2022 世界杯主场馆结构精度控制措施和可调节点设计

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所属分类:施工技术
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卡塔尔卢赛尔体育场主体结构为钢结构受压环连接鱼腹式环向张力索桁架的空间大跨结构,为控制施工精度,合理安排施工工序,采用 Midas Gen 和 ANSYS 有限元分析软件相结合,对施工过程进行模拟分析。分析结果表明,主体结构在施工过程中会产生较明显的偏移。以分析结果为依据,采用“分阶段精度控制,误差分段化处理” 的策略,配合可调节点的设计,可消化前道工序的误差,避免误差累积,最终确保膜结构和幕墙结构的顺利安装,实 现设计目标。

内容摘要:

体育场馆通常采用空间大跨结构设计,钢结构支撑体系加环形张力索桁结构是一种较为常用的结构组合。环形张力索桁结构用于支撑覆盖体育场周边看台的罩棚结构,其一端固定在周边支撑构 件上( 如受压环梁或桁架) ,另一端与内部环索连 接,其上覆盖膜材等高强轻质屋面覆盖材料[1]。结构的竖向刚度基本上由拉索体系的预应力提供,受 压环的位形对成型状态的索力有重要的影响[2]。 同时,钢结构支撑体系外立面通常会包覆幕墙结构,起到建筑外围护结构或装饰性结构的作用。钢结构支撑体系以及附着在钢结构上的幕墙连接件 的加工、安装精度直接影响到幕墙的挂装质量和施工效率[3]。因此,严格控制每一分项工程的加工和安装精度,对保障工程最终质量和性能至关重要。

通常影响钢结构最终位形精度的因素主要有 加工、拼装偏差,施工、测量偏差,以及施工时的温 度影响[4]。另外,钢结构施工往往涉及临时支撑的 设置和拆除卸载,临时支撑在安装阶段承受钢结构的自重及施工荷载,安装完成后临时支撑的卸载必 然会引起钢结构产生变形位移[5]。通过有限元软 件计算模拟卸载前后的位形偏差,采用预变形的方式可以抵消部分卸载对钢结构位形的影响,但是理论分析与工程实践往往存在偏差,预变形无法完全抵消卸载对位形的影响。在工期紧张且精度要求 高的工程中,通过引入可调连接节点的设计来抵消前道工序的误差就尤为必要。

本文以卡塔尔世界杯卢赛尔体育场为例,通过施工过程模拟分析,评估了钢结构和索桁结构在施 工过程中的位形偏差,分析了每道工序的可能误差 来源,介绍了钢结构、索桁结构以及膜结构的精度控制措施和可调节点的调差机制。

1 工程概况
卢赛尔体育场是卡塔尔 2022 世界杯的主体育场,将承办小组赛、闭幕式、决赛及半决赛等重大赛事活动,观众总容量约 92 100 人。体育场外观为一 金碗,由金色的铝板幕墙实现。屋盖为马鞍形的白 色膜结构,东西高、南北低( 见图 1a) ,平面投影为直 径 309m 的正圆。外立面主体结构由主体钢结构和环形张力索桁结构组成。主体钢结构由 24 对 V 形钢结构柱( 简称 V 柱) 支撑受压环,V 柱由 24 根矩 形混凝土结构柱支撑,之间由球形支座连接,实现铰接。受压环连接 48 榀鱼腹式索桁架构成的主索系,索桁架悬挑长度达 76m( 见图 1b) 。V 柱之间填 充连接幕墙的次钢构桁架,主索系之上是连接膜结构的水平索网和拱杆系统,之间由上撑杆相连( 见 图 1c) 。 图 1 卢赛尔体育场建筑及结构示意
2 施工过程模拟分析及误差控制
2. 1 施工工序

根据本工程结构特征的定性分析,施工顺序可 初步定义为 V 柱→压环→拉索→屋面次结构→膜结构。然后根据一系列的建模定量分析,综合考虑工期、加工方案、拼装转运方案、场地布置、穿插施 工方案等因素[6],将整个体育场的施工分为以下 8 个关键施工阶段: ①V 柱安装阶段; ②压环安装阶 段; ③正 V 形幕墙次钢构桁架安装阶段; ④支撑架 拆除阶段; ⑤倒 V 形幕墙次钢构桁架安装阶段; ⑥屋面主索安装阶段; ⑦屋面次索及拱杆安装阶段; ⑧屋面膜结构安装阶段。

2. 2 施工过程模拟分析方法

本项目密切结合施工方案,对钢结构施工采用 正装迭代法、屋盖索网和膜结构施工采用逆装迭代 法进行了精细的施工过程分析[7],获得各关键阶段的结构变形预调值,评估各结构构件受力特性,在施工过程中对主体结构进行分阶段验收和施工精 度控制。
施工阶段分析是静力非线性分析类型,对于前 5 个阶段,采用 Midas Gen 有限元分析软件进行,考 虑分析过程中的各种结构变化( 包括结构刚度、质 量、荷载,以及边界条件) ,对每个定义的施工阶段分析一次,每次分析都在上一次分析的结果基础上进行。同时在阶段分析过程中,Midas Gen 会根据阶 段定义情况,判断哪些对象是新增的,哪些对象是 移除的。对于新增的对象,其刚度和质量会以初始无应力状态添加到结构中去; 对于移除的对象,其刚度和质量会立刻从结构中移除。对于后 3 个阶 段,采用 ANSYS 通用有限元分析软件进行,通过生死单元来逆向模拟主索和次索的安装顺序。

2. 3 模拟结果分析
依照上述的施工阶段划分和模拟方法进行模拟后发现,V 柱、压环在阶段 1~5 由于受自重作用会不 断向场外、向下偏移。而在阶段 6 主索张拉之后,V 柱、压环在索网拉力的作用下,会向场内、向上偏移。 位形敏感性自压环上弦向 V 柱以下递减。最终位形 与钢结构安装之初相比,整体会向下偏移,压环会向 场内收缩,而 V 柱会向场外拱出。以正东西向轴线的 截面为例,外立面 7 个节点( 见图 2) 的径向、环向、竖向在各阶段的偏移量如表 1 所示。

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