临时组合架允许高度 青岛市青春足球场索承网格结构施工过程分析

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【摘要】根据亚洲杯青春足球场索承网格结构特点及施工要求，确定采取分块吊装、高空散装的施工方案，对分块吊装过程中的标准单元进行吊装分析，分析各吊装单元在吊装过程中的力学特性，建立了整个结构的施工仿真模型，对其拼装方案和卸载方案进行了施工全过程分析，研究结构在施工过程中的力学响应规律。

分析结果表明吊装过程中吊装单元的应力比较低，结构处于弹性工作状态，吊装方案可以满足施工安全和装配精度的要求；结构拼装与卸载过程中更大应力比均在0.4以下，变形满足跨度的1/400的规范控制要求。

本工程所制定的施工方案合理，研究成果可以为结构施工安全和精度控制提供理论指导。

0 引言

亚洲杯青春足球比赛场位于山东省青岛市城阳区，总建筑面积19.2万m2。本项目主体为1座5万座的专业足球场，定位为大型甲级体育场，其各项建设标准应满足高水平足球赛事及其他国际A级赛事关于比赛场馆的相关标准、规定以及国内相关设计规范的要求。

足球场平面轮廓尺寸215m×254.2m，屋盖更高51.5m，主体结构地下1层，地上共4层。还包括2块训练场地，1座多功能馆，1座游泳训练馆，亚洲杯青春足球场整体如图1所示。

图1 亚洲杯青春足球场整体

1 工程概况

1.1结构简介

足球场索承网格结构南北向约为254.2m，东西向约为215m，索承网格结构模型图如图2所示。

图2 索承网格结构模型

足球场屋盖由3部分组成，分别为

①赛场内区域看台罩棚，采用大开口车辐式索承网格结构，该区域节点主要采用刚接节点，对接焊缝连接；

②赛场外围屋盖，采用单层网壳结构，该区域节点采用对接焊缝及相贯节点连接；

③足球场四面大开口区域，该区域采用立体桁架结构，该区域节点采用相贯节点连接，足球场剖面示意图，如图3所示。

图3 足球场剖面示意

屋面结构为车辐式索承网格结构，上弦径向梁为矩形钢管，径向梁末端设置矩形钢管环梁，屋盖下弦结构由撑杆、径向拉索和环索组成，由36组(其中24组?120、12组?100)径向索，1组环向索(6根?110)组成，屋盖主体结构钢材材质为Q355C和Q420C。

屋盖索成网格单元效果如图4所示，索承网格结构构件包括径向主梁、径向次梁、外压环梁、联系杆件、撑杆、径向索、环向索、环梁、斜撑等。

图4 屋盖索成网格单元效果

索承网格结构通过预埋于压型环梁的弹性球形支座支撑于主体结构，解决了索承网格结构受力不均匀和温度变化对下部主体结构的影响问题，屋盖及外立面网格生根节点如图5所示。

图5 屋盖及外立面网格生根节点

主要杆件截面尺寸如表1所示，主次梁主要截面为矩形钢管，拉索撑杆为圆钢管，屋面拉杆为实心钢圆杆，拉索为高钒镀层密闭索。

1.2 结构受力特点

大开口车辐式索承网格结构为自平衡张拉结构体系，充分发挥拉索的高强材料特性，也大幅减小对主体结构的作用，可经济有效地实现较大的跨度，获得简洁、轻盈的建筑效果；网架既作为赛场外围屋盖，又起到索承网格结构的外压环作用。

大开口车辐式索承网格结构借鉴了车辐式张拉索桁架结构，及张弦梁结构的受力特点，是新型自平衡杂交结构。

该结构体系上弦为刚性单层网格，下弦为车辐式布置的张拉索杆体系；沿环索设置连接环索和上弦单层网格的斜撑杆，形成立体内环带桁架；结合建筑采光带的需求，最内环设置内环悬挑网格。

该结构体系的受力机制如下通过张拉下弦拉索在撑杆中产生向上的支撑力，对上部单层网格形成弹性支撑；上弦单层网格自身形成一个宽度很大的压力环，且看台外部的网架及南北向三角形巨型桁架也共同构成一个外压环，进一步增大了水平刚度，可有效抵抗径向索产生的水平力，结构为一自平衡结构体系。

1.3 施工方案介绍

根据结构形式和 安装方案，大部分构件需要在现场拼装成吊装单元后进行吊装，主要为屋面轮辐式索承网格径向主钢梁以及外立面钢网格的拼装。

足球场车辐式索承网格上弦为刚性单层网格，下弦为车辐式布置的张拉索杆体系，每道径向索上侧设置4根垂直撑杆，径向索锚固于外环梁上；沿环索设置连接环索和上弦单层网格的斜腹杆，形成内环带桁架；拉索采用车辐式布置形式即沿径向设置36道径向拉索，并沿环向布置1道环索。

径向次梁采用分段运至现场、地面拼装、整根吊装，单根径向次梁设置两个临时支撑胎架；径向主梁及其下方的撑杆、环梁及斜撑全部散件发至现场，地面组成吊装单元进行吊装。

屋面索承网格结构施工如图6所示，外立面网格钢结构如图7所示，共计分8个施工区。

图6 屋盖索承网格钢结构施工

图7 外立面网格钢结构施工

各区均按指定拼装顺序进行分片吊装，整体施工顺序屋面轮辐式索承网格钢结构周圈外压环梁外场分段吊装→外立面网格分块吊装→屋面径向次梁吊装→屋盖次结构分块吊装。

2 吊装单元分析

2.1施工方案选取及吊装单元划分

考虑到结构对施工精度要求较高，综合各种施工方案特点，并结合相应的工期安排，最终确定采取分块吊装、高空散装的施工 进行施工。该法可增加工厂和地面的拼装量，减少高空焊接量和高空作业，从而提高施工效率和精度，有效地保证施工质量和进度。

在施工过程中，各杆件的内力会发生变化，甚至由于个别杆件受力与其在整体受力中不同，会导致杆件出现拉压杆的转化，导致杆件失稳或者超应力，以及施工过程中部分结构在施工过程中变形过大满足不了结构设计要求，以及不满足施工过程质量控制，危及施工安全。

，为了确保结构施工阶段的安全及正常使用阶段的安全，按照实际施工顺序进行结构分析是十分必要的。

本工程足场索承网格结构类型基本相同，现以图示说明大体说明索承网格吊装顺序，施工安装步骤如图8所示。

图8 整体施工安装步骤

施工顺序外压环梁在外场进行分段吊装(图8a)→径向次梁整根吊装(图8b，8c)→径向主梁及撑杆、环梁及斜撑分段组成吊装单元进行吊装(图8d，8e)→V型斜撑待拉索张拉完成后进行安装(图8f)。

2.2 计算模型

通常整体结构是依其在使用阶段可能遇到的荷载产生的效应进行设计的，设计结果一般能够保证结构整体在正常使用状态及极限状态下的性能要求。

，实际上建筑物是逐根构件或逐块子结构施工构筑的，结构在施工过程当中的荷载和荷载效应均不同于整体结构，这种施工期间的结构系和施工后结构系的不同，会导致结构分析结果与实际的结构效应存在相当大的差异。

施工阶段计算的模型概念有两种一种是累加模型概念，一种是独立模型概念。累加模型的概念就是下一个阶段模型继承了上一个阶段模型的内容(位移、内力等)；独立模型的概念就是每个施工阶段均按当前施工阶段的所有荷载、当前模型进行分析，然后作为当前施工阶段的分析结果，两个施工阶段分析结果的差作为累加结果。

累加模型适合于安装过程中前、后阶段衔接紧密的施工 ，比较能够真实的反映此类 的施工过程，而独立模型适用于分块吊装(每块刚度要足够大)及高空散装等施工过程中位移较小的情况。

考虑到计算量与计算效率的因素，在三维有限元整体模型中，需要按照真实结构中不同部分构件的位置及其功能，用不同单元类型进行模拟。在本工程中杆件根据具体受力情况和结构类型用梁单元、桁架单元来模拟。

2.3 施工阶段验算计算假定

施工阶段验算计算假定

①假定材料的力学特性不随时间的改变而发生变化，即本次计算所选用的材料均为非时间依存性材料；

②计算单元的产生和解除应与相应的施工阶段一致；

③荷载的施加和解除应与相应的施工阶段一致；

④边界条件的变化应与相应的施工阶段一致；

⑤边界条件根据结构实际并进行一定的简化取值；

⑥边界条件一旦产生，其位置不再发生变化，但可根据不同的施工阶段而退出计算；

⑦结构整体分析的作用包括结构自重、附加恒荷载、活载、风荷载、雪载、温度作用、地震等。

，结构在施工过程中，所受荷载时间短，有些作用影响比较弱，比如地震作用，施工阶段仅考虑结构自重、风荷载及温度作用等工况。

2.4 外立面钢网格典型单元吊装及吊索吊具验算

本工程外立面网格的杆件自重由程序自动统计，自重系数按照1.1考虑。模型中只考虑施工阶段(自重)为标准荷载组合1.0D；其中D为被安装结构构件自重，由程序自行考虑。

图9 外立网架吊装单元位移、应力云图及拉索力

如图9所示，外立网架位移云图(Dxyz)更大值42.7mm，外立网架高度为31.75m，按照规范要求，42.7mmlt31750/250=127mm，位移变形满足规范要求。外立网架吊装单元应力云图更大值44MPa，应力比0.15，应力满足要求。

外立网架吊装单元吊装拉索力更大值198kNlt1109kN，拉索应力满足要求。

图10 外立面网格施工阶段位移、应力比云图

如图10所示，施工阶段的更大位移108.4mm，入口拱桁架跨度为72m，按照规范要求，108.4mmlt72000/250=288mm，位移变形满足规范要求。安装过程中，结构杆件的更大强度应力为178.4N/mm2，应力小于295N/mm2，稳定、强度组合应力比更大值0.51，满足规范要求。

2.5 屋面索承网格典型单元吊装及吊索吊具验算

如图11所示，位移云图更大值37mm，径向次梁更大长度为51.5m，按照规范[11]要求，37mmlt51500/250=206mm，位移变形满足规范要求。应力云图更大值20MPa，应力比为0.07，吊装拉索力更大值137kNlt1109kN，径向次梁应力及吊装拉索满足要求。

图11 屋面索承网格径向次梁位移、应力云图及拉索力

2.6 屋面索承网格施工阶段验算

本工程屋盖网架的杆件自重由程序自动统计，自重系数按照1.1考虑。模型中只考虑施工阶段(自重)为标准荷载组合1.0D；其中D为被安装结构构件自重，由程序自行考虑。

图12 屋面索承网格施工阶段位移、应力比云图

如图12所示，施工阶段的更大位移为Dz64.5mm，悬挑跨度为67.2m，按照规范要求，33.19mmlt67200/400=168mm，完全满足规范要求。

安装过程中，结构杆件的更大强度应力为136.1N/mm2，应力小于295N/mm2，满足要求。稳定、强度组合应力比更大值0.4，完全满足规范要求。

2.7 支撑架验算

如图13a所示，内圈胎架应力云图，更大应力为103.1MPa，应力比0.35，胎架更大高度48.4m，按照规范要求，更大位移为16mmlt48400/400=121mm，满足规范要求。如图13b，13c所示，外圈胎架应力云图，更大应力为99MPa，应力比0.34，更大位移为12.4mmlt48400/400=121mm，屈曲模态7.6，满足规范要求。

图13 内、外圈胎架应力云图位移、应力比云图

3 卸载分析

3.1 支撑架拆除原则

支撑架拆除原则

①钢结构安装完成后，支撑架拆除前，必须对整个结构进行全面检查，经总包、监理、设计等相关单位验收通过后方可进行临时支撑架的拆除。

②在临时支撑架的拆除过程中，将安装时由临时支撑架承担的荷载逐步加载到结构上，最终实现结构自身受力，临时支撑退出工作，即结构卸载。

③临时支撑架的拆除将根据结构在自重作用下的挠度值，采用分级同步卸载。每级支撑点卸载位移值详见卸载分析计算。卸载工程中，必须做到缓慢卸载。

④在临时支撑点卸载拆除之前，应对结构受力进行验算，将验算结构作为结构卸载的理论依据。

3.2 支撑架卸载流程

本工程足球场钢结构屋盖面积大、悬挑大，且张拉完成后结构与支撑架体不能脱胎，卸载后结构下挠近300mm，索承结构安装完成后需进行结构卸载，且卸载点较多、面广，整体卸载控制困难。

图14 胎架千斤顶支撑

胎架千斤顶支撑，如图14所示，结构卸载将以理论计算为依据、以变形和结构内力控制为核心、以测量控制为手段、以平稳过渡为目标，采用较为成熟的液压卸载 进行同步卸载，并对卸载的过程进行实时监控。

1)将所有设备连通，检查卸载点准备工作。

2)启动泵站，千斤顶活塞上升，将卸载点处钢结构顶起，使钢结构脱离垫板，此区域的受力完全由千斤顶支撑。

3)按照卸载要求的位移量撤去垫板，千斤顶活塞缓慢下降。

4)钢结构与胎架支撑完全脱离，即卸载完成。

4

1)本工程采取分块吊装、高空散装的施工方案，各区均按指定拼装顺序进行分片吊装，整体施工顺序屋面轮辐式索承网格钢结构周圈外压环梁外场分段吊装→外立面网格分块吊装→屋面径向主梁吊装→屋盖次结构分块吊装。

2)索承网格结构对分块吊装过程中的标准单元进行吊装分析，结果表明，所有单元吊装过程中更大应力比为0.15，更大竖向变形为向下42.7mm，结构处于弹性工作状态，可以满足施工安全和施工精度控制的要求，分片单元划分合理；分析给出了吊装所需更大索力，为吊索的选取提供了理论依据。

3)建立了整体结构施工仿真模型，对施工方案进行了全过程模拟，分析结果表明吊装过程中吊装单元的应力比较低，结构处于弹性工作状态，吊装方案可以满足施工安全和装配精度的要求；结构拼装与卸载过程中更大应力比均在0.4以下，变形满足小于跨度的1/400的规范控制要求。

4)内、外圈胎架更大应力比0.35，更大位移为16mm，屈曲模态7.6，支撑胎架符合受力要求。

本文转自《亚洲杯青春足球场索承网格结构施工过程分析》，作者王修军，黄运昌等；仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！

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