某大悬挑钢屋盖结构设计施工一体化分析

1工程概况

某体育场平面形状为近似椭圆形，外轮廓长轴约267m，短轴约231m，施工完成效果如图1所示，钢屋盖结构示意如图2所示。钢结构屋盖采用大跨度立体桁架和平面桁架结构体系，屋盖最宽处约58m，最窄处约23m，最高点标高44.000m。屋盖内外两侧均悬挑，悬挑长度在11.5~45.6m内，其中西侧最大悬挑45.6m，东侧最大悬挑15.7m。

图1某体育场效果图

图2钢屋盖结构示意

屋盖采用骨架式张拉膜结构，主体钢结构被膜结构包裹，上层龙骨间距3m，采用G5类膜材；下层龙骨间距1.5m，网格膜采用G4类膜材；使整个屋盖结构呈现出云朵的姿态。为了实现该建筑效果，体育场龙骨设计的杆件繁多，龙骨用钢量约1700t，达 到屋盖主体钢结构用钢量的34%之多。

2设计施工一体化分析

2.1施工方案

体育场屋盖钢结构采用分段吊装与高空散装的形式进行安装，主桁架支座前端部分和环向次桁架均采用分段吊装，支座位置杆件及连系杆件采用高空散装。屋盖外围膜结构龙骨采用分块吊装的形式随主体结构安装，部分龙骨在主体结构卸载前安装，剩余部分则在主体结构卸载完成后安装。

该体育场屋盖共设置86个临时支撑点，如图 3所示，考虑现场操作可行性，进行分区多级循环卸载的方式。临时支撑分为9个主桁架分区和9个环向次桁架分区，每级先卸载主桁架支撑，后卸载环向次桁架支撑，直至主体结构完全脱离临时支撑。

图3屋盖临时支撑分区

2.2设计施工一体化分析模型

设计施工一体化分析模型计算分析需要在原设计模型的基础上增加卸载施工阶段步骤，定义施工阶段荷载工况，分析卸载施工过程对结构变形与杆件内力的影响。目前对于钢结构施工过程一体化仿真分析多采用ANSYS或midas Gen软件进行建模，如有学者采用有限元软件ANSYS建立设计施工一体化模型，通过“生死单元”的技术模拟结构施工全过程，周观根等采用midas Gen软件实现了开合屋盖安装过程施工分析。

考虑到刚性钢结构多采用midas Gen软件进行设计分析，且midas Gen软件有施工模拟模块，后处理与规范也可以较好地结合，故本工程采用midas Gen软件建立体育场屋盖结构设计施工一体化分析模型进行计算分析，在原设计模型的基础上定义施工阶段荷载工况、增加卸载施工阶段步骤。

（1）建立分析模型。

采用midas Gen软件建立体育场屋盖结构分析模型，体育场屋盖结构杆件、支撑架立杆和顶部钢梁采用梁单元模拟，腹杆采用桁架单元模拟，立柱底端采用铰接边界条件。

有限元软件中只能考虑杆件的重量，因而计算中将铸钢件、相贯节点以增大自重系数的方式施加于结构中，自重系数取值为1.3。起吊过程中的计算荷载主要为分块自重，由软件自动计算，考虑到起吊过程中的加速度等不利因素，根据GB?50755—2012《钢结构工程施工规范》，取动力系数为1.4。

结构原支座边界约束为固结，支撑点位置设置圆管，圆管刚度与支撑架一致；圆管采用只受压单元模拟，底部采用铰接边界条件。

钢结构屋盖施工过程主要包括以下施工步骤。

第1步：径向主桁架端部散装。

第2步：径向主桁架内侧分段和根部斜撑安装。

第3步：径向主桁架分段位置腹杆补装，根部斜撑拆除。

第4步：分区3、8环向次桁架安装。

第5步：分区3、8系杆安装。

第6步：分区1、4、5、9环向次桁架及系杆安装。

第7步：分区2、6、7环向次桁架及系杆安装。

第8步：合龙缝杆件补装。

第9步：结构分区分级循环卸载。

（2）定义施工阶段荷载工况。

荷载类型：将永久荷载分为附加永久荷载和结构自重，分别对应midas Gen软件荷载组合中的DD（ST）和永久荷载（CS），分析施工过程对龙骨及主结构应力的影响。

（3）增加施工阶段施工步骤。

采用midas Gen进行建模，在原设计模型的基础上增加施工阶段，本项目将施工阶段分为主体结构安装、龙骨安装、分区分级循环卸载等步骤，分析施工过程对结构变形与内力的影响。

3?分析结果对比

3.1?支座反力

为了分析施工中产生的应力对结构支座竖向支撑反力的影响，提取设计施工一体化分析模型和设计模型的支座竖向反力进行对比。两种分析方法各节点处支座竖向反力如图4所示，采用设计施工一体化分析模型，最大竖向支座反力为37?980?kN，最小竖向支座反力为–27?400?kN。采用设计模型计算得到最大竖向支座反力为37?930?kN，最小竖向支座反力为–27?330?kN。两种分析方法所得的支座弯矩，如图5所示，设计施工一体化分析模型中最大支座弯矩为22?651?kN，最小支座弯矩为5?307?kN。设计模型中最大支座弯矩为22?134?kN，最小支座弯矩为5?183?kN。

图5?两种分析方法支座弯矩反力

表明采用设计模型计算所得的支座反力与设计施工一体化分析模型计算所得的支座反力相比差值较小。这是由于体育场为刚性结构，同时施工安装及卸载过程采取了合理措施控制结构变形，最终结构位形与一次成形态位形差别较小，未引起结构内力分布的明显变化。采用设计施工一体化分析所得到的支座竖向反力和弯矩反力值比设计分析得到的竖向反力和弯矩反力值大2?%~4?%，总体来说卸载施工过程产生的内力与变形对结构支座反力的影响较小。

3.2?杆件应力及应力比

将设计施工一体化分析得到的杆件应力及应力比与设计模型分析结果对比。考虑到体育场西侧主桁架悬挑和环向次桁架跨度最大，本工程选取西侧部分构件进行说明，应力比验算构件选取如图6所示。

图6?应力比验算构件选取示意

设计施工一体化模型及设计模型计算所得应力比按区间进行统计，统计结果见表1、表2。

表1?设计施工一体化模型应力比统计

表2?设计模型应力比统计

由表1、表2可知：采用设计施工一体化分析模型应力比高于0.9的构件单元数量占比从2.0%增加到了2.5%，应力比高于0.9的构件单元从87个增加到了106个。可见考虑施工阶段后，高应力比杆件数量增加，继续采用设计模型可能会产生安全隐患。

考虑到卸载过程中下层单元会出现受压，受力较为不利，提取该区段下层龙骨单元进行应力分析，下层单元模型如图7所示，部分下层单元应力如图8所示。大部分杆件设计施工一体化分析与设计分析杆件应力接近，但仍有部分杆件应力存在明显差异，出现拉压转换。

图7下层单元模型示意

图8部分下层单元应力

比较采用不同分析模型对构件应力值的影响，计算两种分析方法下层单元应力差值，计算方法如下。

（1）对于应力值同号的杆件，采用设计施工一体化分析模型得到的杆件应力绝对值减去设计模型得到的杆件应力绝对值，作为下层单元应力差值。

（2）对于应力值异号的杆件直接标注为发生拉压转换，应力差值见表3，下层单元应力差值如图 9所示。

表3应力差值统计表

图9下层单元应力差值

两种分析模型杆件产生的最大应力差值达到140MPa，对部分杆件产生的影响较大。其中，48.1%的下层杆件单元应力增加或发生拉压转换，2.2%的下层杆件应力增加值超过了15MPa，9.4%的下层杆件单元发生拉压转换。采用设计施工一体化分析模型和设计模型进行应力计算部分屋盖龙骨单元应力差值较大，施工阶段将近一半的单元应力增加或出现拉压转换。若忽略施工过程对结构服役阶段的影响可能存在一定风险，因此建议大型空间屋盖钢结构进行设计施工一体化分析，保证结构施工过程和服役阶段受力安全。

3.3结构变形

钢结构屋盖卸载施工过程易对结构位移变化产生影响，基于此提取设计施工一体化分析和设计分析的结构竖向变形云图，如图10、图11所示。荷载标准组合下采用设计分析结构最大竖向位移为176.35mm，采用设计施工一体化分析结构竖向最大位移为172.78mm，结构竖向最大竖向位移减少3.6mm，相对减少2%左右。由于施工阶段引入了临时支撑控制结构变形，在结构成型后整体竖向变形有所减小，这对于施工完成后的竖向位移是有利的。

图10设计施工一体化分析结构竖向变形

图11设计分析结构竖向变形

4体育场钢结构屋盖卸载方案评估

体育场屋盖共设置86个临时支撑点，考虑现场操作可行性，进行分区多级循环卸载。经分析，确定卸载顺序为整体自东西两侧按顺时针方向分级卸载，在每级卸载时，应先卸载主桁架再卸载环向次桁架，卸载点分区、平面布置及编号如图12所示。

图12大跨悬挑体育场屋盖卸载点分区、平面布置及编号

钢结构屋盖设计施工一体化分析卸载步骤如下。

（1）拆除合龙缝支撑和主桁架6~9外侧支撑 拆除。（2）ZHJ3、ZHJ7、ZHJ8支撑架一级卸载10mm。（3）ZHJ4、ZHJ5、ZHJ9支撑架一级卸载10mm。（4）ZHJ1、ZHJ2、ZHJ6支撑架一级卸载10mm。（5）分区3、4、8环向次桁架内侧三角支撑第一级卸载10mm。（6）分区3、4、8平面环向次桁架支撑一级卸载10mm。（7）分区3、4、8外侧环向次桁架支撑一级卸载10mm。（8）分区5、6、9环向次桁架支撑一级卸载10mm。（9）分区1、2、7环向次桁架支撑一级卸载10mm。（10）主桁架二级卸载20mm；环向次桁架二级卸载20mm。（11）第三轮卸载，支撑点最大卸载量20mm。（12）第四轮卸载完成，支撑点最大卸载量25mm。（13）第五轮卸载完成，支撑点最大卸载量30mm。（14）第六轮卸载完成，支撑点最大卸载量35.13?mm。最终完成结构卸载，并拆除支撑。

对比分析钢结构屋盖卸载设计施工一体化分析最终完成态和一次成型结构竖向变形和应力分布。根据卸载分析计算结果，施工完成态位形与一次成型态基本一致，设计施工一体化分析施工完成态结构最大竖向变形为136mm，位于主桁架7和8之间内侧环向次桁架跨中位置。

一次成型结构最大竖向变形为135mm，位于主桁架7和8之间内侧环向次桁架跨中位置。采用设计施工一体化分析卸载完成时杆件最大压应力为117MPa，最大拉应力为79MPa。一次成型结构杆件最大压应力为132MPa，最大拉应力为91MPa，均小于材料强度设计值310MPa，结构受力安全可靠。

施工过程也是结构逐步成形的过程，施工各阶段的刚度、边界条件、所受荷载与原设计结构一次成形过程有较大的差别。这种差别会在构件内部产生附加应力，降低结构构件的安全余量，因而需对卸载施工过程在结构杆件内产生的附加应力比进行分析。

提取设计施工一体化分析最终施工步（考虑卸载不同步）结构各杆件的应力值 σ ₁ ，结构一次成形杆件的应力值 σ ₂ ，并将两者应力差值作为施工过程产生的附加应力值 σ = σ ₁ – σ ₂ ，罩棚钢结构施工完成态杆件应力及附加应力的统计曲线如图13所示。

图13施工完成态杆件应力的统计曲线/MPa

（a）设计施工一体化分析最终施工步结构各杆件应力；（b）结构一次成形杆件的应力；（c）结构一次成形杆件的应力

由图13可知，设计施工一体化分析模型施工完成态结构杆件应力最大值79MPa，设计模型施工完成态结构杆件应力最大值76MPa，附加应力σ最大值为14MPa，绝大多数杆件附加应力小于10MPa。附加应力大于10MPa的杆件总计12根，主要为环向次桁架分区3、8的系杆，所有杆件附加应力均较小。

5结束语

本工程以某体育场钢屋盖为例开展了钢结构设计施工一体化分析研究。主要结论如下。

（1）卸载施工过程对结构支座反力和整体变形影响较小；对结构杆件应力影响较大，考虑施工阶段 后部分杆件应力水平增加或出现拉压转换。对于大型空间钢结构，为保证服役阶段结构安全，需进行设计施工一体化分析并采取合理的施工措施。

（2）对体育场屋盖卸载方案进行了合理性评估，验证了大跨悬挑屋盖采用分区分级卸载，同一分级内先卸载主桁架，再卸载环向次桁架方案是合理的，结构成型后杆件应力水平与设计态基本一致。