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奥体工程大跨度钢结构设计施工若干问题的建议

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    刘树屯
    中国航空工业规划设计研究院
    北京市西城区新外大街甲八号26-4-5
    100088

    摘 要：本文对大跨钢结构设计方案、推广应用高性能钢材、结构安全等级的掌握、焊缝等级的选用及施工因素对设计承载能力的影响进行了论述。
    关键词 ：设计方案、高性能钢材、承载能力、残余应力、
    一、体育场屋盖设计方案应采用轻型结构、应考虑将看台结构作为传力的支承体系
    近些年来，我国陆续建成了几个大跨度奥运体育场，南京奥体中心主体育场，屋盖结构是由与水平面成45度倾斜的、跨度为361.58ｍ的三角形行架拱和有箱形钢梁形成的马鞍形空间网壳结构，用钢量约12153吨。整个屋盖结构由主拱和箱形梁外端“Ｖ”型支承将荷载传至下部看台（图一），45度倾斜主拱宛如飘带，结构体系造型新颖美观。重庆奥体中心主体育场屋盖结构也是由跨度314ｍ的三角形行架拱和空间网壳组成，网壳一端支承在看台上，将荷载传至下部看台结构（图二）。




    沈阳奥林匹克体育中心体育场为容纳六万人的大型体育场，罩棚钢结构屋面为以橄榄叶的王冠为设计概念所设计成的跨度360m的大型屋顶，屋面罩棚结构采用单层网壳结构体系，南北罩棚内侧悬挑处各设置一空间加劲三角桁架，屋面网壳采用单根大口径钢管，一端支撑在地面，另一端直接与悬挑端的空间加劲桁架相贯连接。本罩棚钢结构总重量约12000吨，工程建筑面积103992?。这些工程的共同特点是屋盖钢结构充分利用下部看台作为传力结构，屋盖方案采用轻型网壳和钢管行架落地拱，造型新颖，用钢量只有鸟巢的1/4。


    鸟巢钢结构采用了与看台完全脱开的方案（图四、图五），水平荷载通过行架、由钢结构柱传至柱底、而巨大的柱底水平力由与看台基础脱开的巨型柱脚传递，结果造成钢结构杆件太大、钢板太厚，总用钢量超过4万2千吨。如果在屋盖门架柱顶处、看台顶部给门架增设支点，利用下部看台作为传力结构，将极大减少整体钢结构的内力、减少钢材用量。这样做并不影响“鸟巢”的建筑外形效果，也不影响室内观众视线。表一给出了在静荷载作用下增设支点后的柱脚内力计算结果，其中FZ（支撑）、FX（支撑）分别表示增设支点后的24个柱脚处的竖向力、水平力；FZ、FX分别表示不增设支点、按照原设计计算简图计算的24个柱脚处的竖向力、水平力。计算结果表明，FZ／FZ（支撑）?1.57～1.97，FX／FX（支撑）?2.39～3.64，即增设支点后柱脚竖向力、水平力仅为原设计计算简图的57?、33?。
    通过上述分析，300ｍ已上大跨度体育场采用轻型空间钢结构、利用下部看台作为传力结构，不但造
    型轻盈美观，而且可以大量节省钢材。





    二、大跨度体育场广泛应用国产高性能钢材，钢材性能已优于国外，
    ，我国建筑钢结构应用的迅速发展，尤其是奥体大跨度体育场馆的建设极大的推动了钢结构应用技术水平的提高。随着高层与大跨度钢结构项目的增多，对结构用材的品种、质量及性能的要求也更高，现工程所需优质厚钢材（厚度50～100?）的供需矛盾仍较为突出，以致国内已建的大跨及高层钢结构中，绝大多数采用了进口厚钢材。为改变这一局面，钢铁行业研制开发了专为高层钢结构用的优质中厚板材，并于2000年颁布了《高层建筑结构用钢板》YB4104-2000行业标准（见表二），并可大批量供应工程应用。这种牌号为Q235GJ、Q345GJ的优质厚钢板有着良好的综合性能，如低厚度效应（板厚50～100?时屈服强度仅降低6%，而普通Q345钢要降低20%），良好的延性与冲击韧性（保证-40度冲击功）及焊接性能（碳当量保证），以及抗撕裂性能（Z向性能保证）等。还可以正火状态交货，以消除内应力，细化晶粒，可以说能满足按抗震设计的钢结构用厚板材料的各种性能要求，其质量性能已优于日本SN50钢与美国A572-50级钢。近两年来，在北京中关村金融中心、上海文献中心及北京电视中心、北京银泰大厦等工程中采用舞阳钢铁有限责任公司生产的Q345GJZ厚板都取得较好的效果。其突出的优点是可比普通Q345钢提高设计强度18%，可降低相关用钢量及造价10%以上，去年以来国家体育场（鸟巢）、五棵松文化体育中心等奥运场馆及CBD区中央电视台新址、国贸大厦（三期）等重点工程（要求厚度达100～130mm用钢量超过10万吨），都以此高层建筑钢结构板材为厚板订货的首选用材。
    《YB4104-2000》是非等效采用JISG3136《建筑结构用钢》标准制定的，其屈服强度级别最高为345MPa(（抗拉强度490MPa），而国际上已开发出抗拉强度590MPa和780MPa的高强度的建筑用钢，为适应建筑结构向高层化和大跨度发展，建筑结构必须使用高强度钢材，如鸟巢就在国内首次采用了Q460E-Z35厚度为100mm、110 mm高强度钢约700吨，试验结果证明，各项指标均满足国标的要求。碳、硫、磷的含量分别为C≤0.17%、P≤0.015%、S≤0.015%、碳当量≤0.48%、屈服强度≥425MPa、抗拉强度≥575MPa、延伸率≥20%、强屈比≥1.2、-40度时Akv≥34J，抗层状撕裂性能满足Z35的相应要求。新的国家标准《GB/T19879-2005》新增加了490MPa、420MPa，460MPa三个强度级别，此标准是我国近年来高强钢板研制开发的最新成果，按此标准生产的钢板其技术性能已达到国际先进水平，表二列出了国标《GB/19879-2005》钢材性能表。
    当前我国重大工程采用了Q345GJ、Q460GJ等钢板，但《钢结构设计规范》和《高层民用建筑结构技术规范》都一直未对上述钢材新标准的变化做出积极的反应，也未提出任何修改补充应用的局部条款，致使设计与钢材新产品标准间的矛盾日益突出，为此建议立即着手修订有关规范以满足设计急需。
    厚板的Z向抗撕裂性能属于钢材的纯净度要求，有Z向要求的钢板会增加造价20%以上，故应慎重采用。
    1） 仅在施工中因接头构造与焊接约束力较大，可以引起层状撕裂的部位，并在使用中该处也受到层裂方向拉力作用时，才对该部位的厚板考虑Z向要求。
    2）对重要框架箱型厚板柱构件（节点区采用内隔板构造），当厚板t为40～60?时可要求Z15性能、当t?60?时可要求Z25性能，一般不宜要求Z35性能（Z15、Z25、Z35相应为厚板方向断面收缩率应≥ 15%、25%及35%），此时钢材相应的含硫（S）量应保证严格控制要求（分别≤ 0.01%、0.007%、0.005%）。
    3）对类似上述条件的厚翼缘H型钢柱，由于节点区约束条件的不同，对厚翼缘钢材有Z向性能要求时，可仅要求Z15性能的保证。
    4）当重要的承重框架梁柱节点采用梁贯通（梁上、下翼缘处对应的柱横隔板贯通并与梁翼缘熔透对焊）构造，并当隔板厚度t?40?时，可仅对厚隔板材料附加Z性能要求。

    三、对结构各类构件的安全等级应区别对待，不要过分提高或降低安全等级。
    建筑结构可靠度设计统一标准中明确规定，建筑物中各类构件的安全等级可以进行调整，如果某些构件的破坏后果很严重，引起次生灾害或整个结构的倒塌，其安全等级应适当提高；反之，结构的某些次要构件破坏后其后果不严重，不影响整体结构的安全，其安全等级应降低。结构不分主次，安全等级一律提高一级（其重要性系数1.1），强度设计值一律降低0.8倍，致使结构的安全度在原有设计安全度（1.55）的基础上，又增加了1.1/0.8=1.378倍，总的安全度达到1.55×1.378 =2.136。主要构件安全度适当提高是可以的，但对于只起传力作用的次要构件，其破坏并不影响整体结构的安全，安全度可适当降低。从抗震耗能的观点出发，大震时希望次要构件出现塑性，这样可以吸收地震能量，减少地震力作用，对整体结构的抗震是非常有利的。
    由于结构安全度不适当提高，致使当前一些大跨度工程用钢量太大。当前要特别注意的是，在结构设计中，在保证安全可靠的前提下，不要过分加大结构的安全度，造成钢材的大量浪费。
    另外，也要特别注意的另外一种倾向是：在某些工程的招标过程中，为中标压价，尽量减少用钢量，致使构件安全度太低，受压构件的长细比太大，致使在安装过程中造成杆件弯曲。由于安装误差太大，造成数百杆件超过设计应力，最后不得不采取现场加固处理措施。

    四、慎重选用全熔透焊缝，焊接残余应力只能减少不能消除。
    钢结构设计规范第7.1.18条对全熔透焊缝的采用做了明确规定，只有在下列情况下才能选用全熔透焊缝。
    1）在需要进行疲劳计算的构件中，凡对接连接焊缝均应焊透，受拉时为一级，受压时为二级。
    2) 不需要计算疲劳的构件中，凡要求与母材等强的对接焊缝，应与焊透。受拉时为一级，受压时为二级。
    重级工作制和起重量大于50吨的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘的连接焊缝要求焊透。质量等级不应低于二级。高层民用建筑技术规程第8.4.2条规定，箱型焊接柱其角部的组装焊缝应为部分熔透的V型或U型焊缝（图七）。焊缝厚度不应小于板厚的三分之一，抗震时不小于板厚的二分之一，当梁与柱刚接连接时，在框架梁的上下600mm范围内，应采用全熔透焊缝。设计者一定要区分受力情况、重要程度，明确哪些部位采用一级全熔透焊缝。对于以静载为主的结构，构件为轴心拉压杆件，箱型构件的四条连接焊缝不受力，也不传递剪力。许多桥梁和大跨度钢结构工程都采用了格构式构件，就是这个道理。


    采用部分熔透焊缝，可以省掉预热、保温等特殊的厚板焊接工艺，省掉熔敷金属约三分之二，工作量仅为全熔透焊缝工作量的三分之一，如以每吨节省1000元计算，可以节省大量资金，同时又缩短工期。大量采用全熔透焊缝的结果，由于焊道数量的大量增加，造成焊接热量的大量堆积，热影响区加大，致使焊接变形及焊接应力加大。
    关于焊接残余应力问题，在某些工程中设计规定施工中要消除焊接残余应力。这项规定给制造和安装造成极大困难，最终未能实现。残余应力是加工制造过程中必然产生的，焊接时产生的不均匀温度场，必然导致焊接残余应力的产生，当焊缝及其附近金属被加热并发生膨胀时，远离焊缝的冷金属对其该部分金属产生约束，当恢复到室温时，焊接被加热的金属就会产生拉应力，而约束部分则产生相应的压应力来平衡。图八画出了H型截面常用残余应力分布形式。

    残余应力的存在，可能会减低截面抗侧向刚度和构件平面内整体抗弯刚度，对构件的稳定性有一定影响，现以翼缘为轧制边的焊接工字形截面为例（图九），它沿构件长度方向残余应力的分布如图所示，假定翼缘边缘最大残余应力为 σrc=0.45fy ，将构件截取一段作短柱试验，当外力产生应力σ=N/A=0.55fy以后，翼缘边缘开始屈服，并逐渐向内发展，能继续抵抗外力的弹性区逐渐缩小，由于截面塑性的发展，对弱轴Y-Y的刚度的影响要比对强轴X-X的影响更大。

    由于各类构件截面残余应力分布情况有较大差异，而其影响又随压杆屈曲方向而不同，故φ-λ曲线实际上是一个分布带，“TJ17-74规范”采用一条曲线显然不合理，国外规范多采用2-3条曲线，“GBJ17-88”共计算了200多条柱子曲线，采用了13种残余应力模式，考虑初始弯曲L/1000，最后将这200多曲线归纳为a、b、c三条曲线（图十）。由于高层和大跨度结构的日益广泛应用，新规范“GB50017-2003” 修订增加了第四类即d类截面的稳定系数。高层及大跨的柱翼缘厚度都超过40毫米，这类厚壁柱的残余应力值很高，且沿壁厚方向变化，板件外表面往往以残余压应力为主，对构件的稳定的影响较大，导致它的承载能力下降。以 λ=60为例，d类构件比a类构件φ 值减低了30%，比b类降低了23%，比c类降低了13%，随λ值的加大，d类构件的φ值降低的就更多（图十）。


    基于上述分析，国家规范已对残余应力对构件承载能力的影响作了充分考虑，设计者在实际工程中不必采取消除残余应力的措施，实际上残余应力是客观存在、消除不了的，但在施工过程中应采取合理的焊接工艺，尽量减少残余应力的影响。

    五、设计必须充分考虑施工因素对结构承载能力的影响
    设计所采用的计算模型，是理想的理论上的计算模型，计算假定施工过程中不存在结构构件强迫就位，即不考虑施工过程产生的安装初始内力，不考虑具体的施工过程、施工顺序，仅对合拢后的整体结构进行验算；不考虑施工中产生的较大安装偏差，认为节点坐标都是理想坐标。随着结构跨度越来越大，结构形式越来越复杂，由于施工因素的影响上述计算的理想假定难以满足要求。
    1）安装偏差的影响
    《钢结构施工质量验收标准》关于各种允许偏差的规定，均是基于一般工业与民用建筑钢结构工程制定的，而大跨度钢结构工程，结构复杂，构件异型，存在大量高空不同方向的对接，必然会出现测量误差偏大、制作与安装误差超出标准要求的几率较高。如某一大跨度球节点网架工程安装时产生较大偏差，下弦实测最大安装偏差达到300mm，经对16000节点和60000万个杆件实测安装坐标，重新建立计算模型进行复核，虽然结构刚度和强度没有太大的变化，但也有个别构件超过原设计标准，超应力杆件达200余根，最后不得不进行加固处理。再有，某一大跨度工程主桁架地面拼装时上下弦两端轴线高度允许偏差为5mm、长度允许偏差5mm-10mm之间，但在高空安装组拚时，最大产生了10mm的错口和36mm的焊缝间隙，如此这么大的偏差必然会影响结构的安全度。
    2）安装强制就位的影响
    由于结构类型复杂，相交于某一节点的杆件过多，存在大量高空对接，产生对接接口、错口和间隙过大是难免的，如图十一为鸟巢桁架柱典型节点，杆件为箱型厚板断面约18个杆件空间交汇一点，图十二为弯扭构件典型节点，杆件均在节点外拼接，图十三为桁架高空拼接图，要保证多个接口的精度难度极大。受加工制作误差、施工过程温度变化、测量误差等影响，产生了接口错边和接口间隙过大现象，有个别错边达５mm、接口间隙达29mm。另外，由于顶面次结构和肩部次结构是主结构卸载后安装，而次结构是按卸载前的几何尺寸进行加工的，将来可能会存在大量的构件接口出现超差现象。为满足设计要求，对于错口的处理采用千斤顶或火攻校正方法，强制构件就位的结果由于扭转力矩的作用，给外伸牛腿造成较大的内应力，这些内应力是设计无法考虑的，势必会对结构安全造成影响。

    3）焊接内应力的影响
    鸟巢为全焊接钢结构，焊缝总长为30万延米，基本上为厚板全熔透焊缝，焊接工作跨越整个冬季，即有高强钢（Q460E-Z35）的焊接，又有铸钢件的焊接，厚板焊接熔敷量大，加之接口间隙超差，造成对接接口处大量焊接熔敷金属的堆积（图十四），虽然采取预热保温措施，但焊接内应力的存在是必然的，而且也是很大的。


    4）屋盖合拢温度的影响
    温度应力的计算是大跨度钢结构设计的核心，但是施工的具体过程往往难以满足设计要求，从设计者来说，总希望合拢时选取一个最佳的温度，使升温+∆t、降温-∆t大致相同，这样可减少温度应力的影响。但施工中各种不可预料的因素，合拢温度难以满足设计要求，有时∆t相差1度对结构就有影响，尤其是对200米以上的特大跨结构，设计者应充分考虑施工过程中温度变化对合拢的影响，应考虑一年四季最不利的合拢温度影响，否则当施工合拢温度不满足设计要求时，会减低结构的承载能力。鸟巢钢结构的安装时间经历了从冬季到夏天过程，主结构钢柱安装完毕再安装次结构，由于钢柱不是机构，是一个稳定的多层钢结构体系，受温度的影响，次结构安装必然会对钢柱产生很大的温度应力，图十五为钢材表面温度55度时次结构安装对钢柱的影响，柱底温度应力达到了107MPa。因此，设计者必须充分考虑施工过程、温度变化对结构承载能力的影响。
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