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曲靖體育場鑄鋼節(jié)點安裝控制技術(shù)

文檔作者：朱文偉1，王劍非2，蘇蘭忠1，胡勇1，王曉燕2，朱必勇1，鄧亮1 文檔來源： 1．云南建工鋼結(jié)構(gòu)有限公司 2．云南建工集團有限公司，		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年12月15日
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施工技術(shù)2016年1月下
40 CONSTRUCTION TECHNOLOGY 第45卷第2期
DOI：10．7672／s舀s2016020040
曲靖體育場鑄鋼節(jié)點安裝控制技術(shù)
朱文偉1，王劍非2，蘇蘭忠1，胡勇1，王曉燕2，朱必勇1，鄧亮1
(1．云南建工鋼結(jié)構(gòu)有限公司，云南昆明654501；2．云南建工集團有限公司，云南昆明654501)
[摘要]曲靖體育場屬于復(fù)雜大跨度空間結(jié)構(gòu)。其鑄鋼節(jié)點連接桿件較多、荷載較大、受力情況復(fù)雜，皆為關(guān)系到
整體結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵部位。加工前運用有限元技術(shù)分析鑄鋼節(jié)點在各種受力狀態(tài)下的應(yīng)力分布特點、塑性發(fā)展過
程、節(jié)點破壞機理及節(jié)點的極限承載力、進場前鑄鋼節(jié)點材質(zhì)控制及力學性能檢測、安裝過程中一系列定位控制措
施的應(yīng)用，有效地控制了鑄鋼節(jié)點對主桁架變形的影響。工程實踐表明，鑄鋼節(jié)點安裝控制技術(shù)為曲靖體育場大
跨度復(fù)雜管桁架屋蓋工程的順利施工提供了保障，切實可行。
[關(guān)鍵詞]體育場；鑄鋼節(jié)點；安裝；有限元分析；質(zhì)量控制
[中圖分類號]TU758．1 [文獻標識碼】A [文章編號]1002．8498(2016)02-0040-03
The Cast Steel Joint Installation Control Technology of Qujing Stadium
Zhu Wenweil，Wang Jianfei2，Su Lanzhon91，Hu Yon91，Wang Xiaoyan2，
Zhu Biyon91，Deng Lian91
(1．Yunnan Construction Engineering Steel Structure Co．，Ltd．，Kunming，Yunnan 654501，China；
2．Yunnan Construction Engineering Group Co．，Ltd．，Kunming，Yunnan 654501，China)
Abstract：The steel roof of Qujing Stadium belongs to complicated large—span space structure．The cast
steel joint has more connecting pipes，larger load，complex stress condition，which are key position
related to the overall structural safety．Before processing，finite element analysis method was used to
analyze the stress distribution under every load condition of cast steel joint，the plastic development
process，the joint failure mechanism and bearing capacity，the material control and mechanical
performance checking before cast steel joint approach and the location control method application during
installation，which controlled the influence of cast steel joint on main truss deformation effectively．The
engineering practice showed that the cast steel joint installation control technology made the large-span
complicated tube truss roof successfully completed．
Key words：stadiums；cast steel joints；installation；finite element analysis；quality control
1工程概況
云南曲靖體育場上部為鋼結(jié)構(gòu)懸挑罩棚，下部
為混凝土看臺及各功能用房，建筑占地面積約4．5
萬m2。體育場平面形狀近似橢圓，長軸約260m，短
軸約230m；結(jié)構(gòu)外形類似罩棚，東西兩端高，南北兩
端低，造型類似“馬鞍”。結(jié)構(gòu)最大標高35．400m，
東西向徑向桁架最大懸挑長度達43m。其結(jié)構(gòu)示意
如圖1所示。
體育場屋蓋鋼結(jié)構(gòu)是由4對88榀類似X形狀
+云南省科技計劃項目：云南大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工控制關(guān)鍵技術(shù)及
工程示范研究(2013CA023)；云南省技術(shù)創(chuàng)新人才培養(yǎng)項目
(2013HBl05)；昆明市科技計劃項目：復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工模擬關(guān)鍵
技術(shù)研究及工程示范(2013-02-02．B·G-02-0004)
[作者簡介]朱文偉，總工程師，高級工程師，E．mail：85005807@qq．corn
[收稿日期】2015-06-02
圖1 曲靖體育場結(jié)構(gòu)示意
Fig．1 The structure of Qujing Stadium
的主桁架及其之間的側(cè)向桿件、環(huán)向支撐組成的空
間結(jié)構(gòu)。每榀x形單元由2榀徑向桁架組成，徑向
桁架下部、中部、懸挑端均通過側(cè)向構(gòu)件連接，形成
空間整體受力體系。
萬方數(shù)據(jù)
2016 No．2 朱文偉等：曲靖體育場鑄鋼節(jié)點安裝控制技術(shù)4l
每榀x形桁架中，許多節(jié)點由多根桿件以不同
角度匯集而成，個別節(jié)點中連接的桿件數(shù)目達到10
根。這些形狀復(fù)雜的分支節(jié)點若采用常規(guī)的鋼管
相貫節(jié)點根本無法滿足設(shè)計要求，因此采用了鑄鋼
連接件，以滿足節(jié)點的受力性能。為減少支撐架的
用量和合理使用大噸位起重機，結(jié)合現(xiàn)場情況，對x
桁架拆分成2榀平面桁架和1個A型柱腳桁架3部
分進行安裝，拆分點為鑄鋼節(jié)點處。
2鑄鋼節(jié)點安裝控制要點
2．1加工前有限元分析
鑄鋼節(jié)點應(yīng)用于荷載較大、受力復(fù)雜的關(guān)鍵部
位，其可靠性直接關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)的安全。因此掌
握鑄鋼節(jié)點在各種受力狀態(tài)下的應(yīng)力分布特點、塑
性發(fā)展過程、節(jié)點破壞機理及節(jié)點的極限承載力是
非常必要的。但是由于此工程中鑄鋼節(jié)點形式多
樣，難以尋找一般規(guī)律，僅根據(jù)《鑄鋼節(jié)點應(yīng)用技術(shù)
規(guī)程》CECS235：2008中的一些近似計算公式及初
步的力學性能檢測結(jié)果難以確定節(jié)點是否能夠滿
足工程要求。鑒于此，工程首先應(yīng)用通用有限元軟
件ABAQUS對鑄鋼節(jié)點進行有限元模擬與分析。
2．1．1 計算模型選取
雖然每榀桁架中鑄鋼節(jié)點的細部尺寸及荷載都
不盡相同，但相同位置節(jié)點的大致形式及構(gòu)造基本一
致。從既要減少分析成本又要保證工程安全的角度
出發(fā)，根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性、懸挑最大、受力較不利等原
則，在鑄鋼節(jié)點中選取1／4結(jié)構(gòu)中懸挑最大1榀桁架
所有節(jié)點、其余桁架個別內(nèi)力較大的鑄鋼節(jié)點進行分
析。鑄鋼節(jié)點選取情況如圖2和表1所示。
表1計算節(jié)點荷載工況
Table 1 The calculation joint load conditions
選取節(jié)點編號荷載控制工況
注：表中D為恒荷載；L為活荷載；LR為屋面活荷載；T—17為
一17。C時溫度荷載；T37為37"C時溫度荷載
2．1．2 材料特性及單元選取
鑄鋼節(jié)點在正常工作狀態(tài)下材料一般均處于
彈性階段，但如果僅對鑄鋼節(jié)點采用彈性分析，只
圖2 擬選取計算的節(jié)點位置及編號
Fig．2 The position and numbering of selected
calculation joints
能判別其在彈性階段時的最大應(yīng)力位置，并不能掌
握節(jié)點破壞失效的控制區(qū)域及節(jié)點的極限承載力，
因此需對鑄鋼節(jié)點的破壞形式和破壞機理研究采
用彈塑性分析。
我國《鑄鋼節(jié)點應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》條文4．3．6及相
應(yīng)條文說明指出：“有限元計算實例表明，鑄鋼材料采
用理想彈塑性模型時的收斂性較差；當采用第二折線
剛度為初始剛度的2％～5％的二折線模型時，計算
結(jié)果易收斂于真解。采用彈塑性有限元分析確定節(jié)
點承載力時，鑄鋼材料模型中的屈服強度取材料標準
值?！币虼?，根據(jù)上述規(guī)程推薦方法，本工程中模型鑄
鋼材料采用具有強化剛度的二折線模型，材料的彈性
模量為2．06×105MPa，屈服強度取標準值為300MPa，
強化階段的切線模量為彈性段彈性模量的2％，極限
強度標準值為480MPa。金屬材料的強度校核常采用
第四強度理論，在分析中采用Von Mises屈服準則及
相關(guān)聯(lián)的流動法則。如圖3所示。
圖3鑄鋼材料本構(gòu)模型
Fig．3 The constitutive model of cast steel material
由于塑性區(qū)開展過程產(chǎn)生的累積塑性應(yīng)變較
大，因此對鑄鋼節(jié)點進行極限狀態(tài)分析時，不僅要
考慮材料非線性問題，還需考慮幾何非線性問題。
鑄鋼節(jié)點劃分單元時采用四面體單元自由劃
分網(wǎng)格，網(wǎng)格精度為15—25mm，采用ABAQUS中
C3D10單元模擬，劃分網(wǎng)格后節(jié)點單元個數(shù)在30萬
個左右。
2．1．3邊界模擬及加載制度
由于節(jié)點管端部在結(jié)構(gòu)中受軸力為主，可忽略
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萬方數(shù)據(jù)
42 施工技術(shù)第45卷
剪力及彎矩的影響。在有限元模擬加載時，首先在
軸力最大的支管面上設(shè)置固定支座，其余支管上則
將軸向力轉(zhuǎn)化為垂直于鑄鋼管端部的均布面荷載。
加載時首先對節(jié)點施加設(shè)計控制工況下的荷載，如
果節(jié)點設(shè)計工況不止一種，則須分別針對每種控制
工況進行單獨分析。在考察了節(jié)點在正常設(shè)計荷
載下的工作性能之后，按原來荷載進行等比例加
載，直至節(jié)點破壞，確定節(jié)點的極限承載力并對節(jié)
點的相應(yīng)性能進行研究。
2．1．4 鑄鋼節(jié)點有限元分析結(jié)果
根據(jù)彈塑性有限元分析可得鑄鋼節(jié)點極限荷
載及與設(shè)計荷載的比值(見表2)，其中極限荷載最
大的鑄鋼節(jié)點在設(shè)計荷載及極限荷載下的應(yīng)力分
布如圖4所示。
表2鑄鋼節(jié)點極限承載力比值
Table 2 The ultimate bearing capacity
comparison of cast steel joint
a設(shè)計荷載下應(yīng)力分布b極限荷載下應(yīng)力分布
c極限荷載下內(nèi)部應(yīng)力分布
圖4典型節(jié)點應(yīng)力分布
Fig．4 The stress distribution of typical joint
由圖4可知，本工程中的鑄鋼節(jié)點由于在鑄鋼
管相貫區(qū)域無薄弱界面，均為鑄鋼節(jié)點單支管整體
塑性屈服導(dǎo)致的節(jié)點破壞失效，因此采用鑄鋼節(jié)點
可滿足工程需要。
2．2進場前材質(zhì)及力學性能控制
鑄鋼節(jié)點進場前根據(jù)工程實際需要嚴格選材
并進行材料的力學性能檢測，保證其滿足相應(yīng)力學
指標。本工程的鑄鋼節(jié)點材質(zhì)采用G20Mn5N，鑄鋼
節(jié)點出廠皆經(jīng)過磁粉、超聲波及力學性能檢測。其
力學性能檢測結(jié)果為：屈服強度為340MPa，抗拉強
度為542MPa，伸長率為31．0，沖擊功AKV(20℃)為
152／168／170J，檢測結(jié)果滿足國家及行業(yè)標準要求。
2．3安裝過程控制
體育場徑向桁架采用“地面拼裝成段、跨外分段
吊裝、高空對接合攏、結(jié)構(gòu)整體分級同步卸載”的施工
工藝。單組安裝順序如圖5所示。鑄鋼節(jié)點吊裝步
驟為：安裝位置操作平臺搭設(shè)-+地面綁扎一起吊一空
中粗略就位_全站儀精確定位_點焊加固_汽車式
起重機卸鉤一焊接完成。其安裝控制要點主要分為
吊前控制、初調(diào)控制、吊裝后控制3個部分。
鬻曩薷系曩桿 &amp;amp;霸內(nèi)環(huán)移摻架 懸挑桁架1 X竊麥礦＼)／
一于
圖5 x形主桁架吊裝順序及鑄鋼節(jié)點分布
Fig．5 The hoisting sequence of X-shaped
main truss and the cast steel joint distribution
2．3．1 吊前控制
高空難以進行就位調(diào)整，因此吊裝前的地面綁
扎很關(guān)鍵。其控制要點為保證起吊后管口的空間
方位大致正確，方法是用起重機吊離地面約lOcm
用手拉葫蘆調(diào)節(jié)。
2．3．2 初調(diào)控制
地面綁扎完成后開始起吊，將與下懸桿相連的
鑄鋼件管口置于下懸桿，此時起重機不能松鉤，用
手拉葫蘆調(diào)節(jié)到大概位置后，根據(jù)空間三點確定其
位置的原則，對照預(yù)先計算出的鑄鋼件支管口中心
點坐標，通過用全站儀對節(jié)點兩個支管中心點位置
觀測的方法進行精確定位，經(jīng)鉚工焊接、加固后，方
可松吊鉤。
2．3．3 吊裝后控制
每對鑄鋼件安裝加固完成之后，采用千斤頂配
合汽車式起重機安裝的方法，安裝桁架支撐及鑄鋼
件之間相連的桿桿，以防鑄鋼件過重導(dǎo)致下部桁架
(下轉(zhuǎn)第81頁)
萬方數(shù)據(jù)
2016 No．2 翟衛(wèi)武：無錫碩放機場雨篷預(yù)應(yīng)力鋼拉桿張拉分析與應(yīng)用8l
4相鄰單元之間影響
分析2片雨篷間預(yù)應(yīng)力相互影響時，假定其中
一片雨篷的預(yù)應(yīng)力鋼拉桿均已張拉至設(shè)計索力，另
一片雨篷由底部鋼拉桿至頂部一次性張拉至設(shè)計
索力，分析已張拉完成的雨篷鋼拉桿索力是否發(fā)生
較大變化。結(jié)合上述有限元分析模型和鋼拉桿編
號，其中1號雨篷為已經(jīng)張拉完成狀態(tài)，分析時2號
雨篷拉索由2．3組_+2-2組一2-1組，均張拉至
100％設(shè)計索力。圖3為2片雨篷預(yù)應(yīng)力鋼拉桿
編號。
張拉過程中拉桿索力變化如表3所示。
由上述分析可得，雨篷預(yù)應(yīng)力鋼拉桿張拉時相
互間影響較小，結(jié)構(gòu)變形影響也較小。其中預(yù)應(yīng)力
鋼拉桿的索力有增大也有降低，增大幅度最大為
2．1％、降低幅度最大為1．7％，因此，該結(jié)構(gòu)雨篷鋼
拉桿可采取逐片張拉的施工方法。
表3張拉過程中拉桿索力變化
Table 3 The tensioning rod cable force
changes during tensioning N
圖3 2片雨篷預(yù)應(yīng)力鋼拉桿編號
Fig．3 The prestressed steel bar numbering of two awning
5結(jié)語
本文通過對胎架卸載與張拉順序、張拉過程中
雨篷單元內(nèi)部及相鄰單元之間結(jié)構(gòu)及索力變化進
行了比較分析，選擇了胎架先行卸載、單元逐個張
拉的施工順序，在張拉過程中對索力及結(jié)構(gòu)變形進
行了監(jiān)測。結(jié)果表明，按照上述原則實施的張拉方
案科學可行，為多組連續(xù)單元預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的張拉提
供借鑒經(jīng)驗。
參考文獻：
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鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計[C]／／第十四屆空間結(jié)構(gòu)學術(shù)會議論文
集，2012．
(上接第42頁)
下?lián)?，支撐及系桿必須于鑄鋼節(jié)點完成后當天安裝
完畢。支撐及系桿的安裝順序為：優(yōu)先安裝支撐，
然后安裝系桿。
3 結(jié)語
1)實踐證明，在工程的安裝過程中，鑄鋼節(jié)點
有限元分析、構(gòu)件進場前力學性能檢測、施工過程
精準定位等一系列技術(shù)的應(yīng)用，為鑄鋼節(jié)點的順利
施工提供了保障，有效地保證了工程質(zhì)量，是切實
可行的。
2)在大跨度復(fù)雜管桁架的施工中，進行鑄鋼節(jié)
點的有限元分析，分析節(jié)點承載力及其破壞模式，
其分析結(jié)果對工程安全施工具有重要的指導(dǎo)意義。
3)節(jié)點安裝過程中，定位控制措施的嚴格執(zhí)行
是鑄鋼節(jié)點順利安裝并保證其對整體結(jié)構(gòu)的影響
不超過設(shè)計要求的關(guān)鍵。
參考文獻：
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