— —永久荷载的分项系数，取 １．２； ＳＧＫ—永久荷载标准值的效应值。 3.2 边界情况
表 1 边界条件概况表
位置
Dx Dy Dz Rx Ry Rz
中间纵向桁架端部 √
√
中间横向桁架端部
√√
其余主桁架端部
√
临时支撑端部 √ √ √ √ √ √
3.3 材料及截面特性 根据结构图纸，世博演艺中心屋盖结构主桁架杆件及其
【作者简介】李冠群（1982- ），男，硕士，助工。联系地址：上海 市中山北二路 2199 号（200083）。
【收稿日期】2009－09－12
2009 年 11 月出版