2022世界杯主場館鋼結(jié)構(gòu)卸載過程分析

吳晶晶，郭 靜

(精工國際鋼結(jié)構(gòu)有限公司，上海 201100)

1 工程概況

盧賽爾體育場作為2022年卡塔爾世界杯主體育場，是地標級體育場，將舉辦開幕式、揭幕賽、決賽和閉幕式等。主體鋼結(jié)構(gòu)外形類似于一個碩大的金碗，外立面由三角形網(wǎng)格劃分，屋面造型呈馬鞍形，東西高，南北低，整個體育場投影為圓形，其直徑達到309m，鋼結(jié)構(gòu)高度達到76.6m，最終可容納9.21萬人。

主體鋼結(jié)構(gòu)由V柱、壓環(huán)以及Vessel桁架組成。綜合考慮結(jié)構(gòu)特點以及現(xiàn)場情況，主體鋼結(jié)構(gòu)的安裝方案采用分段吊裝、高空組拼的方法。首先將48榀V柱安裝并固定在24榀臨時支撐架上，然后將壓環(huán)分為24個吊裝段分別吊裝就位，直至合龍，再將不與臨時支撐架碰撞的正V部分Vessel桁架安裝到位，如圖1所示。卸載完成后便可將24個臨時支撐架拆除，然后安裝剩下的24榀倒V部分Vessel桁架。項目團隊對整個施工過程進行模擬分析，并全程監(jiān)測，重點考慮臨時支撐架的設(shè)置對結(jié)構(gòu)整體安全的影響，以及主結(jié)構(gòu)和臨時結(jié)構(gòu)在卸載過程中的安全性等。

圖1 卸載前主體鋼結(jié)構(gòu)示意

2 卸載方案

2.1 卸載點布置

V柱底部作用于一個球鉸支座，而到了頂部，V柱桁架的寬度達13～15m。根據(jù)該結(jié)構(gòu)特點，每榀V柱安裝時頂部設(shè)置內(nèi)弦和外弦共2個支撐點，即每個支撐架上4個支撐點，24個支撐架上共計96個支撐點,如圖2所示。

圖2 主體鋼結(jié)構(gòu)支撐點

2.2 卸載流程

根據(jù)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)受力特點、熟練操作千斤頂?shù)墓と藬?shù)量以及千斤頂數(shù)量限制，主體鋼結(jié)構(gòu)卸載分為2個階段進行。

1)第1階段 釋放24個支撐架上共計96個支撐點的全部水平約束。

2)第2階段 豎向卸載，分為6步進行，如圖3所示的階段1～6，每步卸載4個支撐架上的16個支撐點。

圖3 第2階段卸載順序

2.3 卸載工裝

在卸載過程中，主體鋼結(jié)構(gòu)每個支撐點不僅要滿足豎向卸載的要求，還要保證水平方向能夠自由滑動,且關(guān)鍵時刻還要能在各方向上鎖住支撐小短柱，阻止其滑動，所以合適的卸載工裝尤為重要。現(xiàn)場根據(jù)實際需求，設(shè)計出卸載工裝如圖4所示，該工裝由導向柱、頂升梁、2個千斤頂以及墊塊組成。支撐小短柱底部安裝有PTFE板，頂升梁頂部特定區(qū)域安裝有不銹鋼板，V柱安裝完成后小短柱的PTFE板與不銹鋼板直接接觸，滿足了后續(xù)的V柱調(diào)整以及鋼結(jié)構(gòu)卸載過程中的水平滑移的要求。

圖4 卸載工裝

3 卸載分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，當主體鋼結(jié)構(gòu)具備卸載條件時，壓環(huán)已經(jīng)合龍，形成了一個閉合的受力環(huán)。此時主體鋼結(jié)構(gòu)的大部分自重仍然由臨時支撐架承擔，隨著卸載的進行，主體鋼結(jié)構(gòu)自重作用下的變形和應(yīng)力會不斷增大。在卸載過程中，主體鋼結(jié)構(gòu)與臨時支撐系統(tǒng)之間形成一個相互作用的系統(tǒng)，而這個系統(tǒng)內(nèi)部不斷發(fā)生內(nèi)力重分布。為了結(jié)構(gòu)自身的安全，以及保證卸載后鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度，在卸載施工前必須對卸載過程進行詳盡的計算分析。

由于在卸載過程中一個油壓泵帶動2個千斤頂，所以每個卸載點的兩個千斤頂能保證同步頂升和卸載，不同卸載點之間不同步偏差在±10mm內(nèi)。在卸載分析過程中必須考慮不同步。

3.1 整體卸載方案與分步卸載方案對比

整體卸載是指24個支撐架上的96個卸載點同步卸載，直至每個卸載點的全部小短柱都脫離。分步卸載則是24個支撐架上的卸載點分批次不同步卸載。在定方案前，必須對2種卸載方案進行對比分析。

經(jīng)計算，整體卸載與分步卸載相比較，每個卸載點最終的環(huán)向變形、徑向變形和豎向變形相差均不大，最大差距不到5mm(見圖5)。根據(jù)有限元計算結(jié)果，整體卸載后結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比為0.40，而分步卸載后結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比為0.41，應(yīng)力比相差只有0.01。整體卸載與分步卸載前后V柱和壓環(huán)的應(yīng)力增量基本相同。

圖5 各卸載點最終位移對比

因此，在整體卸載和分步卸載兩種情況下，卸載完成后結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài)基本相同。現(xiàn)場根據(jù)實際情況，選擇了分步卸載方案。

3.2 分步卸載分析

3.2.1卸載步確定

根據(jù)卸載過程模擬分析，該主體鋼結(jié)構(gòu)所有卸載點的豎向最大卸載量18～40mm，即部分卸載點在豎向卸載到18mm時，支撐小短柱即可與卸載工裝脫離，部分卸載點在卸載到40mm時，支撐小短柱即可與卸載工裝脫離，如圖6所示。

圖6 豎向最大卸載量

由于卸載點的千斤頂不同步偏差在±10mm內(nèi)，所以將每個卸載點的卸載過程細分為小于10mm的卸載步，直至絕大部分的荷載都從臨時支撐架轉(zhuǎn)移到主體鋼結(jié)構(gòu)本身上來，于是每個支撐架上卸載點的卸載量按照如下步驟進行。

1)第1輪 卸載1號小短柱，卸載量為6mm ，卸載步編號為1.1，如圖7所示(以T19為例)，然后依次卸載其他小短柱，卸載量均為6mm，卸載步編號分別為1.2,1.3和1.4。

圖7 每個支撐架上3輪卸載

2)第2輪 按照2.1,2.2,2.3,2.4的順序依次卸載，卸載量為8mm。

3)第3輪 由于經(jīng)過前兩輪的卸載，支撐架上大部分力已經(jīng)傳遞到主結(jié)構(gòu)本身了，所以本輪卸載可以各自進行直至本支撐架卸載結(jié)束。

以支撐架T19為例，其卸載點反力如圖8所示。可以看出，分步卸載過程中當某個支撐小短柱完成一小輪卸載后，同一支撐架上的其他3個卸載點所承受的反力都會相應(yīng)增大，只有當4個卸載點都完成同一輪的卸載后，這4個卸載點的支撐小短柱的反力才會發(fā)生重分布且被相應(yīng)卸載至主體鋼結(jié)構(gòu)。

圖8 支撐架T19卸載點反力

3.2.2分步卸載過程模擬分析

1)結(jié)構(gòu)變形

卸載過程中需要重點監(jiān)控壓環(huán)的位移，本文以支撐架T1卸載過程中壓環(huán)位移為例進行分析，如圖9所示。

圖9 壓環(huán)位移理論值與實測值對比

根據(jù)理論分析，隨著卸載的進行，壓環(huán)會不斷向場外偏移，即沿徑向向外偏移。實測結(jié)果也驗證了這一點，第3輪卸載結(jié)束時，實測值與理論值基本相同，最大偏差2.7mm。

由于卸載前壓環(huán)和V柱形成閉合的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，所以在卸載過程中環(huán)向位移比較小，理論計算與實測結(jié)果相符。

隨著卸載的進行，壓環(huán)豎向位移也會隨之增大。理論計算和實測結(jié)果比較吻合。

2)分步卸載過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化

從設(shè)計院提供的設(shè)計報告中可以看出，主體鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)力比普遍較高，尤其是壓環(huán)內(nèi)上弦直徑1.6m的鋼管構(gòu)件。所以結(jié)構(gòu)對卸載過程中的構(gòu)件應(yīng)力增量比較敏感，要實時監(jiān)控。由于主體鋼結(jié)構(gòu)呈雙軸對稱，所以選取V柱內(nèi)弦(以VF01為例)和壓環(huán)內(nèi)上弦(以CR2A3A為例)的應(yīng)力為例進行分析，如圖10所示。

圖10 卸載過程應(yīng)力監(jiān)測曲線

從圖10可以看出，V柱、壓環(huán)的應(yīng)力監(jiān)測值與理論值基本吻合，應(yīng)力差均≤10MPa。

從以上理論與實測結(jié)果對比可知，卸載過程的模擬準確可信。

4 結(jié)語

通過對施工過程的有限元模擬分析，在結(jié)構(gòu)安全的前提下，結(jié)合現(xiàn)場實際情況靈活選用分步卸載的方案。在分析中，對分步卸載過程中的結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力變化情況進行詳盡分析，并結(jié)合實際測量值對卸載過程進行實時監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果與理論計算結(jié)果基本吻合，由此也進一步肯定了卸載過程模擬分析的準確性以及該卸載方案的可行性。盧賽爾體育場主體鋼結(jié)構(gòu)卸載分析中的諸多環(huán)節(jié)可以為今后類似工程提供參考借鑒。