杭州奧體主體育場開合部位鋼結構支撐架的設計研究

趙劍麗，周觀根

（1.浙江東南網(wǎng)架股份有限公司，杭州 311209；2.浙江交通職業(yè)技術學院，杭州 311112）

1 工程概況

杭州奧體博覽中心主體育場主體結構由空間管桁架加弦支單層網(wǎng)殼體系所構成的懸挑罩棚，整個鋼罩棚由28片主、次花瓣形成的花瓣組構成，如圖1所示。鋼罩棚由上部、下部支座支撐在鋼筋混凝土看臺或平臺上，罩棚外邊緣南北向長約333 m，東西向約285m，罩棚最大寬度68m，懸挑長度52.5m，罩棚最高點標高59.4m。

如圖2所示，體育場主體鋼結構安裝：在非開合區(qū)域，主桁架立面段和肩部段可以利用看臺結構內(nèi)的鑄鋼節(jié)點、剛性拉桿和支撐桿固定桁架吊裝單元；在開和區(qū)域，由于缺少非開合區(qū)域的拉桿和支撐，這對罩棚施工帶來了較大的麻煩，故在開合區(qū)域采用了必要的穩(wěn)定措施——組合式格構支架。

圖1 奧體博覽中心主體育場效果圖

圖2 主體結構完工前后示意圖

2 支撐方案與數(shù)值分析

2.1 支撐方案

支架的支撐點平面布置見圖3，采用該種布置方式一方面能夠保證上部罩棚主桁架主桿的位置，另一方面可以使荷載通過轉換桁架傳遞于混凝土結構柱上。

圖3 支撐架布置圖

臨時支撐架均采用Q235鋼，強度設計值f＝215N／mm2。每個標準節(jié)尺寸為2.0m×2.0m×1.5m，其中立桿鋼管規(guī)格：Φ89×4，腹桿鋼管規(guī)格：Φ60×3.5。支撐架中心加設通高鋼管Φ180×10加強，每間隔3m與四周支撐架節(jié)點做拉結支撐 （Φ60×3.5），見圖4。支撐架環(huán)向與徑向的中部和上部均用水平桁架連成一體，上部和下部設置米字形斜撐，斜撐采用Φ203×10的圓鋼管，雙層布置。

2.2 有限元模型參數(shù)

截面尺寸：支撐架標準節(jié)系桿采用Φ89×4，腹桿采用Φ60×3.5；上部支撐架中心加強圓鋼管采用Φ159×8、下部支撐架中心加強圓鋼管采用Φ180×10，轉換層的工字鋼采用400×380×30、其它部位工字鋼采用900×310×30。

圖4 支撐架構造圖

結構重要性系數(shù)：1.00；荷載信息：恒載；支撐架自重 （工況號：0）活載：400kN （工況號：1）。荷載組合 ①1.35恒載 ＋1.40×0.70活載工況1；②1.20恒載 ＋1.40活載工況1；③1.00恒載 ＋1.40活載工況1；④1.20恒載。

2.3 開口處支撐架內(nèi)力分析

本節(jié)采用ANSYS對開口處支撐架進行內(nèi)力分析，參考同類型項目支撐架有限元分析計算時的分析要點、荷載組合、邊界條件確定了本項目的有限元分析模型[2－4]。

由有限元分析結果可知，上部支撐變形最大的位置位于支撐頂部，其中x軸方向最大位移為4 mm、y軸方向的最大位移為0.14mm、z軸方向的位移為13.8mm，見圖5－a～5－d所示。

圖5 上部支撐計算結果

下部支撐的位移主要表現(xiàn)為工字型鋼梁跨中的撓度和支撐上部的轉角，其中工字型鋼梁的最大撓度為3.8mm，遠小于跨度的1／1000，見圖6－a～6－d所示。短柱z向最大壓縮量約為1.9mm。長柱z向最大壓縮量約為2.8mm，與短柱相比兩位移差為0.9mm。由模型應力云圖，應力最大的部位位于支撐腹桿，應力大小為139MPa，小于215 MPa，滿足要求。

該方案目前已通過專家論證并順利實施，現(xiàn)場開口部位主桁架吊裝已完成。通過模擬分析和實際數(shù)據(jù)的對比，發(fā)現(xiàn)模擬分析結果和現(xiàn)場實測結果具有很高的吻合度，故該有限元設計方法可以對該類支撐架的設計工作提供具有指導性的方案。

圖6 下部支撐計算結果

2.3 風荷載作用分析

本節(jié)采用MIDAS GEN對支撐架的抗風性能進行了研究分析。基本風壓取0.45，風荷載直接作用在支撐架上。支撐架在環(huán)向風與徑向風作用下的彎矩分布值見圖7所示。

圖7 風荷載驗算圖

支撐架驗算結果如下表1所示，各支撐架的應力比均小于1，說明在軸壓和環(huán)向風荷載作用下開口處支撐架的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

表1 開口處支撐架在外荷載作用下的應力表

3 結 語

杭州奧體主體育館項目結構復雜，安裝難度大，在開口區(qū)域采用了東南網(wǎng)架的專利產(chǎn)品組合式格構支架，本文通過ANSYS有限元軟件對該支架進行了設計研究，模擬分析結果和現(xiàn)場實測結果具有很高的吻合度；采用MIDAS GEN對支撐架進行了抗風性能的數(shù)值模擬，支撐架的抗風性能滿足我國規(guī)范要求。綜上所述，本文提出的有限元設計方法在實際支撐架的設計和施工中具有很高的實用價值。

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