仿真技术在大跨度空间钢结构安装中的应用.pdf

第7 期 2 1 10 7 年7 月 广东 土木 与建 筑 GU ANGD0NG ARC HI T E C T URE CI VI L E NGI NE ERI NG N o ．7 J U L 2 0 o 7 仿真技术在大跨度空间钢结构安装中的应用 刘 志 强 广州市第三建筑工程有限公 司 广州5 1 5 0 摘要 佛山岭南明珠体育馆主体结构是 国内首次采 用的斗拱式水平环梁大跨度空 间钢结构 ， 文 中介 绍运 用有 限元法等对钢 结构安装施工全过程 的模拟仿真计算 ． 检验 了安装 方案 的可行性和安全性 ， 并提 出相应的控制措 施 ， 为仿真技 术在 大型复杂 空间钢结构施工 中的应用提供 了参考。 关键词 仿真技术 ；斗拱 式大型空间钢 结构安装 ；关键施工过程分析 近年随着钢结构建筑的快速发展 ． 全新复杂的 结构型式不断涌现 ． 技术含量 日益增高 ， 如会展 中 心、 体育场馆、 高层建筑等大型工程建筑， 用钢量大且 设计新颖并各具特色 ．对施工技术的要求越来越高。 工程施工是一个非常复杂的过程 ， 与施工现场环境 、 工艺、 方法等紧密相关 ， 往往包括了对静动力 、 热力、 磁力等多种因素的分析 ． 依靠传统的施_I工艺和经 验对施工进行可行性分析 、 可靠性判断、 方案优化 、 安全保障等各方面的控制与监测 ． 特别是对结构复 杂的大型空间钢结构安装 中的应变 、 强度和稳定性 很难做到定量分析和全过程动态监控 随着大容量 高速计算机的普及和大型工程仿真分析软件的成熟 和不断推出． 工程仿真模拟技术不仅在工程设计与 分析中得到 了广泛应用 ． 在大型和重要工程施工中 也开始得到推广 ． 为工程技术人员进行施 工过程模 拟实验 、 验证和优化施工方案和施工组织， 得出可靠 真实的技术参数等方面提供了功能强大且方便易用 的分析手段 本文结合广东佛山岭南明珠体育馆大 型空间钢结构安装工程实例 ． 对仿真技术在施工中 的应用方法和效果进行了总结分析和探讨 1 工 程概 况及 施工 方案 广东佛 山岭南明珠体育馆工程 ． 总建筑面积达 7 3 3 5 4 m 2 ， 总投资额近 6亿元 ， 由 3个 1 大 2小 不 同尺度的穹顶钢结构组成． 结构形式为国内首次采 用的斗拱式穹顶大跨度空间水平环梁结构 主馆直 径 1 2 8 ．4 m、 、 高 3 5 ．4 8 m， 共分 l 5层 ； 副馆直径 7 8 ． 4 m、 高 2 6 。4 m， 共分 l 0层 层与层之间通过环梁 内节点处 的钢立柱支承连接 ， 穹体外层设置网格式拉杆． 拉杆 材料为无逢钢管 ， 通过销轴与环梁外节点连接． 最厚 3 4 钢 板达 8 0 ra m， 最 大钢 管 尺寸 为 5 0 0 x 3 0 ， 箱 型 截面 梁最 大 截面 为 4 0 0 x 4 0 0 x 4 0 ． 工 字型截 面梁 最大 尺寸 为 H W4 0 0 x 4 0 O x 2 1 x 2 1 。本 工程总用钢量约 1 万 t ， 水 平环型桁架 多呈箱型或 工 字 型 截 面 ．材质 为 Q 3 4 5 B 。 结 图1 体育馆纲结构模型图 构模型如图 1 所示 ． 其设计和施工具有如下特点 1 设计新颖 ． 结构复杂。穹顶设计引进了斗拱 概念 ． 改变了以往穹顶结构 由拱的旋转体为水平环的 集结体． 即主体桁架采用多层水平环梁和穹外层斜拉 杆形式 ， 属国内首创 。杆件数量超过 2 。 2万根 ， 节点 数量也超过 5 0 0 0个且形态各异 ． 三维汇交 ． 钢构件 的工艺深化 、 加工制作 、 现场拼装和高空安装及施工 测量难 度很 大 2 由于结构的特殊性 ． 安装阶段的结构受力和 设计状况明显不同．施工过程中空间刚度与结构形 成整体后的刚度相差十分悬殊 ． 因此如何选择科学合 理的安装方案和施工工艺． 对确保结构的稳定性与施 工安全． 消除安装变形与误差． 达到设计要求和质量 标准将会产生很大影响 3 施工过程中临时胎架设计与制作安装 ． 结构 卸载时结构体系受力的转换 ． 中心屋顶钢结构液压整 体提升 ．结构变形监测等关键项 目是本工程施工控 制的核心内容 根据钢结构工程的上述特点 ．选择的安装方法 以主馆为例 ， 副馆类似 如下 第 1 9层水平环形 钢桁架采用分段分层划分吊装顺序 ．用大型履带吊 车从场馆外围进行吊装 ．并借助场馆 内设置的临时 框架式支撑胎架作为安装就位的辅助支撑点 ．依次 维普资讯 2 0 0 7 年7 月 第7 期 刘志强 仿 真技 术在大 跨度空间 钢结 构安 装中的 应用 J U L 2 0 0 7 N o ． 7 展开 第 1 1 1 5层为中心屋盖 。 结构近似钢网架 。 在 主场馆 内首层楼面拼装成整体 ． 以设置的塔架作为 提升立柱 ． 采用液压整体提升技术安装就位 ． 最后在 第 9 、 】 1 层钢结构桁架问镶嵌第 1 0层完成对接合拢 为 了提 高大跨度 空 间钢结 构 的安装 方案 的可靠 性和施T技术水平 ． 探索斗拱式新型穹顶结构 的施 工工艺 ． 结合国内外最新钢结构施工技术发展状况 ． 本工程采用了先进的有限元施T仿真技术来解决施 工中的实际问题． 收到了良好 的效果 2仿真模 拟技 术的 应用 用有限元软件模拟施_ [ 过程对方案进行优化 ． 关 键在于选取一个合适的计算程序软件 ． 并将施工过 程假设模拟成与计算程序相适应 的计算模型 ． 其应 用过程 如 图 2所示 图 2计 算机 工程 模 拟 过 程 示 意 图 2 ． 1 纲结 构安 装工况 和工 艺流程 的仿真 模 拟 软件虚拟显现本工程钢结构安装现场环境 ． 使 观察者如身临其境 ． 系统展现了安装工艺流程 ． 大型 吊车布置 、 走向． 临时支撑体系结构形式等以空间立 体 的观察角度和漫游方式 ． 使工程场景更能利用工 程 软件真实反映 施工中 的各种状态并 具有动感 ． 仿真 效果 图略 根据施T模拟情况 ． 评 审方案 的可行性 ． 综 合考虑施T组织和整体部署 2 ． 2 钢结构安装过程 中支撑卸载后整体结构应变 1 分析模型 的建立 根据结构特点和安装方法作如下假定 ① 钢结 构柱脚处采用刚接计算模型 ． 在支撑点处采用单向 铰接计算模型． 主结构全部杆件采用梁柱模型； ②荷 载条件 根据本工程特点． 只考虑钢结构 自重和施工 阶段活荷载的影响 ③验算依据 J G J 6 1 2 0 0 3 网壳 结构设计与施工规程 中的规定； ④结构安装从第 1 层开始 ．按分段吊装环形水平桁架 ．本层环梁合拢 后 ． 向上依次吊装第 2 、 3层直至第 9层结束 。 第 1层 水平桁架作为整个穹顶钢结构体 系的基准受力点 f 与设计的整个体系受力方 向、方式和节点位置相 同 ．重点是环梁三角形断面的上弦内侧受力点的受 力及加固 ⑤第 2层结构以第 1 层为基准 ． 将环梁立 柱直接在第 1 层上弦内侧节点进行定位 ．作为水平 环梁竖向主受力点 ．考虑到分段安装时定位的稳定 性 ． 在 2层上弦内侧与支撑胎架进行稳定支撑 ． 作为 桁架分段的定位辅助受力点 依次安装后续各层的 桁架结构 ； ⑥采用 MI D A S 迈达斯 通用有 限元设计 分析 软件进行 分 析 2 分析 计算 的主要 内容 和结果 ①第 1 9层水平桁架内力和几何形态验算 ． 在 结构模型图上显示最大应力值 、 最大位移及其方向； ⑦第 1 9层安装过程中的结构应变分析结果表 明， 采用此安装方案 ． 结构安装中最大竖 向位移 7 6 ram． 最 大 应 力 1 1 5 MP a ， 受 力 均 衡 。 变 形 较 小 ． 均 在 设 计 允许范围内； ③待中心屋顶提升合拢、 结构封顶、 胎 架拆除后 ．结构体系由支撑状态到设计状态的转换 过程中， 结构整体应力和应变模拟结果见表 1 。 表 1结构 体 系转 换 前 后 内部 应 变 的 结 果 分析显示结果表明． 结构转换成设计状态时 ， 最 大变形发生在主馆与中庭连接区的第 5层 ． 构件承受 压应力为 1 8 9 MP a ． 大球中心屋顶处 向下挠度 7 9 ra m。 大约相当于跨度的 1 ／ 1 6 2 5 ． 小于设计要求的允许值 1 ／ 2 5 0 由于上述挠度值是在整个屋面系统还未履盖 的情况下测得的． 挠度值很小． 因此工程整体完工后 还应 重新 监测 整个 系统 的应 变情 况 2 ． 3 钢结构安装临时支撑结构分析 本工程钢结构安装采用框架支撑体系， 其设计强 度、 稳定性和布置的合理性直接关系到结构安装质量 和施工安 全 ． 是施工 中最重要 的控 制 内容 。经仿真技 术模拟计算分析 ．得出整体临时支撑体系各受力点的 反力值和应变图． 找出最大变形和应力位置 。 进而对 所设计的支撑装置进行加强和优化 支撑胎架的应 力云 图f 略 显 示 ． 最 大应力 部位 在钢结 构 中庭处 ， 为 1 8 4 MP a 压 ． 变形位移为 2 3 ram， 均满足要求。 3 5 维普资讯 2 0 o 7 年7 月 第7 期 广东 土 木与建 筑 J U L 2 0 0 7 N o ． 7 2 ．4钢结构中心屋顶整体提升模拟分析 主馆 中心部位为 l l ～ 1 5层 ． 近似于 网架 结构。采用地面组装、液压整体提升施工技 术 ， 提升总重 3 4 0 t ， 提升高度 3 4 ． 8 m。 屋顶整 体结构模型和提升点布置如图 3所示 ． 共设 置 9个提升塔架 为了保证结构在施工过程 中的强度和稳定性满足要求 ． 采用有限元分析软件 对提升过程中的网架结构和提升塔架等 的内力变 形 、 稳定性和塔架支座反力进行计算分析。 1 计算分析假定 ①作用在结构上的提升力可等效为在各吊点 共 9 个 处施加 z 方向的支座处； ②结构上没有施加外 荷载 ． 只有构件 自重 ． 考虑结构在提升中的动力效应 和附属构件的重量 ． 对结构 自重值乘以 1 ． 2倍的动载 和不均衡系数； ③按网架模型考虑。 2 计算分析结果 ① 由提升过程中的结构应变云图 略 可知。 网 架最大竖向位移 4 8 m m ． 为跨度的 1 ／ 1 0 1 0 。 出现在网 架 中心部． 最大压应力 2 2 6 MP a出现在提升上位置的 一 个腹杆构件上。除了提升位置的竖向个别杆件外． 中心结构的各构件应力都不大．且整体应力分布非 常均匀 。 ⑦ 通过对结构提升过程中的屈曲分析． 得到结 构前十阶的屈曲模态 ． 发现均为局部杆件的屈曲． 未 产生结构的整体屈 曲变形 ． 这是因为 中心结构面外 刚度较大 ． 提升时网架整个重量分布在 9个提升点 上． 因此提升点处局部杆件出现屈曲． 表现为杆件局 部屈 曲失效变形。针对分析结果 ． 可通过局部加固 措施来保证结构的局部稳定性 3 提升塔架的模拟计算分析 屋盖 中心提升 塔架是 整个提 升装置 中最 重要 的 部位 ． 任何一个塔架一旦出现破坏． 就意味着提升失 败 ． 造成不可挽回的巨大经济损失和工程事故 ． 因此 塔架的设计显得非常重要 采用有限元法计算模型 对塔架的强度和挠度进行计算分析 ． 塔架结构为格构 式柱肢。 型钢为 D 2 4 5 1 0 。 竖向设计载荷为 5 9 0 k N． 材 质为 Q 2 3 5 B，屈 服强度 2 3 5 MP a ，设计 强度 厂 2 1 5 MP a ．通过有限元分析软件对 3 D实体模 型进行 强度及变形验算。 建模划分网格和加载 、 运算。分析 结果显示 ， 塔架最大应力为一 1 1 5 MP a ． 向最大位移 为 3 6 m m。主要是柱顶偏心受压所致 ． Z向最大挠度 为 1 6 m m。从分析结果看来 ． 此提升工况下在强度和 稳定性方面结构是安全可靠的 3 6 图 3 中心屋顶整体提升受力点分布 图及计算模型 3 仿 真技 术应 用效果 及其发 展前 景 3 ． 1 应 用效果 本工程钢结构施工方案的设计分析和施工过程 控制 ． 通过采用计算机仿真模拟技术 ． 解决 了大型空 间钢结构安装中最关键 的变形 、 应力和稳定性问题。 有效地保障了工程质量和施工安全 ．钢结构工程整 体验收质量优良．其 中结构挠度实测值 1 6 8 mm． 仅 为设计值的 3 0 ％ 本工程被评为广东省优良样板工 程 ．施工中采用的仿真技术多项先进方法为同类工 程建设积累了借鉴经验 3 ． 2 仿真技术在工程领域 中的应用前景 施工过程的计算机仿真技术是近年来将计算机 技术应用于施工领域的一门新技术 ．是非常有效 的 施工辅助手段 通过对结构施工过程的计算机仿真 动态分析 ． 可有效地对施工方案进行分析和优化 ． 针 对分析结果采取相应的加固和完善措施 ．从而在经 济安全的前提下． 保证施工质量 通过对结构施工全 过程的计算机动态分析和控制。 检验施工工艺 、 程序 和重要部位设计 的合理性 ．提出更科学完备的施工 方案 ， 避免不利 因素的影响。 更好地指导施工生产 。 因此仿真技术在工程领域中有着广阔的应用前景和 重要的实际价值 参考文献 [ 1 ]张波 ， 盛 和太． A N S Y S 有限元数值分 析原理与工程应用 [ M] ． 北 京 清华大学出版社 ， 2 0 0 5 [ 2 ]G B 5 0 2 0 5 2 0 0 1 钢结构工程施工质量验收规范[ s ] [ 3 ]沈祖炎 ， 陈扬骥．网架与 网壳 [ M] ．上海 同济 大学 出版 社 ． 1 9 9 7 维普资讯