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曲靖体育场铸钢节点安装控制技术

文档作者：朱文伟1，王剑非2，苏兰忠1，胡勇1，王晓燕2，朱必勇1，邓亮1 文档来源： 1．云南建工钢结构有限公司 2．云南建工集团有限公司，		点击数：	更新时间： 2025年12月15日
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施工技术2016年1月下
40 CONSTRUCTION TECHNOLOGY 第45卷第2期
DOI：10．7672／s舀s2016020040
曲靖体育场铸钢节点安装控制技术
朱文伟1，王剑非2，苏兰忠1，胡勇1，王晓燕2，朱必勇1，邓亮1
(1．云南建工钢结构有限公司，云南昆明654501；2．云南建工集团有限公司，云南昆明654501)
[摘要]曲靖体育场属于复杂大跨度空间结构。其铸钢节点连接杆件较多、荷载较大、受力情况复杂，皆为关系到
整体结构安全的关键部位。加工前运用有限元技术分析铸钢节点在各种受力状态下的应力分布特点、塑性发展过
程、节点破坏机理及节点的极限承载力、进场前铸钢节点材质控制及力学性能检测、安装过程中一系列定位控制措
施的应用，有效地控制了铸钢节点对主桁架变形的影响。工程实践表明，铸钢节点安装控制技术为曲靖体育场大
跨度复杂管桁架屋盖工程的顺利施工提供了保障，切实可行。
[关键词]体育场；铸钢节点；安装；有限元分析；质量控制
[中图分类号]TU758．1 [文献标识码】A [文章编号]1002．8498(2016)02-0040-03
The Cast Steel Joint Installation Control Technology of Qujing Stadium
Zhu Wenweil，Wang Jianfei2，Su Lanzhon91，Hu Yon91，Wang Xiaoyan2，
Zhu Biyon91，Deng Lian91
(1．Yunnan Construction Engineering Steel Structure Co．，Ltd．，Kunming，Yunnan 654501，China；
2．Yunnan Construction Engineering Group Co．，Ltd．，Kunming，Yunnan 654501，China)
Abstract：The steel roof of Qujing Stadium belongs to complicated large—span space structure．The cast
steel joint has more connecting pipes，larger load，complex stress condition，which are key position
related to the overall structural safety．Before processing，finite element analysis method was used to
analyze the stress distribution under every load condition of cast steel joint，the plastic development
process，the joint failure mechanism and bearing capacity，the material control and mechanical
performance checking before cast steel joint approach and the location control method application during
installation，which controlled the influence of cast steel joint on main truss deformation effectively．The
engineering practice showed that the cast steel joint installation control technology made the large-span
complicated tube truss roof successfully completed．
Key words：stadiums；cast steel joints；installation；finite element analysis；quality control
1工程概况
云南曲靖体育场上部为钢结构悬挑罩棚，下部
为混凝土看台及各功能用房，建筑占地面积约4．5
万m2。体育场平面形状近似椭圆，长轴约260m，短
轴约230m；结构外形类似罩棚，东西两端高，南北两
端低，造型类似“马鞍”。结构最大标高35．400m，
东西向径向桁架最大悬挑长度达43m。其结构示意
如图1所示。
体育场屋盖钢结构是由4对88榀类似X形状
+云南省科技计划项目：云南大型复杂钢结构施工控制关键技术及
工程示范研究(2013CA023)；云南省技术创新人才培养项目
(2013HBl05)；昆明市科技计划项目：复杂钢结构屋盖施工模拟关键
技术研究及工程示范(2013-02-02．B·G-02-0004)
[作者简介]朱文伟，总工程师，高级工程师，E．mail：85005807@qq．corn
[收稿日期】2015-06-02
图1 曲靖体育场结构示意
Fig．1 The structure of Qujing Stadium
的主桁架及其之间的侧向杆件、环向支撑组成的空
间结构。每榀x形单元由2榀径向桁架组成，径向
桁架下部、中部、悬挑端均通过侧向构件连接，形成
空间整体受力体系。
万方数据
2016 No．2 朱文伟等：曲靖体育场铸钢节点安装控制技术4l
每榀x形桁架中，许多节点由多根杆件以不同
角度汇集而成，个别节点中连接的杆件数目达到10
根。这些形状复杂的分支节点若采用常规的钢管
相贯节点根本无法满足设计要求，因此采用了铸钢
连接件，以满足节点的受力性能。为减少支撑架的
用量和合理使用大吨位起重机，结合现场情况，对x
桁架拆分成2榀平面桁架和1个A型柱脚桁架3部
分进行安装，拆分点为铸钢节点处。
2铸钢节点安装控制要点
2．1加工前有限元分析
铸钢节点应用于荷载较大、受力复杂的关键部
位，其可靠性直接关系到整个结构的安全。因此掌
握铸钢节点在各种受力状态下的应力分布特点、塑
性发展过程、节点破坏机理及节点的极限承载力是
非常必要的。但是由于此工程中铸钢节点形式多
样，难以寻找一般规律，仅根据《铸钢节点应用技术
规程》CECS235：2008中的一些近似计算公式及初
步的力学性能检测结果难以确定节点是否能够满
足工程要求。鉴于此，工程首先应用通用有限元软
件ABAQUS对铸钢节点进行有限元模拟与分析。
2．1．1 计算模型选取
虽然每榀桁架中铸钢节点的细部尺寸及荷载都
不尽相同，但相同位置节点的大致形式及构造基本一
致。从既要减少分析成本又要保证工程安全的角度
出发，根据结构对称性、悬挑最大、受力较不利等原
则，在铸钢节点中选取1／4结构中悬挑最大1榀桁架
所有节点、其余桁架个别内力较大的铸钢节点进行分
析。铸钢节点选取情况如图2和表1所示。
表1计算节点荷载工况
Table 1 The calculation joint load conditions
选取节点编号荷载控制工况
注：表中D为恒荷载；L为活荷载；LR为屋面活荷载；T—17为
一17。C时温度荷载；T37为37"C时温度荷载
2．1．2 材料特性及单元选取
铸钢节点在正常工作状态下材料一般均处于
弹性阶段，但如果仅对铸钢节点采用弹性分析，只
图2 拟选取计算的节点位置及编号
Fig．2 The position and numbering of selected
calculation joints
能判别其在弹性阶段时的最大应力位置，并不能掌
握节点破坏失效的控制区域及节点的极限承载力，
因此需对铸钢节点的破坏形式和破坏机理研究采
用弹塑性分析。
我国《铸钢节点应用技术规程》条文4．3．6及相
应条文说明指出：“有限元计算实例表明，铸钢材料采
用理想弹塑性模型时的收敛性较差；当采用第二折线
刚度为初始刚度的2％～5％的二折线模型时，计算
结果易收敛于真解。采用弹塑性有限元分析确定节
点承载力时，铸钢材料模型中的屈服强度取材料标准
值。”因此，根据上述规程推荐方法，本工程中模型铸
钢材料采用具有强化刚度的二折线模型，材料的弹性
模量为2．06×105MPa，屈服强度取标准值为300MPa，
强化阶段的切线模量为弹性段弹性模量的2％，极限
强度标准值为480MPa。金属材料的强度校核常采用
第四强度理论，在分析中采用Von Mises屈服准则及
相关联的流动法则。如图3所示。
图3铸钢材料本构模型
Fig．3 The constitutive model of cast steel material
由于塑性区开展过程产生的累积塑性应变较
大，因此对铸钢节点进行极限状态分析时，不仅要
考虑材料非线性问题，还需考虑几何非线性问题。
铸钢节点划分单元时采用四面体单元自由划
分网格，网格精度为15—25mm，采用ABAQUS中
C3D10单元模拟，划分网格后节点单元个数在30万
个左右。
2．1．3边界模拟及加载制度
由于节点管端部在结构中受轴力为主，可忽略
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万方数据
42 施工技术第45卷
剪力及弯矩的影响。在有限元模拟加载时，首先在
轴力最大的支管面上设置固定支座，其余支管上则
将轴向力转化为垂直于铸钢管端部的均布面荷载。
加载时首先对节点施加设计控制工况下的荷载，如
果节点设计工况不止一种，则须分别针对每种控制
工况进行单独分析。在考察了节点在正常设计荷
载下的工作性能之后，按原来荷载进行等比例加
载，直至节点破坏，确定节点的极限承载力并对节
点的相应性能进行研究。
2．1．4 铸钢节点有限元分析结果
根据弹塑性有限元分析可得铸钢节点极限荷
载及与设计荷载的比值(见表2)，其中极限荷载最
大的铸钢节点在设计荷载及极限荷载下的应力分
布如图4所示。
表2铸钢节点极限承载力比值
Table 2 The ultimate bearing capacity
comparison of cast steel joint
a设计荷载下应力分布b极限荷载下应力分布
c极限荷载下内部应力分布
图4典型节点应力分布
Fig．4 The stress distribution of typical joint
由图4可知，本工程中的铸钢节点由于在铸钢
管相贯区域无薄弱界面，均为铸钢节点单支管整体
塑性屈服导致的节点破坏失效，因此采用铸钢节点
可满足工程需要。
2．2进场前材质及力学性能控制
铸钢节点进场前根据工程实际需要严格选材
并进行材料的力学性能检测，保证其满足相应力学
指标。本工程的铸钢节点材质采用G20Mn5N，铸钢
节点出厂皆经过磁粉、超声波及力学性能检测。其
力学性能检测结果为：屈服强度为340MPa，抗拉强
度为542MPa，伸长率为31．0，冲击功AKV(20℃)为
152／168／170J，检测结果满足国家及行业标准要求。
2．3安装过程控制
体育场径向桁架采用“地面拼装成段、跨外分段
吊装、高空对接合拢、结构整体分级同步卸载”的施工
工艺。单组安装顺序如图5所示。铸钢节点吊装步
骤为：安装位置操作平台搭设-+地面绑扎一起吊一空
中粗略就位_全站仪精确定位_点焊加固_汽车式
起重机卸钩一焊接完成。其安装控制要点主要分为
吊前控制、初调控制、吊装后控制3个部分。
鬻曩薷系曩杆 &amp;amp;霸内环移掺架 悬挑桁架1 X窃麦矿＼)／
一于
图5 x形主桁架吊装顺序及铸钢节点分布
Fig．5 The hoisting sequence of X-shaped
main truss and the cast steel joint distribution
2．3．1 吊前控制
高空难以进行就位调整，因此吊装前的地面绑
扎很关键。其控制要点为保证起吊后管口的空间
方位大致正确，方法是用起重机吊离地面约lOcm
用手拉葫芦调节。
2．3．2 初调控制
地面绑扎完成后开始起吊，将与下悬杆相连的
铸钢件管口置于下悬杆，此时起重机不能松钩，用
手拉葫芦调节到大概位置后，根据空间三点确定其
位置的原则，对照预先计算出的铸钢件支管口中心
点坐标，通过用全站仪对节点两个支管中心点位置
观测的方法进行精确定位，经铆工焊接、加固后，方
可松吊钩。
2．3．3 吊装后控制
每对铸钢件安装加固完成之后，采用千斤顶配
合汽车式起重机安装的方法，安装桁架支撑及铸钢
件之间相连的杆杆，以防铸钢件过重导致下部桁架
(下转第81页)
万方数据
2016 No．2 翟卫武：无锡硕放机场雨篷预应力钢拉杆张拉分析与应用8l
4相邻单元之间影响
分析2片雨篷间预应力相互影响时，假定其中
一片雨篷的预应力钢拉杆均已张拉至设计索力，另
一片雨篷由底部钢拉杆至顶部一次性张拉至设计
索力，分析已张拉完成的雨篷钢拉杆索力是否发生
较大变化。结合上述有限元分析模型和钢拉杆编
号，其中1号雨篷为已经张拉完成状态，分析时2号
雨篷拉索由2．3组_+2-2组一2-1组，均张拉至
100％设计索力。图3为2片雨篷预应力钢拉杆
编号。
张拉过程中拉杆索力变化如表3所示。
由上述分析可得，雨篷预应力钢拉杆张拉时相
互间影响较小，结构变形影响也较小。其中预应力
钢拉杆的索力有增大也有降低，增大幅度最大为
2．1％、降低幅度最大为1．7％，因此，该结构雨篷钢
拉杆可采取逐片张拉的施工方法。
表3张拉过程中拉杆索力变化
Table 3 The tensioning rod cable force
changes during tensioning N
图3 2片雨篷预应力钢拉杆编号
Fig．3 The prestressed steel bar numbering of two awning
5结语
本文通过对胎架卸载与张拉顺序、张拉过程中
雨篷单元内部及相邻单元之间结构及索力变化进
行了比较分析，选择了胎架先行卸载、单元逐个张
拉的施工顺序，在张拉过程中对索力及结构变形进
行了监测。结果表明，按照上述原则实施的张拉方
案科学可行，为多组连续单元预应力结构的张拉提
供借鉴经验。
参考文献：
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[7] 赵伯友。周青，朱丹，等．无锡硕放机场二期航站楼扩建工程
钢结构设计[C]／／第十四届空间结构学术会议论文
集，2012．
(上接第42页)
下挠，支撑及系杆必须于铸钢节点完成后当天安装
完毕。支撑及系杆的安装顺序为：优先安装支撑，
然后安装系杆。
3 结语
1)实践证明，在工程的安装过程中，铸钢节点
有限元分析、构件进场前力学性能检测、施工过程
精准定位等一系列技术的应用，为铸钢节点的顺利
施工提供了保障，有效地保证了工程质量，是切实
可行的。
2)在大跨度复杂管桁架的施工中，进行铸钢节
点的有限元分析，分析节点承载力及其破坏模式，
其分析结果对工程安全施工具有重要的指导意义。
3)节点安装过程中，定位控制措施的严格执行
是铸钢节点顺利安装并保证其对整体结构的影响
不超过设计要求的关键。
参考文献：
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