2008奥运会羽毛球馆屋盖钢结构设计与施工分析

2008奥运会羽毛球馆屋盖钢结构设计与施工分析

0屋顶钢结构与上下弦支顶结构的连接2008年奥运会毛球馆位于北京市校园。第29届全国青年奥运会和艺术体育比赛的举办机构。羽毛球馆大跨度钢结构屋盖平面呈椭圆形,长轴方向最大尺寸为141m,短轴方向最大尺寸为105m;立面为球冠造型,最高点高度为26.550m,最低点高度为5.020m。钢结构屋盖支撑于36根平面分布呈圆形的混凝土柱上,钢结构屋盖采用弦支穹顶结构体系,由上弦单层圆形网壳(直径93m)、下弦环索与径向拉杆、竖向撑杆组成;弦支穹顶的外沿部分钢结构采用变截面、腹板开孔的H型钢悬臂梁,沿环向呈放射状分布,通过混凝土柱顶环向空间桁架与弦支穹顶连接,并通过下部看台混凝土柱与混凝土结构层连为整体结构,共同工作。羽毛球馆屋盖钢结构如图1。羽毛球馆钢结构的安装工作于2006年3月开始,先安装混凝土柱顶的钢结构支座,2006年9月开始安装钢结构,2007年1月钢网壳结构合拢,2007年2月索杆预应力张拉完成,2007年4月钢结构安装工作全部结束,2007年6月屋面及管线设备安装结束。弦支穹顶是一种将刚性的单层网壳和柔性索撑体系组合在一起的杂交预应力大跨度结构体系。通过索撑体系引入预应力,减小了结构位移,降低了杆件应力,减少了结构对支座的水平推力,提高了结构整体稳定性。奥运会羽毛球馆是目前世界上采用弦支穹顶结构体系的最大跨度钢结构工程之一,也是目前国内预应力大跨度钢结构工程中,体系最具创新性的工程之一,很多方面均超过现有技术规范的涵盖范围,其设计、加工制作及安装均有极大的难度及技术挑战性。设计中在上弦网壳形式确定、下弦索撑体系的布置,预应力度的确定等方面,都经过了大量的分析、研究,对结构几何力学体系和构件进行优化设计;通过模型试验研究,对体系的理论计算进行了论证;进行了施工模拟计算分析并进行施工全过程监测,保证预应力体系的有效施加和施工过程结构的安全;设置了健康监测系统以保证该建筑结构体系的永久安全性。该工程的设计、试验、施工研究对我国新发行的《预应力钢结构技术规程》提供了工程实践范例;该项目的建成为我国大跨度预应力钢结构创新技术的发展作出了贡献。本文仅对该工程主要设计参数、预应力索撑体系设置、结构计算模型、屋盖结构与下部看台结构共同工作分析、整体结构主要计算结果、主要节点设计等内容进行重点介绍;对结构的整体稳定分析、预应力钢结构施工模拟分析、索撑节点的预应力摩擦损失分析、预应力损失对结构体系安全性的影响分析、索与拉杆材料延性性能分析研究、模型试验研究、施工监测等内容在其他论文中进行论述。1负荷和功能1.1结构耐久性设计按照设计任务书要求和相关建筑结构设计规范,奥运会羽毛球馆结构耐久性设计年限为100年,设计基准期为50年,下部看台结构的安全等级为二级,结构重要性系数为1.0,屋盖钢结构的安全等级取为一级,结构安全系数γ0=1.1。1.2外部吊挂荷载屋面恒荷载和活荷载标准值如表1所示。作为奥运会羽毛球比赛场馆,工艺要求较高,活动照明设备、风管、马道等局部吊挂荷载较大;对于弦支穹顶结构,上弦网壳构件以承担轴向力为主,外部设备仅能吊挂于节点上,因此荷载取值时应充分考虑其过渡支架的重量以及动力系数等因素;钢构件连接节点以及焊缝的重量应作为恒荷载单独考虑;此外,屋面活荷载与雪荷载不同时发生,但必须考虑屋面活荷载或雪荷载分布不均匀性的影响,设计采用半跨活荷载考虑其不利影响。1.3荷载规范gb.3.1—风荷载根据《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)以及初步设计文件,本工程取100年一遇的基本风压W0=0.5kN/m2,地面粗糙度C类。风荷载体形系数μs按《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)表7.3.1(35)取值;弦支穹顶结构属于半柔性结构,屋盖结构前三个周期T1=0.683s、T2=0.617s、T3=0.668s,对风荷载比较敏感,风振系数按照《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)要求,应通过数值分析取值;设计应用随机振动理论,采用工程实用的频域法编写了风振计算程序,计算出屋盖钢结构风振系数分布图(图2)。设计偏于安全地取风振系数βz的平均值进行计算,网壳中心部分2.0,其他部分1.3。考虑风吸力的荷载组合作用时,不考虑活荷载并对恒荷载适当折减。1.4初始温度的设定北京地区近30年统计数据表明,北京地区年平均最低气温为-9.4℃,年平均最高气温为30.8℃。结构设计将主体结构合拢时的温度作为结构的初始温度,考虑到施工顺序及施工进度计划,本工程将主体钢结构上弦网壳安装完毕时的温度(约1月10日)作为结构降温计算时的初始温度,施工张拉下弦索时的温度(约2月10日)作为结构升温计算时的初始温度,并预留一定的允许温度偏差范围。奥运会羽毛球馆钢结构设计采用的初始温度与正、负温差如下:初始温度(合拢温度):+12℃(降温计算用)-1℃(升温计算用)最大正温差:30.8℃-(-1)℃,取35℃最大负温差:-9.4℃-12℃,取-30℃1.5屋面荷载的布置北京地区重现期为100年的基本雪压为0.5kN/m2。羽毛球馆屋面为标准球冠,曲面光滑过渡,不可能存在积水不顺畅的问题,在风力作用下也不会出现较厚的积雪,因此在设计时,仅考虑此类荷载不均匀分布情况,采用半跨荷载的形式,以考察其对网壳结构的不利影响。1.6条件二:50年设计基准期及场地土类别奥运会羽毛球馆的抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度峰值为0.2g,设计地震分组为第一组。奥运会羽毛球馆设计基准期为50年。根据本工程《岩土工程勘察报告》,场地土类别为III类。在抗震设计时,考虑上下部结构共同工作,设计建立了屋盖钢结构加下部看台结构整体计算模型,采用多遇地震作用下的弹性时程分析、反应谱法分析,进行了罕遇地震作用下弹塑性时程分析,明确了索与拉杆构件强度与变形安全性和整体结构抗倒塌安全性能。1.7主要荷载工况组合奥运会羽毛球馆钢结构设计采用的荷载工况组合形式共计200余种,为节省篇幅,本文仅列出主要的荷载工况组合,非抗震设计荷载工况组合公式见表2,抗震设计荷载工况组合公式见表3。2脊柱支持结构的几何力学系统的配置2.1结构体系和几何力学性能弦支穹顶结构体系是由日本川口卫教授于1993年提出的新型空间结构体系。该体系由上弦单层网壳、下弦环索及径向拉杆、撑杆组成(图3)。其中各层撑杆的上端和单层网壳相对应的节点铰接,下端由径向拉杆与单层网壳的下一圈节点连接,径向拉杆与撑杆下端交点由环索连接在一起,使整个结构形成一个完整的结构体系。本工程通过五道环索施加预拉力,产生与使用垂直荷载反向、与支座向外推力反向的平衡荷载系统。预应力平衡荷载系统使网壳结构对下端约束环梁的支座水平推力大大减小,由于撑杆的支撑作用和环索的约束作用,减小了上层单层网壳各层节点的竖向位移,同时有效提高了结构的稳定承载力。简洁有序的几何构形同时取得了建筑室内美学效果。弦支穹顶结构体系具有优越的几何力学性能。而这一切均离不开索撑体系合理的几何布置和预应力的有效引入,预应力索撑体系的设置是弦支穹顶结构体系设计的关键。2.2预测支持系统的建立原则根据弦支穹顶的受力特点,主要通过以下4个方面确定下弦预应力索撑体系。(1)索撑体系内力分析弦支穹顶结构的核心力学原理是将环索(或径向拉杆)的预拉力或撑杆顶升预压力,转换为能够有效抵消向下垂直荷载的反向垂直平衡荷载和有效抵抗网壳外推力的向内水平平衡荷载(图4a)。索撑体系的几何力学设计必须依据索撑节点力平衡原则和索撑体系内力分布规律进行。根据索撑节点力平衡条件,环索径向拉杆的间距和撑杆高度几何尺寸设计,必须保证径向拉杆与撑杆之间角度α<90°,才能使预应力产生的垂直平衡荷载向上,且α愈小,对产生垂直向上平衡荷载越有利,但同时会带来索撑间距过密或撑杆过高问题。经大量计算分析,α角合理范围为60°～75°,本工程取为74°。索撑体系的内力分布特点:环索及径向拉杆的拉力在外荷载作用下由外圈至内圈逐级减小。环索预应力度应根据由外圈至内圈逐级减小的原则进行优化确定。本工程经大量计算优化确定环索预拉力为N1=3800kN、N2=1756kN、N3=1394kN、N4=723kN、N5=561kN。(2)外来塔结构稳定承载力的研究弦支穹顶结构体系是柔性较大的结构体系,依据国内外的研究成果和本工程设计实际经验,整体稳定承载力是这类结构安全的控制因素,而预应力索撑体系是弦支穹顶结构设计成败的关键。环索及径向拉杆的数量、截面尺寸、撑杆数量及高度、钢索预应力的大小及分布梯度等都是影响结构整体稳定性的控制参数。在设计过程中做了大量的计算研究,编制计算软件,逐级改变各种参数,最终得到满足设计要求的结构稳定承载力结果。综合结论为:提高外环索的预应力并由外圈到内圈逐次减小,增加外环索的构件刚度,增加环索的数量,以及增加撑杆高度均对于提高结构稳定承载力效果较明显。羽毛球馆弦支穹顶结构稳定承载力研究见文献。(3)预应力索撑体系综合目标的实现弦支穹顶结构体系的整体稳定性是结构安全的控制因素。但结构体系安全设计是整体稳定安全、构件强度安全以及施工过程安全等综合目标的实现。预应力索撑体系还应重点实现如下目标:合理布置索的间距使竖向撑杆间钢网壳应力、变形尽可能均匀,以利于结构强度、刚度优化控制,并有效控制体系局部失稳;合理选择预应力度,使支座反力尽可能小,减小对下部结构的不利影响。(4)索撑体系过密索撑体系过稀少,不足以产生有效预应力,进而不能保证结构安全,同时形成不了建筑的韵律感。索撑体系过密,同样会造成预应力不能充分发挥其效率,同时不能取得建筑室内空间简明流畅的美学效果。经与建筑师共同协商,本工程索撑体系几何布置确定为5圈,其室内建筑效果见图4b。2.3网壳结构及节点设计羽毛球馆钢结构屋盖支撑于36根混凝土柱上,混凝土柱平面分布呈圆形,屋盖钢结构核心部分采用弦支穹顶结构体系;屋盖钢结构外沿部分采用变截面腹板开孔H型钢悬臂梁,沿环向呈放射状分布,通过环行空间桁架与弦支穹顶连接,并通过混凝土柱与混凝土结构层连为整体结构,共同工作。弦支穹顶上弦单层网壳平面形状为圆形,直径为93m,中心矢高约8m,矢跨比为1/11.6,较标准网壳矢跨比(1/8～1/10)偏低,网壳由12圈环向杆和56组径向杆组成,第1至第4环及第5至第12环为葵花形网壳,第4、5环间为过渡形式,网壳杆件均采用无缝钢管,钢材材质为Q345B,截面尺寸为245×9～299×16;网壳节点主要采用焊接球节点,与撑杆连接部位采用铸钢球节点,节点与杆件的连接全部为刚性连接。弦支穹顶下弦索撑结构由5圈环索和5圈径向拉杆以及104根受压撑杆组成,环索采用高强度钢丝束,极限抗拉强度大于1670MPa,钢丝束外包裹PE防腐护层,钢索尺寸为SNS/S7×199～SNS/S5×61,径向拉杆采用高强度钢棒,极限抗拉强度为835MPa,钢棒直径为60mm～40mm,撑杆采用Q345B钢,截面尺寸为168×8。屋面钢结构外沿部分采用变截面腹板开孔H型钢悬臂梁,最大悬挑长度约8m,沿梁长方向,梁截面高度、宽度均呈线形变化,翼缘厚度根据应力大小分段变化,钢梁腹板开圆孔,孔径为梁截面高度的2/3,沿梁长方向分布,中心距离为2倍孔径。钢梁采用焊接H型钢,材质为Q345B,截面尺寸为H850×350×12×20～300×250×12×18,H600×300×10×14～300×250×10×12。柱顶设置环桁架,连接弦支穹顶和悬臂钢梁,将屋面荷载传递到混凝土结构,同时环桁架可以有效分散屋面结构产生的水平推力,增加结构的整体刚度。环桁架采用钢管相贯焊接形式的空间三角形桁架,钢结构材质为Q345B,弦杆截面尺寸为245×12～180×8。结构布置如图5～图8。3计算和设计结构3.1施工过程结构分析奥运会羽毛球馆屋盖钢结构设计中,针对不同的设计内容,采用了多种计算模型对结构进行计算分析。模型一:整体设计建立了屋盖钢结构与下部看台结构整体计算模型(图9),应用MIDAS软件进行整体结构上下部共同工作计算分析,以此计入下部结构对屋盖钢结构设计的影响,同时可准确计算屋盖钢结构对下部看台结构的内力的影响。模型二:屋盖钢结构与看台以上混凝土柱的单独计算模型(图10),在下弦索撑节点处设置变刚度弹簧单元来准确模拟环索与钢结构节点接触面的真实几何形态,并可较为准确地模拟预应力损失。应用MIDAS、SAP2000两套软件进行体系静动力分析和模拟预应力张拉施工过程结构分析。模型一、二均考虑了结构几何非线性和材料非线性。模型三:对下弦索撑节点建立了环索、铸钢节点带摩擦接触面的三维实体单元有限元模型(图11),应用ANSYS软件进行带摩擦的接触非线性有限元分析,从理论上计算出索撑节点的预应力损失,同时验算铸钢节点的安全性。3.2结构计算方法方面对于大跨度体育建筑及同类大跨度建筑结构,屋盖钢结构与下部看台结构从材料属性到各自刚度、动力响应、安全控制因素等方面均有本质的区别;在结构电算精度、地震动参数等结构计算设计方法方面两种结构也存在很大的差异。因此屋盖钢结构工程设计的实际通用方法是通过对比模型一和模型二两种模型分析方法的主要计算结果,分析下部看台结构对屋盖钢结构的影响,并分析屋盖钢结构对下部看台结构的影响,然后在考虑共同工作条件下,利用模型二进行屋盖钢结构专项计算设计。3.2.1比较了两种模型结构的主要力学反应3.2.2屋顶结构和底层结构的共同工作应进行分析(1)屋盖结构内力通过上述两个模型的对比分析,可见下部看台结构是否参与屋盖结构的共同工作,对屋盖结构的整体位移影响约为3.15%;对屋盖结构的整体内力影响约为0.2%;对屋盖结构自振周期及振型几乎没有影响;对屋盖地震总剪力影响:模型二比模型一偏大,X向偏大17%,Y向偏大28%,Z向偏大11%。由于地震作用组合对结构安全设计不起控制作用,且模型二的地震作用偏大,设计偏于安全,故使用模型二进行屋盖钢结构设计,具有足够的设计精度,设计是安全可靠的。(2)模型对比与分析屋盖钢结构对下部看台结构的最大支座反力:模型一与模型二相差约为6.5%。进行下部看台结构设计时应按共同工作整体计算模型分析结果,考虑钢屋盖结构对下部看台结构影响。3.3钢结构屋顶的独立计算和设计的主要结果(1)钢构件应力比分布上弦单层网壳钢构件极限承载力设计值应力比不大于0.85,为控制用钢量,70%以上的构件应力比在0.5～0.8范围内。钢构件应力比分布见图12～14。考虑到弦支穹顶结构索撑体系的特别重要性以及本工程结构体系的特性,下弦环索及径向拉杆的强度设计值分别取不大于材料极限抗拉强度的55%和45%。(2)整体模型分析按照前文介绍的结构计算方法,采用恒荷载、活荷载、风荷载、地震作用、温度、考虑损失后的钢索预应力等各种组合的荷载工况,进行整体模型非线性分析。屋盖钢结构的最大位移为103mm,结构计算挠度为l/700(<l/400),见图15。满足网壳钢结构技术规程要求。(3)结构整体屈曲模态结构整体稳定分析将实际施工偏差作为结构几何初始缺陷时,结构整体稳定承载力系数为5.4;按照《网壳钢结构设计规程》(JGJ61—2003)取最不利失稳模态,最大值取计算跨度的1/300作为结构几何初始缺陷,结构整体稳定承载力系数为4.5。结构整体屈曲模态见图16。本工程结构整体稳定性是结构安全控制因素,设计过程中做了大量的研究,另见研究论文。(4)x-y-竖向综合作用通过对结构三维模型的动力时程分析和反应谱分析,屋面钢结构第一自振周期为0.68s,主振型模态为竖向振动,无扭转,结构振型见图17,说明结构刚度分布均匀,竖向地震作用是屋面钢结构的主震方向。X向、Y向水平地震作用及竖向地震作用总剪力分别为重力荷载代表值的13.3%、11.7%和9.1%。根据上述结构强度、刚度、整体稳定安全性的验算的结果分析,地震作用对弦支穹顶结构体系和构件承载力设计均不起控制作用。根据弹塑性时程分析结果,罕遇地震(加速度峰值Amax=0.4g)作用下结构最大位移530mm(图18),约为l/175,远小于l/50,满足罕遇地震作用下变形要求。(5)环索钢节点质量经过计算统计,屋盖主结构用钢量:型钢(含网壳节点)总用量为648t,约合54kg/m2;环索23.9t,约合2kg/m2;钢拉杆24.6t,约合2.04kg/m2;索撑铸钢节点60t,约合5kg/m2;总用钢量756.5t,约合63kg/m2。3.4预应力损失实测分析根据羽毛球馆弦支穹顶索撑节点几何构造设计,采用带摩擦力的接触应力有限元分析,结果表明,在满足节点几何和构造设计情况下,索撑节点预应力损失理论值为0.7%。考虑到节点构造的复杂性和施工困难性,设计时计算采用的各圈索撑节点最大预应力摩擦损失为2%,主要受力的第1～3圈张拉点之间有7个节点,各圈环索总预应力损失为3×2%=6%。设计考虑5%超张拉措施,抵消预应力损失的影响。由于跨度达93m的弦支穹顶结构体系的工程施工难度大,尚没有成熟的施工经验可供借鉴;索撑节点加工制作精度不够,安装偏差大,施工实测的索撑节点最大预应力摩擦损失值为8%～10%,各圈环索总预应力损失超过为35%。设计根据施工实测预应力损失情况,在计算分析中采用非线性弹簧单元模拟索撑节点的预应力损失,同时考虑施工起拱值变形偏差,研究施工缺陷对整体结构影响。计算结果显示:由于每节点5%～10%预应力摩擦损失的影响,环索、径向拉杆内力很不均匀(图19),径向拉杆拉力最大增加约50%,上弦网壳杆件轴力最大增加约50%,弯矩最大增加约20%,结构整体稳定承载力下降约15%。由以上分析可知,索撑体系的预应力损失状况复杂,预应力损失对弦支穹顶结构体系的安全性有重大影响。一方面应要求施工单位应精心加工制作安装,尽可能减少摩擦预应力损失;另一方面设计要充分考虑索撑体系的技术复杂性引起的预应力损失比理论分析偏大很多的实际情况,采取加强措施,确保结构安全。在本工程钢结构施工安装过程中,设计条件发生了变化:一是后期增加了电视转播系统,屋盖钢结构增加吊重42t;二是实测预应力损失(8%～10%)超过了原设计值(2%～3%);三是合拢温度发生变化。设计结合上述变化设计条件进行了结构加强设计。详见另文介绍。3.5施工模拟计算对于大跨度弦支穹顶结构,预应力张拉施工过程实际上是以几何体系由机构(准机构)变为可承担设计荷载的结构体系过程。该类结构体系的安全控制有别于常规结构体系,它需要对结构的设计状态即最终使用状态进行控制,同时应研究预应力张拉施工过程中结构的力学性能,对结构几何力学体系成形过程的安全性进行控制。施工模拟计算主要包括如下几方面:①提出符合弦支穹顶结构受力原则的施工支撑结构方案;②模拟施工支撑结构的刚度及考虑施工荷载,输入到结构计算模型,进行计算分析;③根据计算情况确定钢索施工张拉力以及张拉顺序;④运用单元逐次激活技术计算并提供钢索施工张拉不同阶段的构件内力、结构变形等各项监控数据;⑤验算预应力施工全过程,结构安全性是否满足要求。设计应用两种不同的计算方法对弦支穹顶结构的预应力施工进行全过程模拟计算,分析了在预应力张拉过程中结构形状变化特点、内力和节点位移变化规律,验证了本工程预应力施工过程结构安全可靠。并将两种方法进行对比,为今后该类工程的模拟施工计算方法提供建议。本工程研究结果还论证了整体结构体系“整体建模,一次加载法”计算方法的实用安全性。该部分分析研究将另文介绍。3.6节点分析和设计本工程钢结构节点种类较多,本文主要介绍以下两种钢节点的设计、构造。(1)节点设计基本过程本工程结构的力学特点要求上弦网壳杆件端部均为刚性连接。焊接球节点应能够承担在结构使用时杆件传来的压应力、拉应力、剪切应力等复杂组合应力。另外,部分节点是构件相贯与焊接球组合的节点形式。此类较复杂的焊接球节点,已经突破了国家相关规范的涵盖范围。设计时首先参照国家相关规范(规程)和技术手册进行计算;然后建立三维实体有限元模型进行节点应力、应变分析,在有限元分析基础上对高应力区采取构造加强措施,保证节点设计安全。节点构造做法图见图20,节点有限元分析见图21。(2)预应力张拉与铸钢节点间卡紧索撑杆节点采用铸钢节点。该节点是将环索预拉力转换为体系预应力平衡荷载的关键部位。本工程采用张拉环索方案,索撑节点的构造设计应确保预应力张拉过程中索体与节点间的摩