国家体育场钢结构支撑卸载分析
邱德隆 李久林 杨俊峰 高树栋 范重 魏义进
提 要：本文依据国家体育场主体钢结构安装方法—分段吊装高空组拼方法(简称散装法)，同时根据支撑卸载点多、分布范围广等实际情况出发，从钢结构支撑卸载过程的支撑反力分析入手，运用有限元软件ANSYS详细对比计算分析了大跨度马鞍形空间钢结构屋面支撑的卸载顺序和卸载步骤，择优确定了分阶段整体分级同步卸载的原则和具体的卸载步骤。通过对每一步骤卸载反力计算和卸载过程中可能出现的支撑失效分析，给出了支撑卸载反力结果，为钢结构支撑塔架的选型及设计提供依据，也期望对类似工程的卸载施工提供参考。
关键词：主体钢结构、支撑卸载、卸载反力、卸载步骤
1 工程概况
国家体育场钢结构工程由24榀拉通或基本拉通的门式刚架围绕着体育场内部碗状看台区旋转而成，交叉布置的主结构与屋面、立面的次结构一起编织成“鸟巢”的造型。所有钢结构构件形成结构及建筑外形，如图1-1所示。
钢结构屋面呈双曲面马鞍型，最高点高度为68.5米，最低点高度为40.1米；平面上呈椭圆形，长轴最大尺寸约333米、短轴最大尺寸约296米；屋盖中部的开口内环呈椭圆型，长轴约190米，短轴约为124米；大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为37.958米。
屋面主桁架矢高12.000m，上弦杆截面基本为1000mm×1000mm，下弦杆截面基本为800mm×800mm，腹杆截面基本为600mm×600mm；屋面钢结构总重量约14000吨，竖向荷载通过24根组合钢结构柱传递至基础。
2 安装方法及支撑点的选择
2.1 安装方法
由于国家体育场钢结构为特大型大跨度空间结构，构件自重产生的内力所占比例较大，钢结构安装方法和顺序对结构构件在重力荷载作用下的内力将产生明显影响；同时钢结构安装方法和施工顺序对协调钢结构施工与混凝土结构施工的关系，对保证混凝土看台连续施工、钢结构的顺利安装、室内装修工程及机电设备工程及时插入以及外围基座尽早施工具有重大的意义。
通常，大跨度钢结构的安装方案有整体提升、滑移、分段吊装高空组拼方法(简称散装法)和局部整体提升等方式。同样，国家体育场钢结构安装方案的选择过程中对比考虑了上述四种方式。针对国家体育场项目的具体情况，以及钢结构工程及其与其它分部工程之间的时间和空间关系，为了满足国家体育场工程总工期的要求，按照施工总部署，国家体育场看台混凝土结构先行施工，钢结构随后进行施工[1]。
由于采用整体提升方案时，被钢结构围罩的看台混凝土结构不能先期施工，因而室内装修工程、机电设备工程等无法提前插入，导致总体工期无法满足要求。采用滑移方案时，需要在钢结构的周围具备足够大的施工场地，由于施工现场场地狭小，滑移方案受到施工场地的限制，同时也受到看台混凝土结构的制约，另外，滑移法也面临着巨大的技术挑战等因素。因此，国家体育场钢结构安装方法主要进行了散装法和局部整体提升法的比选。
在调整初步设计之前，施工方就钢结构的安装方法进行了国内外范围的方案征集，依据调整前的初步设计条件，经专家择优评审，拟选定局部整体提升的方法。调整初步设计后，将原有的钢结构活动屋盖取消，钢结构固定屋盖的开口加大，约增加了20m。主结构设计修改前后变化情况见图2-1。
根据调整后初步设计图及具体技术条件，鉴于以下主要原因：
¬ 屋盖钢结构调整设计后已经没有调整前意义上的“内环桁架”，屋盖中间的开口是由各榀贯通的主桁架交叉而成；
¬ 由各榀贯通的主桁架交叉形成的“内环桁架”平面尺度很大，而且截面板厚比调整设计前有了较大幅度的减小，同时存在较大的高差，整体刚度较差；
¬ 由于钢屋盖开口边界在短轴（东西向）已经扩大到一层看台的边线、长轴（南北向）到跑道的外侧，采取在地面进行“内环桁架”或含部分主桁架的整体拼装、提升的方案将对混凝土看台施工产生较大影响。
明显，局部整体提升方法已不具有优势，因此，最终确定钢结构总体安装方案采用高空散装法[2]。
2.2 支撑点设置
在确定采用高空散装法的总体安装方案后，随后的重要工作既是确定支撑点的布置、钢结构安装单元的分段以及根据安装单元的吊装工况选择吊机，这三方面的工作既相互联系又相互制约。在支撑点布置的选择过程中，同时还要考虑其的位置与看台混凝土结构的交叉关系，尽量减少支撑塔架设置对看台混凝土结构施工的干扰影响。
根据调整后的钢结构初步设计图，支撑点的选择考虑了两种方式，方式一为50个支撑点，方式二为78个支撑点。两种方式如下图2-2、图2-3所示：
通过以上两种支撑点布置方式的比较以及两种吊装工况的详细计算分析，最终择优确定采用方式二：即78个支撑点，分成三圈：外圈24个、中圈24个、内圈30个[2]。
3 卸载原则
根据2中确定的78个支撑点布置，外圈24个支撑点为主桁架相交的第一个节点，中圈为主桁架相交的第三个节点，内圈为主桁架相交的五、七（六）个节点。比较均匀的分布在整个钢结构屋盖。同时可以注意到78个支撑点分布范围较大，间距也较大。对于此类空间大跨度结构，最优的卸载方式应该为78个支撑整体同步卸载。
但是考虑到如此重型的马鞍形钢屋盖结构，支撑反力和各个支撑点的卸载变形量均有较大差异，要实现分布范围如此大，同时数量达78个之多的支撑整体同步卸载，不仅从卸载设备的选配、操作人员的控制管理，以及同步精度等各方面，实施时难度都巨大。结合本工程78个支撑点可以分成外、中、内三圈的具体分布情况、钢结构屋盖的平面布置情况以及钢结构屋盖的受力和变形特点。通过计算分析表明，当采用分阶段整体分级同步卸载的方式进行卸载，和整体同步卸载相比钢结构本体的应力影响不大，因此，确定了“分阶段整体分级同步卸载”的卸载原则。即不追求全部支撑点同时同步卸载，追求每一圈支撑实现每一步同步卸载，同时实现全部支撑点分若干个阶段达到整体同步卸载，而在每个阶段卸载实施过程中各圈支撑点并不是同步卸载[2][3]。
4 卸载工况对比计算分析
4.1 卸载工况
根据“分阶段整体分级同步卸载”的原则，对卸载的具体步骤分两种工况进行了比对计算：
工况1：分成9个阶段共33个步骤，前6个阶段均为卸载总量的10%，第7、第8阶段为15%，第9阶段为10%；卸载顺序为由内圈向外圈。详见下表4-1：
工况2：分成7个阶段，前3个阶段均为卸载总量的10%，后4个阶段为17.5%；卸载顺序为由外圈向内圈。详见下表4-2：
4.2 计算条件
4.2.1 荷载
重力荷载：取钢屋盖结构设计有限元模型结构自身的重量；
施工荷载：作为最初的考虑，为保守起见，取有限元模型结构自重的35%作为施工荷载；
风载：根据初步设计分析结果，本工程不是风敏感结构，故在此处不考虑风荷载作用。
温度荷载：进行卸载分析时未考虑温度荷载作用。
地震荷载：地震属于小概率发生事件，卸载过程本身时间较短，发生地震的可能性极小，故不考虑地震作用。
4.2.2 支座边界条件
支座约束条件为：组合柱柱脚刚结、立面次结构底部铰结。
4.2.3支撑点卸载模拟
支撑点只在Z（竖）约束，其它方向（X、Y）自由。在钢屋盖结构计算模型的78个支撑点下各设置了一根刚性杆，并未考虑支撑塔架的弹性作用。此刚性杆只能承受压力而不能承受拉力。刚性杆上端与结构支撑点在Z方向的位移相同，它的下端被约束。在卸载进行时，对刚性杆的底部释放规定的位移来模拟卸载的过程[4]。
4.3 卸载工况对比计算结果及分析
除卸载步骤不一样外，两种卸载工况的计算条件均相同。计算过程中，支撑点的具体编号见图4-1。由于结构的对称性，为简便起见，取1/4的支撑反力进行分析。其中外圈支撑为：9、13、16、19、22、23；中圈支撑为：17、8、12、15、18、21；内圈支撑为：20、24、7、11、2、14、10、1。
4.3.3 两种卸载工况计算结果分析
通过以上两种卸载工况计算结果分析，可以得到以下结论：
（1）支撑反力呈波动变化，反力的总体趋势是逐步下降的。
（2）两种工况卸载过程中，构件内力相差不明显，均在结构允许的应力范围内。
（3）卸载过程中，工况1外圈反力最大值达到4330KN，变化幅度大，增幅将近100%，中圈反力最大值为3300KN，增幅约70%，内圈反力最大值为1900KN，变化幅度小，增幅约6%；工况2外圈反力最大值为2600KN，比初始值稍大为，最大增幅约20%，中圈反力最大值为3000KN，增幅50%，内圈反力最大值为3500KN，变化幅度较大，增幅达260%。整个卸载过程中，工况1最大支撑反力为4330KN，工况2为3500KN。
（4）从每圈反力和看，工况1总体水平较工况2大，工况1外圈反力和维持较高值的时间长，且外、中、内三圈反力和差异较大，工况2各圈反力差异较小，且维持在相对较小的水平。
（5）从总反力看，工况1在卸载过程中出现比初始反力大的现象，增幅为10%，且在卸载到第9步时总反力仍然保持在初始水平，卸载前期对总反力的下降不明显，后期下降较为明显。工况2在整个卸载过程中总反力一直处于下降趋势，未出现总反力增加情况，卸载前期下降幅度比工况1大，后期下降幅度比工况1小。
4.4 卸载步骤确定
通过3中两种卸载工况的计算结果分析，不论是从卸载总反力，还是单个支撑点出现的最大反力值，以及反力变化的情况，可以看出采用工况2设定的卸载步骤明显优于工况1。因此，卸载步骤最终确定为工况2：7个阶段（7大步），每个阶段5小步，共计35小步。第一、二、三大步卸载步骤为：外圈卸载10%、中圈5%、内圈5%，再中圈5%，内圈5%；前三大步完成后外、中、内三圈各卸载总位移量的30%。第四、五、六、七大步卸载完成总位移量的70%，每大步卸载量为17.5%，每大步步骤为：外圈卸载17.5%、中圈8.75%、内圈8.75%，再中圈8.75%，内圈8.75%。卸载从外圈开始，最终支撑脱离工作顺序为外、中、内圈。
5 支撑失效分析
在确定卸载步骤后，为了对可能出现的支撑失效风险进行预测和掌握，对支撑失效的两种情况进行了分析。情况1为卸载过程中出现最大反力点的支撑失效，情况2为最大反力点相邻支撑点失效。
当最大反力点支撑（20号）失效时，其周边的支撑点（8、17、24、98、89、105号）反力相应增加，增加的幅度约为10%，剩余反力由结构自身承受；当最大反力点支撑（20号）相邻点（105号）失效时，最大反力支撑（20号）反力增加到4000KN，增加幅度约为14%。
6 支撑设计反力
以上计算结果均是按结构自重的35%作为卸载施工时的施工荷载，该施工荷载取值偏大，结果偏于保守。随后，按照以上确定的卸载步骤和失效分析，取结构自重的15%作为施工荷载，同时考虑了初步选定的支撑塔架结构在卸载过程中自身刚度的影响（支撑不是简化成只有Z向约束的刚性杆，而是弹性杆），进行了进一步的计算。卸载过程以及失效分析中各支撑最大反力如下表6-1所示。该反力作为支撑塔架设计反力的参考依据[5][6]。
7 结语
本文通过安装方案和支撑点的选择，根据支撑点设置的实际情况确定了支撑卸载的原则，并对支撑卸载的两种工况进行了详细的对比分析，最终择优选定了支撑卸载的具体步骤，同时根据实际的施工荷载按照确定的卸载步骤进行了计算分析，为支撑塔架的设计反力提供依据。实际卸载实施过程的各种检测结果表明卸载原则和卸载的具体步骤是正确可行的[7]。国家体育场钢结构整个卸载分析中的各个环节也可以为今后类似工程参考借鉴。
致 谢
在卸载分析过程中，得到了刘树屯、周文瑛、关忆卢、郭彦林及刘子祥等国内知名钢结构专家的大力支持和帮助，在此表示诚挚的感谢。
参考文献
[1] 杨俊峰、杨庆德、邱德隆等，国家体育场工程施工组织总设计，2004年12月
[2] 杨俊峰、邱德隆、高树栋等，国家体育场钢结构施工组织设计，2004年12月
[3] 刘树屯、李久林、高树栋、邱德隆，“鸟巢”钢结构关键施工技术介绍，第六届全国现代工程学术研讨会，2006年7月
[4] 张波、盛和太，ANSYS有限元数值分析原理与工程应用，清华大学出版社，2005年
[5] 魏义进、封叶剑、陈桥生等，国家体育场钢结构支撑塔架卸载方案，2005年8月
[6] 郭彦林、高 巍等，国家体育场支撑塔架卸载分析计算报告，2005年8月
[7] 国家体育场钢结构支撑塔架卸载施工总结报告，北京城建集团国家体育场工程总承包部，2006年10月
