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曲靖体育场钢屋盖安装过程及模拟分析

文档作者：何荣1，周锋1，童乐为1，陈以一1，朱文伟2 文档来源： 1．同济大学土木工程学院 2．云南建工钢结构有限公司		点击数：	更新时间： 2025年12月15日
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2013年9月上
第42卷第17期
施工技术
CONSTRUCTl0N TECHNOLOGY 121
DOI：lO．7672／s舒s2013170121
曲靖体育场钢屋盖安装过程及模拟分析枣
何荣1，周锋1，童乐为1，陈以一1，朱文伟2
(1．同济大学土木工程学院，上海200092；2．云南建工钢结构有限公司，云南昆明650224)
【摘要】曲靖体育场钢屋盖为大跨悬挑管桁架结构，采用“地面拼装成段、跨外分段吊装、高空对接合龙”的施工工
艺。钢屋盖结构受安装路径效应影响较大，故采用sAP2000非线性施工模块按实际逐榀安装平面桁架模拟安装过
程。研究表明，大部分构件应力比集中在O～0．1，具有富足的施工安全储备；钢屋盖的“x”形单元在安装过程中的
相对独立性较好，冬季降温对体育场施工影响不大。
[关键词】安装；钢结构；施工效应；模拟
[中图分类号】Tu758．11 [文献标识码]A [文章编号】1002-8498(2013)17-0121Ⅲ5
Simlllation Analysis and Erection Process of the
Steel Roof for Qujing Stadium
He R0n91，ZhOu Fen91，TOng Leweil，Chen Yiyil，Zhu Wenwei2
(1．co讹扩矿c涮Z E昭E聊e矗增，％，硒i‰沁阽渺，．s^口哪威200092，ClIIino；
2． 地肌彻co琳f九‘c如凡E增inee打增跏ef＆m甜扯陀co．，厶d．，勋nmi增，地n加n 650224，饥in口)
Abstract：The steel roof of Qujing stadium is a 1arge-span suspended pipe trIlss stllJcture．The stlllcture
was assembled into segments， hoisted outside the plan， and closed in the air． The impact of process
can’t be neglected， so the erection process w鹊simulated and analyzed by SAP2000． Simulation on
every installation step of plan tmss agrees with actual situation． The result shows that tlIe stress mtio of
most members is between 0 and O．1．The“X"8tmcture unit is relatively independent to each other． The
low tempemture in winter has litⅡe innuenee on tlle constmction．
Key words：instaLllation；steel stlllctures；construction ea．ect；simulation
国家体育中心“鸟巢’’为我国复杂大跨钢结构
提供了丰富的设计和施工经验，同时随着各类大跨
体育场的涌现，施工人员对施工技术和施工过程中
体现出来的诸多技术问题和力学问题也越来越重
视。建筑的施工过程是结构体系、荷载、边界条件
都不断变化的过程，具有结构时变、材料时变和边
界时变的特点，“路径”和“时间”效应直接影响施工
阶段和使用阶段结构的受力性能⋯。大跨钢结构
施工效应更加明显，不考虑施工效应将有可能导致
结构局部破坏、刚度退化甚至稳定性失效引起整体
垮塌，或者导致竣工后的结构强度未能达到设计要
求，造成安全储备降低呤1。根据有关部门不完全统
计，我国约有2／3以上的工程结构倒塌事故发生在
施工阶段¨1。
·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)
[作者简介】何荣，硕士研究生，E·mail：山eIong@126．com’
【收稿日期】2013．ol-22
施工过程模拟分析是重大项目制订合理施工
方案的重要依据，是施工安全的可靠保证。曲靖市
体育中心为2014年第十四届云南省运动会主体育
场，如图1所示，看台主体结构为混凝土框架·剪力
墙结构，看台上部屋盖为封闭的钢桁架罩棚。体育
场总建筑面积35 342m2，共约31 000座。体育场钢
屋盖造型类似“马鞍”，东西两端高，南北两端低。
平面投影外轮廓近似圆形，半径约132m；内环轮廓
投影为椭圆，长轴198m，短轴133m。屋面钢屋盖最
大悬挑长度为46．0m，属于超限大跨钢结构，结构设
计和施工都需要专门研究和论证。对于施工过程
比较关键的问题，如工程安装方法、安装顺序、合龙
缝选择、卸载方案等进行重点分析，给出量化指标，
保证工程安装经济、安全。
1钢屋盖安装方案
1．1钢屋盖结构体系
体育场钢屋盖由44个类似的“X”形单元、2道
环桁架、V形支撑柱及侧向支撑组成，如图2所示。
万方数据
122 施工技术第42卷
图1 曲靖体育场效果
Fig．1 Effect of Qujing Stadium
每个“x”形单元由2榀径向平面桁架在弯角处倾斜
靠拢组成，在其悬挑端部和弯角处都设置环桁架，
其他关键部位也设有侧向连接支撑，形成整体环向
受力体系。“V”形支撑柱一端连接“x”形单元肩
部，另一端支撑看台型钢混凝土柱顶部，“x”形单元
脚部焊接H型钢插入基础中卜1。
图2钢屋盖结构体系
Fig．2 Structure system of steel roof
1．2钢屋盖安装方案
1)安装方法
目前大跨空间钢结构的安装方法通常分为高
空散装法、分条或分块吊装法、整体吊装法、整体提
(顶)升法、分条或分块滑移法、整体滑移法、攀达弯
顶法及折叠展开法等哺1。由于钢屋盖管桁架截面
较高，跨度大且空间曲面不规则，故采用“地面拼装
成段、跨外分段吊装、高空对接合龙”的施工工艺。
此方法能够最大限度减少辅助用钢量，在保证现场
钢构件组装焊接质量和组装精度的同时，也能减小
桁架结构的次应力，降低对看台结构的影响∞。。
2)拼装单元
结合现场的机械及施工条件，将“x”形单元拆
分为屋面悬挑桁架、墙面桁架、内外环桁架及散件
(环向支撑和侧向支撑)，如图3所示。部分节点相
交杆件数量较多，故采用铸钢节点保证施工质量。
3)合龙缝选择与安装顺序
在确定合龙缝时，需要考虑以下几点¨3：①已
安装结构的稳定性；②单元分段的安装难易程度；
③断口合龙的精确度和难易程度。
根据文献[8]中温度荷载对此大跨结构的影响
◇舸躲
鑫
图3钢屋盖拼装单元划分方案
Fig．3 Unit division scheme for steel roof assembIy
分析，钢屋盖对温度荷载较为敏感。钢屋盖南北两
低谷端部竖向位移因温度荷载引起的变化较为明
显，应力变化也大于东西两侧高峰处的变化。综合
考虑合龙安装的精度要求和分区已安装结构的稳
定性，确定钢屋盖南北高峰处为合龙缝，合龙缝将
钢屋盖分为南北对称的2个分区。
钢屋盖的安装顺序为：在混凝土看台内圈安装
临时支撑胎架；南北两区分别从①和⑧轴同时开始
逆时针安装墙面桁架及侧向支撑，如图4所示；1／4
钢屋盖区域的墙面桁架安装结束后，开始逐榀安装
屋面悬挑桁架、环向支撑及侧向支撑，并同时继续
安装墙面桁架和侧向支撑；钢屋盖安装至合龙缝处
停止施工，选择合适的温度进行合龙安装；内圈支
撑胎架按一定的顺序进行卸载，直至所有的支撑与
悬挑端脱离。
o～
①一
一。
一。
图4钢屋盖的安装顺序
Fig．4 lnstaIIation order of steel roof
4)钢屋盖临时支撑
设置合理的临时支撑是大跨钢结构安装过程
中必须慎重解决的问题旧1。不同单元吊装时，需预
先安装好相对应的临时支撑。墙面桁架安装时采
取脚手架、缆风绳及槽钢等措施；屋面悬挑桁架安
装时采用支撑胎架和简易门式刚架为桁架两端提
供支撑，其中支撑胎架设置在每2个“x”形单元悬
挑端相近的位置，主桁架采用咖140mm×5mm，腹杆
万方数据
何荣等：曲靖体育场钢屋盖安装过程及模拟分析
采用咖114 mm×5 mm，顶部四角系上咖10 mm缆风
绳，如图5所示。
屋面悬挑桁架
面
架
图5钢屋盖的临时支撑
Fig．5 Temporary supports of steeI roof
5)预变形
钢屋盖悬挑端采用预起拱消除恒载位移，以达
到接近设计状态和增加建筑美观的效果。施工预
变形的计算方法分为一般迭代法、正装迭代法、倒
拆迭代法、分阶段综合迭代法、局部位形约束正装
迭代法等¨0|。因为钢屋盖在悬挑端部设置的支撑
胎架轴向刚度较大，施工过程中结构产生的变形较
小，所以预变形可采用一般迭代法求得。
2钢屋盖安装过程模拟分析
2．1施工力学分析方法
在施工力学分析中需要考虑几何与状态两大
非线性的耦合效应嵋-，重点关注与状态非线性相伴
的结构几何构型及体系变化、结构刚度变化和边界
条件变化的模拟。针对大跨钢屋盖结构，采用
sAP2000(V15)非线性施工模块的生死单元技术实
现施工安装时变问题的求解。施工过程中钢材和
混凝土的性能基本稳定，且材料处于弹性阶段，故
施工模拟不考虑材料非线性效应，只考虑安装路径
对结构产生的状态非线性效应。
通过“杀死”和“激活”来实现构件的拆除与安
装，主要步骤为一次性建立结构的整体模型；根据
施工阶段的划分将单元、边界条件和荷载划分为不
同的施工步；按施工步骤依次“激活”相应施工步内
的构件，添加对应阶段的施工荷载(包括边界条件
的改变)，并“杀死”相应施工步内拆除的构件；最终
“激活”结构成型所需的全部构件，实现整个施工过
程的力学分析¨“。
2．2施工荷载
模拟分析中主要考虑构件恒载、施工活载的最
不利组合。根据《建筑结构荷载规范》GB50009—
2012相关规定，分析荷载取值及各项系数如下：①
构件自重由程序自动计算，施工安装荷载按0．5kN／
m2选取；②自重荷载分项系数在挠度验算时取
1．o，杆件内力验算时取1．2；③构件吊装时动力系
数取1．3。
2．3边界条件
为了保证分析结果的可靠性，将看台下部混凝
土结构和钢屋盖临时支撑构件都建在整体模型中，
提供真实的边界约束剐度。屋面悬挑桁架端部的
44个支撑点编号如图6所示。
1l2l等946’黧ll赫5264 。ln0b}h矗必埔孥n瞪9726 1110瓶芝瓤{拣弘512 8磊獬捌{嬲。驴
2．4钢屋盖模拟施工步划分
模拟施工步的划分方案并不唯一，能够满足反
映安装顺序即可；但是不同的方案可能导致不同的
分析结果，故对比分析1次、2次安装和逐榀安装完
1／4钢屋盖区域悬挑桁架3种方案，研究3种划分
方案对结果的影响。如图7所示，3种方案所得位
移和反力存在较大偏差，一次性安装划分方案的反
力分布较为均匀，这和悬挑桁架的安装先后实际情
况不相符，故不对划分方案进行简化，选用最符合
实际工序的逐榀安装的施工步划分方案，整个安装
模拟过程分为51步。
2．5安装过程模拟分析结果
钢屋盖整体结构完成后，屋面悬挑桁架端部的
支撑胎架反力如图8a所示，悬挑端的竖向位移也不
尽相同，如图8b所示；最大位移和反力都出现在同
一支撑胎架处，如图9所示；大部分构件的应力比集
中在O～0．1，具有足够的安全储备(见图10)。
3安装过程的模拟结果分析
3．1“x”形单元安装的相对独立性
钢屋盖“x”形单元由2榀平面桁架组成，安装
过程以单榀平面桁架(即“x”形单元的一半)为单
位。最大反力和最大端部位移都发生在同一支撑
点，该点的位移和反力变化过程如图11所示，在安
装稳定后，后装“x”形单元对已安装单元的影响微
小，安装的相对独立性较好。
3．2安装温度的影响
至合龙缝处停止安装，选择合适的温度进行合
龙。体育场钢屋盖设计温度为17℃，分别考虑当地
万方数据
施工技术第42卷
Z
芒R
赵
刨
似
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Z
芒R
怄
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似
支撑点编号
a竖向位移
支撑点编号
b反力
图7 3种方案的支座竖向位移和反力对比
Fig．7 Vertical displacement and reaction
of support points in three schemes
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8
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g J
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a反力
三墨辱骂蠢甬喜誊毒莩量曩蚤謇暑若爱萎享量蚕堇善辱莩葶E量量塞墨善西暑孽莩手墨芝妄量函量云
三皇宝宝三呈三三曼宝宝三三三=====二=2型222型型型型=1222兰222022三：
b位移
图8 安装结束后悬挑端反力和位移
Fig．8 Reaction and vertical dispIacement Of end point
图9最大位移和最大反力位置
Fig．9 LOcation of the maximal Vertical
displacement and reactiOn
i
鬟
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4 2 60
3
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图10安装结束后构件应力比
Fig．10 Stress ratio of steeI members after instaIlation
，． 苎三垄． 。．。
4
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疆
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9
10
180
堇；28
聪
20
0
a位移
图“ 最大反力处的位移和反力变化
Fig．1 l Vertical displacement and reaction
cbange of support point with the maximal
Vertical displacement and reaction
两种温度极值情况(37℃和一17℃)对结构的影响。
图12表明，升温使得结构悬挑端部向上翘起，端部
支撑反力减小；降温则使得结构端部向下压迫，引
起支撑反力增大。升温引起的位移和反力变化量
明显大于降温的变化量。工程实际安装时间在冬
季，安装温度<17℃，降温引起的变化量影响不大，
对施工过程不会造成安全隐患。
4 结语
1)大型复杂结构的施工仿真分析对于施工安
全的保证非常重要，对施工顺序、施工造价甚至施
工图设计会产生较大影响，通过仿真分析施工过程
中的不安全因素，合理调整设计施工方案。
2)针对钢屋盖大跨悬挑桁架结构，采用“地面
拼装成段、跨外分段吊装、高空对接合龙”的施工工
艺，选择东西两侧高峰处为合龙缝，并从合龙缝开
始逆时针逐榀安装。
3)采用SAP2000非线性施工模块，施工步按实
际逐榀安装平面桁架划分。最大位移和反力出现
万方数据
2013 No．17 何荣等：曲靖体育场钢屋盖安装过程及模拟分析125
三
曼
渣
毯
尽
幽
Z
≤R
赵
倒
似
图12温度变化引起的位移和支座反力
Fig．1 2 Vertical displacement and reaction caused
by temperature change
在同一支撑胎架处，大部分构件的应力比集中在0
～0．1，具有富足的安全储备。
4)钢屋盖的“x”形单元在安装过程中相对独立
性较好；体育场的实际安装温度低于设计温度，对
施工的影响不大。
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(上接第117页)
面喷塑处理的铝合金型材、热镀锌钢构件和能达到
50次使用寿命的维萨板，高强环保材料的采用和先
进的制造工艺从源头上保证了该产品的环保性和
经济性。
7结语
昆山龙飞光电厂房一期新建工程系属台湾龙
飞光电有限公司第8．5代TFT．LCD生产线项目，该
工程F栋建筑洁净生产层为无梁楼板结构，考虑到
工期紧等特点，楼板支撑体系选用台式模板早拆体
系，施工时间自2011年11月中旬至2012年3月中
旬，现阶段已圆满完成了全部工作，并得到了业主、
监理工程师的一致好评。
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(上接第120页)
取犀变形等措施才能保证安装到位后结构的精度。
3)悬臂段桁架安装，拧紧高强螺栓、将弦杆与
牛腿焊接后，仍然会有一定的自然下沉，所以采用
该方法安装时，钢桁架的标高应预留一定的变形
量，以保证安装后桁架标高。有条件时可以先进行
试安装，取得自然下沉值后指导后续桁架安装。
4)一般在保留建筑上进行施工，通常都是有重
要设备运行，如配电室、锅炉房、制冷机房等。故在
该类工程中施工时，对保留建筑和设备的安全防护
非常重要。尤其是此类建筑地下与场地外管线密
集，采用汽车式起重机施工应更谨慎。
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