體育場鋼結(jié)構(gòu)吊裝工況分析（32頁）

1、體育場鋼結(jié)構(gòu)吊裝工況分析在鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中有如下工況需要分析：安裝用支承臺架的穩(wěn)定性分析；結(jié)構(gòu)體系的變形分析；卸載過程的力學(xué)分析。1.安裝用支承臺架的穩(wěn)定性分析1.1屋面支承臺架1.1.1屋面支承臺架的布置屋面支承臺架采用壁厚12mm、外徑609mm的鋼管，在四分之一體育場范圍內(nèi)共有四十個(gè)支撐點(diǎn)，上部支承屋面箱梁，下部固定于混凝土看臺結(jié)構(gòu)。鋼管支承臺架之間采用槽鋼在水平向和斜向拉接，布置圖見圖1；圖2是支承臺架與屋面箱梁的位置關(guān)系示意圖。根據(jù)計(jì)算，在施工和支撐卸載過程中，屋面支承臺架可能受到的最大軸力為500kN。圖1 支撐布置圖圖2 箱梁與支撐位置關(guān)系1.1.2計(jì)算模式采用Ansys程序計(jì)算

2、上述支承系統(tǒng)的穩(wěn)定性，計(jì)算內(nèi)容包括系統(tǒng)的理想狀態(tài)分支失穩(wěn)模態(tài)和考慮缺陷和材料非線性、大變形的非線性穩(wěn)定分析。圖3圖5為結(jié)構(gòu)承受臺架頂部集中力作用下第1第3階失穩(wěn)模態(tài)，其后幾階模態(tài)與前三階模態(tài)有類似的表現(xiàn)。失穩(wěn)模態(tài)揭示了在東西向箱梁下的臺架由于一個(gè)方向沒有約束而比較容易產(chǎn)生失穩(wěn)，這與實(shí)際情況相符合。計(jì)算表明第一階模態(tài)下的屈曲臨界荷載為945kN。圖3 第一屈曲模態(tài)（屈曲荷載945kN）圖4 第二屈曲模態(tài)（屈曲荷載1950kN）圖5 第三屈曲荷載（屈曲荷載2659kN）非線性穩(wěn)定分析的計(jì)算模型采用一致模態(tài)法建立。按照第一失穩(wěn)模態(tài)的位移模式，該模型考慮了最大處3cm的初始誤差。材料屈服應(yīng)力取為210

3、MPa。圖6為在結(jié)構(gòu)施加遞增荷載時(shí)，最大位移點(diǎn)的側(cè)向位移曲線。從該曲線可以知道，結(jié)構(gòu)在725kN時(shí)開始發(fā)生屈曲，而最大可承受荷載為1070kN。在承受額定的500kN時(shí)，側(cè)向變形為27mm。圖7為最后位移不收斂狀態(tài)前，將要屈曲支撐的應(yīng)力分布圖。圖8為屈曲發(fā)生前的結(jié)構(gòu)位移圖。屈曲桿件與理想狀態(tài)模態(tài)分析一致。圖6 非線性穩(wěn)定結(jié)果：分析軸力位移關(guān)系圖7a 非線性穩(wěn)定分析：屈曲桿件應(yīng)力（單位：10e-6Mpa）圖7b 非線性穩(wěn)定分析：臨界狀態(tài)支撐系統(tǒng)應(yīng)力分布（單位：10e-6Mpa）圖8 屈曲臨界狀態(tài)變形圖1.1.3計(jì)算結(jié)果上述計(jì)算表明，屋面箱梁下部支承臺架具有足夠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以承受施工、分步卸載過程

4、中的支撐軸力，穩(wěn)定安全系數(shù)在1.45以上。1.2主拱支承臺架系統(tǒng)1.2.1支承臺架布置主拱支承臺架系統(tǒng)由桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)成，平、豎撐為L14014014的角鋼組成，斜撐為L60608的角鋼組成，每組支承臺架由兩個(gè)空間桁架支撐拱段重量，1、2、3號臺架旁邊并配有類似桁架組成的操作平臺，并作為主支承臺架的穩(wěn)定體系。臺架下部用大型鋼梁將豎向荷載直接傳遞給相鄰的混凝土柱，上部采用三點(diǎn)與主拱相接。選取典型的2號臺架進(jìn)行了穩(wěn)定計(jì)算，臺架圖為圖9，臺架與主拱、相鄰箱梁的位置關(guān)系見圖10。圖9 2號主拱支承臺架計(jì)算模型圖10 主拱支承臺架與主拱、箱梁位置關(guān)系1.2.2穩(wěn)定計(jì)算與屋面支承臺架一樣，對主拱支承臺架進(jìn)行分

5、支屈曲模態(tài)分析和非線性穩(wěn)定分析。在分支屈曲模態(tài)失穩(wěn)分析中，按照三個(gè)支承點(diǎn)實(shí)際情況中受力大小的比例關(guān)系，在支承點(diǎn)處施加初始荷載，并籍此進(jìn)行屈曲分析，圖11是該項(xiàng)分析得到的第一失穩(wěn)模態(tài)，其臨界荷載為3830kN。圖11 第一失穩(wěn)模態(tài)在非線性穩(wěn)定分析中，材料屈服應(yīng)力取為210MPa，考慮與第一模態(tài)相似的初始位移干擾，最大干擾位移為40mm。在支承點(diǎn)施加的三個(gè)集中力數(shù)值之間的比例關(guān)系按照支撐受力時(shí)的實(shí)際情況進(jìn)行施加。圖12是臺架頂點(diǎn)側(cè)向位移與支撐總反力之間的關(guān)系，在總荷載達(dá)到1277KN時(shí)，計(jì)算結(jié)果不收斂，說明支承臺架結(jié)構(gòu)不能繼續(xù)承載。圖13時(shí)臨界狀態(tài)的變形圖。由圖13可見，非線性計(jì)算得到的變形與模態(tài)

6、分析得到的一致。圖14反應(yīng)了臨界狀態(tài)應(yīng)力分布。從圖14可見，臨界狀態(tài)支撐的角部構(gòu)件基本上整體受壓，全截面達(dá)到材料屈服，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)喪失穩(wěn)定性。正是由于材料屈服，使得非線性計(jì)算得到的臨界荷載比模態(tài)失穩(wěn)分析得到的小得多。圖12 支承臺架系統(tǒng)頂點(diǎn)側(cè)向位移與臺架總反力關(guān)系圖13 非線性分析的臨界變形圖14a 臨界狀態(tài)臺架桿件應(yīng)力分布（單位：10e-6Mpa）圖14b 臨界桿件應(yīng)力分布（單位：10e-6Mpa）1.3.1計(jì)算結(jié)論本工程中，主拱支承臺架在施工和分步卸載過程中受到的最大壓力為1000kN左右，因此，主拱支承臺架具有1.48的穩(wěn)定安全系數(shù)。2.體系的變形分析2.1自重+附加靜載（去除部分后裝環(huán)

7、梁）環(huán)梁撓度計(jì)算整個(gè)結(jié)構(gòu)撓度分布圖（單位：m）主梁撓度分布圖（單位：m）2.2自重+附加靜載（去除部分后裝環(huán)梁）環(huán)梁反拱計(jì)算整個(gè)結(jié)構(gòu)撓度分布圖（單位：m）主梁撓度分布圖（單位：m）環(huán)梁分布圖環(huán)梁上節(jié)點(diǎn)分布圖環(huán)梁上的反拱值(m)NODE UZ(m)NODE UZ(m)2950.454661012.84E-022980.456531230.235863060.454141300.216663100.442121370.196533140.423051440.169663180.406931500.145523220.39631560.119173290.39032520.259933330.384

8、542560.262953370.371542660.255783410.348462730.244123450.320375429.60E-025484.86E-035501.50E-028136.36E-02注：NODE對應(yīng)上圖中節(jié)點(diǎn)，UZ表示節(jié)點(diǎn)對應(yīng)反拱值。2.3各支承點(diǎn)的反拱值2.3.1屋面支承40個(gè)支承點(diǎn)的反拱值(m)支承點(diǎn)編號UX(m)UY(m)UZ(m)USUM(m)1-0.01100.1030.1042-0.02600.1770.1793-0.04600.2960.34-0.04600.2940.2985-0.02600.1740.1766-0.012-0.0010.1020.

9、1037-0.04600.2910.2958-0.02600.170.1729-0.013-0.0010.10.10110-0.04600.280.28411-0.026-0.0010.1610.16312-0.011-0.0020.0850.08613-0.04600.270.274支承點(diǎn)編號UX(m)UY(m)UZ(m)USUM(m)14-0.027-0.0020.1510.15315-0.013-0.0030.0820.08316-0.013-0.0050.0660.06717-0.045-0.0010.2530.25718-0.026-0.0030.1360.13819-0.045-0

10、.0010.2360.2420-0.027-0.0040.120.12321-0.044-0.0020.2140.21822-0.026-0.0060.0990.10223-0.036-0.0030.1460.1524-0.026-0.0080.0850.08925-0.033-0.0050.1190.12426-0.023-0.010.060.06527-0.029-0.0060.0960.10128-0.02600.0950.09829-0.012-0.0160.0240.03240-0.0160.0290.0930.09930-0.0110.0030.0410.04231-0.0080.

11、0120.0430.04532-0.0040.0220.0430.04933-0.0020.0290.0480.056340.0010.0430.0630.076350.0010.0340.0440.056360.0020.0450.0490.067370.0010.0530.0650.084380.0020.0480.050.0693900.0510.0530.0742.5.2主拱支承點(diǎn)的反拱值支承點(diǎn)UX（m）UY（m）UZ（m）USUM（m）10.021-0.00280.18240.183620.0312-0.00170.13270.136430.07290.00690.12440.144

12、340.0118-0.00860.12420.12550.02-0.00680.08240.08560.05620.01020.07530.094570.0011-0.01630.04830.05180.0018-0.01630.01060.019590.0254-0.00220.00580.026110-0.0144-0.01770.0180.02911-0.0151-0.01090.01570.024412-0.0147-0.01410.01520.025413-0.0684-0.01740.05190.087614-0.0542-0.01310.04860.073915-0.0512-0

13、.01530.03460.06373.卸載過程的力學(xué)分析3.1屋面先卸載、主拱后卸載屋面先卸載、主拱后卸載，即：先拆屋面梁臨時(shí)支承臺架，后拆主拱臨時(shí)支承臺架。3.1.1施工過程如下：LOAD1：屋面梁和主拱兩套臨時(shí)支承臺架都已設(shè)置好，主拱安裝完畢，還未安裝吊索。LOAD2：安裝完吊索狀態(tài)。LOAD3：拆除屋面梁一區(qū)支承臺架。（臺架號碼：1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，17，18）LOAD4：繼續(xù)拆除屋面梁二區(qū)支承臺架支撐號碼：19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29）LOAD5：繼續(xù)拆除屋面梁三區(qū)支承臺架，此時(shí)屋面梁支承臺架

14、全部拆除。（臺架臺架號碼：，30，31，32，33，34，35，36，37，38，39，40）LOAD6：拆除主拱支承臺架5。LOAD7：繼續(xù)拆除主拱支承臺架4。LOAD8：繼續(xù)拆除主拱支承臺架3。LOAD9：繼續(xù)拆除主拱支承臺架2。LOAD10：繼續(xù)拆除主拱支承臺架1。此時(shí)所有臨時(shí)支承臺架全部拆除。3.1.2計(jì)算結(jié)果如下：各工況作用下主拱支承臺架變化：圖表橫軸數(shù)值：1-主拱支承臺架1中1500*1500部分2-主拱支承臺架1中3000*1500部分3-主拱支承臺架2中1500*1500部分4-主拱支承臺架2中3000*1500部分5-主拱支承臺架3中1500*1500部分6-主拱支承臺架3中

15、3000*1500部分7-主拱支承臺架4中1500*1500部分8-主拱支承臺架4中3000*1500部分9-主拱支承臺架5中1500*1500部分10-主拱支承臺架5中3000*1500部分圖表縱軸代表對應(yīng)橫軸支撐的各立桿軸力之和。屋面梁支承臺架全部拆完即對應(yīng)于LOAD5狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的位移圖（圖9）及軸向應(yīng)力圖（圖10）圖9位移圖（單位：M）圖10軸向應(yīng)力圖（單位：N/M2）支承臺架全部拆完后即LOAD10狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的位移圖（圖11）和軸向應(yīng)力圖(圖12)圖11位移圖（單位：M）圖12軸向應(yīng)力圖（單位：N/M2）3.2主拱先卸載、屋面分區(qū)卸載主拱先卸載、分區(qū)卸載，即：先拆除主拱臨時(shí)支承臺架，再

16、分區(qū)拆除屋面臨時(shí)支承臺架。各工況文件夾中的圖分別表示：1號圖為 主拱(屋面梁)z向的位移圖 2號圖為 主拱的應(yīng)力圖 3號圖為 拉桿的軸力圖拉桿是從主拱的跨中向外依次編號,而在同一平面上的各桿則從左向右編號.3.3主拱先卸載，屋面分級分批卸載3.3.1模型建立此結(jié)構(gòu)分析采用ANSYS有限元程序進(jìn)行計(jì)算。由于結(jié)構(gòu)對稱，取1/4結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。所建模型如圖1。不帶主拱支承臺架的模型見圖2，不帶主梁支承臺架的模型見圖3。根據(jù)施工方案設(shè)置屋面梁臨時(shí)支承臺架（共40道）和主拱臨時(shí)支承臺架（自拱腳至拱頂依次為15）。計(jì)算過程中所加荷載為構(gòu)件自重。3.3.2 施工方案（先拆主拱臨時(shí)支承臺架，后拆屋面梁支承臺架分

17、級分批拆除）屋面支承臺架卸載采取同步分級分批進(jìn)行，支承臺架卸載分三批操作：第一批：3、4、7、10、13、17、19、21、23、25、27、28、40；第二批：1、2、5、6、8、9、11、12、14、15、16、18、20、22、24、26、29；第三批：3039。根據(jù)屋面支承臺架各支承點(diǎn)的屋面變形量分級卸載，卸載步驟：第二批支承臺架的千斤頂卸載總行程的10%；（2）第一批支承臺架的千斤頂卸載總行程的10%；（3）第二批支承臺架的千斤頂卸載總行程的20%；（4）第一批支承臺架的千斤頂卸載總行程的20%；（5）第二批支承臺架的千斤頂卸載總行程的30%；（6）第一批支承臺架的千斤頂卸載總行程的

18、30%；（7）第二批支承臺架的千斤頂卸載總行程的40%；（8）第一批支承臺架的千斤頂卸載總行程的40%；（9）第二批支承臺架的千斤頂卸載總行程的50%；（10）第一批支承臺架的千斤頂卸載總行程的50%；（11）第二批支承臺架的千斤頂卸載總行程的60%；（12）第三批支承臺架的千斤頂卸載總行程的20%；（13）第一批支承臺架的千斤頂卸載總行程的60%；（14）第二批支承臺架的千斤頂卸載總行程的70%；（15）第一批支承臺架的千斤頂卸載總行程的70%；（16）第三批支承臺架的千斤頂卸載總行程的40%；（17）第二批支承臺架的千斤頂卸載總行程的80%；（18）第一批支承臺架的千斤頂卸載總行程的80%；（19）第三批支承臺架的千斤頂卸載總行程的600%；（20）第二批支承臺架的千斤頂卸載總行程的90%；（21