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奧體工程大跨度鋼結構設計施工若干問(wèn)題的建議

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    劉樹(shù)屯
    中國航空工業(yè)規劃設計研究院
    北京市西城區新外大街甲八號26-4-5
    100088

    摘 要：本文對大跨鋼結構設計方案、推廣應用高性能鋼材、結構安全等級的掌握、焊縫等級的選用及施工因素對設計承載能力的影響進(jìn)行了論述。
    關(guān)鍵詞 ：設計方案、高性能鋼材、承載能力、殘余應力、
    一、體育場(chǎng)屋蓋設計方案應采用輕型結構、應考慮將看臺結構作為傳力的支承體系
    近些年來(lái)，我國陸續建成了幾個(gè)大跨度奧運體育場(chǎng)，南京奧體中心主體育場(chǎng)，屋蓋結構是由與水平面成45度傾斜的、跨度為361.58ｍ的三角形行架拱和有箱形鋼梁形成的馬鞍形空間網(wǎng)殼結構，用鋼量約12153噸。整個(gè)屋蓋結構由主拱和箱形梁外端“Ｖ”型支承將荷載傳至下部看臺（圖一），45度傾斜主拱宛如飄帶，結構體系造型新穎美觀(guān)。重慶奧體中心主體育場(chǎng)屋蓋結構也是由跨度314ｍ的三角形行架拱和空間網(wǎng)殼組成，網(wǎng)殼一端支承在看臺上，將荷載傳至下部看臺結構（圖二）。




    沈陽(yáng)奧林匹克體育中心體育場(chǎng)為容納六萬(wàn)人的大型體育場(chǎng)，罩棚鋼結構屋面為以橄欖葉的王冠為設計概念所設計成的跨度360m的大型屋頂，屋面罩棚結構采用單層網(wǎng)殼結構體系，南北罩棚內側懸挑處各設置一空間加勁三角桁架，屋面網(wǎng)殼采用單根大口徑鋼管，一端支撐在地面，另一端直接與懸挑端的空間加勁桁架相貫連接。本罩棚鋼結構總重量約12000噸，工程建筑面積103992?。這些工程的共同特點(diǎn)是屋蓋鋼結構充分利用下部看臺作為傳力結構，屋蓋方案采用輕型網(wǎng)殼和鋼管行架落地拱，造型新穎，用鋼量只有鳥(niǎo)巢的1/4。


    鳥(niǎo)巢鋼結構采用了與看臺完全脫開(kāi)的方案（圖四、圖五），水平荷載通過(guò)行架、由鋼結構柱傳至柱底、而巨大的柱底水平力由與看臺基礎脫開(kāi)的巨型柱腳傳遞，結果造成鋼結構桿件太大、鋼板太厚，總用鋼量超過(guò)4萬(wàn)2千噸。如果在屋蓋門(mén)架柱頂處、看臺頂部給門(mén)架增設支點(diǎn)，利用下部看臺作為傳力結構，將極大減少整體鋼結構的內力、減少鋼材用量。這樣做并不影響“鳥(niǎo)巢”的建筑外形效果，也不影響室內觀(guān)眾視線(xiàn)。表一給出了在靜荷載作用下增設支點(diǎn)后的柱腳內力計算結果，其中FZ（支撐）、FX（支撐）分別表示增設支點(diǎn)后的24個(gè)柱腳處的豎向力、水平力；FZ、FX分別表示不增設支點(diǎn)、按照原設計計算簡(jiǎn)圖計算的24個(gè)柱腳處的豎向力、水平力。計算結果表明，FZ／FZ（支撐）?1.57～1.97，FX／FX（支撐）?2.39～3.64，即增設支點(diǎn)后柱腳豎向力、水平力僅為原設計計算簡(jiǎn)圖的57?、33?。
    通過(guò)上述分析，300ｍ已上大跨度體育場(chǎng)采用輕型空間鋼結構、利用下部看臺作為傳力結構，不但造
    型輕盈美觀(guān)，而且可以大量節省鋼材。





    二、大跨度體育場(chǎng)廣泛應用國產(chǎn)高性能鋼材，鋼材性能已優(yōu)于國外，
    ，我國建筑鋼結構應用的迅速發(fā)展，尤其是奧體大跨度體育場(chǎng)館的建設極大的推動(dòng)了鋼結構應用技術(shù)水平的提高。隨著(zhù)高層與大跨度鋼結構項目的增多，對結構用材的品種、質(zhì)量及性能的要求也更高，現工程所需優(yōu)質(zhì)厚鋼材（厚度50～100?）的供需矛盾仍較為突出，以致國內已建的大跨及高層鋼結構中，絕大多數采用了進(jìn)口厚鋼材。為改變這一局面，鋼鐵行業(yè)研制開(kāi)發(fā)了專(zhuān)為高層鋼結構用的優(yōu)質(zhì)中厚板材，并于2000年頒布了《高層建筑結構用鋼板》YB4104-2000行業(yè)標準（見(jiàn)表二），并可大批量供應工程應用。這種牌號為Q235GJ、Q345GJ的優(yōu)質(zhì)厚鋼板有著(zhù)良好的綜合性能，如低厚度效應（板厚50～100?時(shí)屈服強度僅降低6%，而普通Q345鋼要降低20%），良好的延性與沖擊韌性（保證-40度沖擊功）及焊接性能（碳當量保證），以及抗撕裂性能（Z向性能保證）等。還可以正火狀態(tài)交貨，以消除內應力，細化晶粒，可以說(shuō)能滿(mǎn)足按抗震設計的鋼結構用厚板材料的各種性能要求，其質(zhì)量性能已優(yōu)于日本SN50鋼與美國A572-50級鋼。近兩年來(lái)，在北京中關(guān)村金融中心、上海文獻中心及北京電視中心、北京銀泰大廈等工程中采用舞陽(yáng)鋼鐵有限責任公司生產(chǎn)的Q345GJZ厚板都取得較好的效果。其突出的優(yōu)點(diǎn)是可比普通Q345鋼提高設計強度18%，可降低相關(guān)用鋼量及造價(jià)10%以上，去年以來(lái)國家體育場(chǎng)（鳥(niǎo)巢）、五棵松文化體育中心等奧運場(chǎng)館及CBD區中央電視臺新址、國貿大廈（三期）等重點(diǎn)工程（要求厚度達100～130mm用鋼量超過(guò)10萬(wàn)噸），都以此高層建筑鋼結構板材為厚板訂貨的首選用材。
    《YB4104-2000》是非等效采用JISG3136《建筑結構用鋼》標準制定的，其屈服強度級別最高為345MPa(（抗拉強度490MPa），而國際上已開(kāi)發(fā)出抗拉強度590MPa和780MPa的高強度的建筑用鋼，為適應建筑結構向高層化和大跨度發(fā)展，建筑結構必須使用高強度鋼材，如鳥(niǎo)巢就在國內首次采用了Q460E-Z35厚度為100mm、110 mm高強度鋼約700噸，試驗結果證明，各項指標均滿(mǎn)足國標的要求。碳、硫、磷的含量分別為C≤0.17%、P≤0.015%、S≤0.015%、碳當量≤0.48%、屈服強度≥425MPa、抗拉強度≥575MPa、延伸率≥20%、強屈比≥1.2、-40度時(shí)Akv≥34J，抗層狀撕裂性能滿(mǎn)足Z35的相應要求。新的國家標準《GB/T19879-2005》新增加了490MPa、420MPa，460MPa三個(gè)強度級別，此標準是我國近年來(lái)高強鋼板研制開(kāi)發(fā)的最新成果，按此標準生產(chǎn)的鋼板其技術(shù)性能已達到國際先進(jìn)水平，表二列出了國標《GB/19879-2005》鋼材性能表。
    當前我國重大工程采用了Q345GJ、Q460GJ等鋼板，但《鋼結構設計規范》和《高層民用建筑結構技術(shù)規范》都一直未對上述鋼材新標準的變化做出積極的反應，也未提出任何修改補充應用的局部條款，致使設計與鋼材新產(chǎn)品標準間的矛盾日益突出，為此建議立即著(zhù)手修訂有關(guān)規范以滿(mǎn)足設計急需。
    厚板的Z向抗撕裂性能屬于鋼材的純凈度要求，有Z向要求的鋼板會(huì )增加造價(jià)20%以上，故應慎重采用。
    1） 僅在施工中因接頭構造與焊接約束力較大，可以引起層狀撕裂的部位，并在使用中該處也受到層裂方向拉力作用時(shí)，才對該部位的厚板考慮Z向要求。
    2）對重要框架箱型厚板柱構件（節點(diǎn)區采用內隔板構造），當厚板t為40～60?時(shí)可要求Z15性能、當t?60?時(shí)可要求Z25性能，一般不宜要求Z35性能（Z15、Z25、Z35相應為厚板方向斷面收縮率應≥ 15%、25%及35%），此時(shí)鋼材相應的含硫（S）量應保證嚴格控制要求（分別≤ 0.01%、0.007%、0.005%）。
    3）對類(lèi)似上述條件的厚翼緣H型鋼柱，由于節點(diǎn)區約束條件的不同，對厚翼緣鋼材有Z向性能要求時(shí)，可僅要求Z15性能的保證。
    4）當重要的承重框架梁柱節點(diǎn)采用梁貫通（梁上、下翼緣處對應的柱橫隔板貫通并與梁翼緣熔透對焊）構造，并當隔板厚度t?40?時(shí)，可僅對厚隔板材料附加Z性能要求。

    三、對結構各類(lèi)構件的安全等級應區別對待，不要過(guò)分提高或降低安全等級。
    建筑結構可靠度設計統一標準中明確規定，建筑物中各類(lèi)構件的安全等級可以進(jìn)行調整，如果某些構件的破壞后果很?chē)乐?，引起次生災害或整個(gè)結構的倒塌，其安全等級應適當提高；反之，結構的某些次要構件破壞后其后果不嚴重，不影響整體結構的安全，其安全等級應降低。結構不分主次，安全等級一律提高一級（其重要性系數1.1），強度設計值一律降低0.8倍，致使結構的安全度在原有設計安全度（1.55）的基礎上，又增加了1.1/0.8=1.378倍，總的安全度達到1.55×1.378 =2.136。主要構件安全度適當提高是可以的，但對于只起傳力作用的次要構件，其破壞并不影響整體結構的安全，安全度可適當降低。從抗震耗能的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，大震時(shí)希望次要構件出現塑性，這樣可以吸收地震能量，減少地震力作用，對整體結構的抗震是非常有利的。
    由于結構安全度不適當提高，致使當前一些大跨度工程用鋼量太大。當前要特別注意的是，在結構設計中，在保證安全可靠的前提下，不要過(guò)分加大結構的安全度，造成鋼材的大量浪費。
    另外，也要特別注意的另外一種傾向是：在某些工程的招標過(guò)程中，為中標壓價(jià)，盡量減少用鋼量，致使構件安全度太低，受壓構件的長(cháng)細比太大，致使在安裝過(guò)程中造成桿件彎曲。由于安裝誤差太大，造成數百桿件超過(guò)設計應力，最后不得不采取現場(chǎng)加固處理措施。

    四、慎重選用全熔透焊縫，焊接殘余應力只能減少不能消除。
    鋼結構設計規范第7.1.18條對全熔透焊縫的采用做了明確規定，只有在下列情況下才能選用全熔透焊縫。
    1）在需要進(jìn)行疲勞計算的構件中，凡對接連接焊縫均應焊透，受拉時(shí)為一級，受壓時(shí)為二級。
    2) 不需要計算疲勞的構件中，凡要求與母材等強的對接焊縫，應與焊透。受拉時(shí)為一級，受壓時(shí)為二級。
    重級工作制和起重量大于50噸的中級工作制吊車(chē)梁的腹板與上翼緣的連接焊縫要求焊透。質(zhì)量等級不應低于二級。高層民用建筑技術(shù)規程第8.4.2條規定，箱型焊接柱其角部的組裝焊縫應為部分熔透的V型或U型焊縫（圖七）。焊縫厚度不應小于板厚的三分之一，抗震時(shí)不小于板厚的二分之一，當梁與柱剛接連接時(shí)，在框架梁的上下600mm范圍內，應采用全熔透焊縫。設計者一定要區分受力情況、重要程度，明確哪些部位采用一級全熔透焊縫。對于以靜載為主的結構，構件為軸心拉壓桿件，箱型構件的四條連接焊縫不受力，也不傳遞剪力。許多橋梁和大跨度鋼結構工程都采用了格構式構件，就是這個(gè)道理。


    采用部分熔透焊縫，可以省掉預熱、保溫等特殊的厚板焊接工藝，省掉熔敷金屬約三分之二，工作量?jì)H為全熔透焊縫工作量的三分之一，如以每噸節省1000元計算，可以節省大量資金，同時(shí)又縮短工期。大量采用全熔透焊縫的結果，由于焊道數量的大量增加，造成焊接熱量的大量堆積，熱影響區加大，致使焊接變形及焊接應力加大。
    關(guān)于焊接殘余應力問(wèn)題，在某些工程中設計規定施工中要消除焊接殘余應力。這項規定給制造和安裝造成極大困難，最終未能實(shí)現。殘余應力是加工制造過(guò)程中必然產(chǎn)生的，焊接時(shí)產(chǎn)生的不均勻溫度場(chǎng)，必然導致焊接殘余應力的產(chǎn)生，當焊縫及其附近金屬被加熱并發(fā)生膨脹時(shí)，遠離焊縫的冷金屬對其該部分金屬產(chǎn)生約束，當恢復到室溫時(shí)，焊接被加熱的金屬就會(huì )產(chǎn)生拉應力，而約束部分則產(chǎn)生相應的壓應力來(lái)平衡。圖八畫(huà)出了H型截面常用殘余應力分布形式。

    殘余應力的存在，可能會(huì )減低截面抗側向剛度和構件平面內整體抗彎剛度，對構件的穩定性有一定影響，現以翼緣為軋制邊的焊接工字形截面為例（圖九），它沿構件長(cháng)度方向殘余應力的分布如圖所示，假定翼緣邊緣最大殘余應力為 σrc=0.45fy ，將構件截取一段作短柱試驗，當外力產(chǎn)生應力σ=N/A=0.55fy以后，翼緣邊緣開(kāi)始屈服，并逐漸向內發(fā)展，能繼續抵抗外力的彈性區逐漸縮小，由于截面塑性的發(fā)展，對弱軸Y-Y的剛度的影響要比對強軸X-X的影響更大。

    由于各類(lèi)構件截面殘余應力分布情況有較大差異，而其影響又隨壓桿屈曲方向而不同，故φ-λ曲線(xiàn)實(shí)際上是一個(gè)分布帶，“TJ17-74規范”采用一條曲線(xiàn)顯然不合理，國外規范多采用2-3條曲線(xiàn)，“GBJ17-88”共計算了200多條柱子曲線(xiàn)，采用了13種殘余應力模式，考慮初始彎曲L/1000，最后將這200多曲線(xiàn)歸納為a、b、c三條曲線(xiàn)（圖十）。由于高層和大跨度結構的日益廣泛應用，新規范“GB50017-2003” 修訂增加了第四類(lèi)即d類(lèi)截面的穩定系數。高層及大跨的柱翼緣厚度都超過(guò)40毫米，這類(lèi)厚壁柱的殘余應力值很高，且沿壁厚方向變化，板件外表面往往以殘余壓應力為主，對構件的穩定的影響較大，導致它的承載能力下降。以 λ=60為例，d類(lèi)構件比a類(lèi)構件φ 值減低了30%，比b類(lèi)降低了23%，比c類(lèi)降低了13%，隨λ值的加大，d類(lèi)構件的φ值降低的就更多（圖十）。


    基于上述分析，國家規范已對殘余應力對構件承載能力的影響作了充分考慮，設計者在實(shí)際工程中不必采取消除殘余應力的措施，實(shí)際上殘余應力是客觀(guān)存在、消除不了的，但在施工過(guò)程中應采取合理的焊接工藝，盡量減少殘余應力的影響。

    五、設計必須充分考慮施工因素對結構承載能力的影響
    設計所采用的計算模型，是理想的理論上的計算模型，計算假定施工過(guò)程中不存在結構構件強迫就位，即不考慮施工過(guò)程產(chǎn)生的安裝初始內力，不考慮具體的施工過(guò)程、施工順序，僅對合攏后的整體結構進(jìn)行驗算；不考慮施工中產(chǎn)生的較大安裝偏差，認為節點(diǎn)坐標都是理想坐標。隨著(zhù)結構跨度越來(lái)越大，結構形式越來(lái)越復雜，由于施工因素的影響上述計算的理想假定難以滿(mǎn)足要求。
    1）安裝偏差的影響
    《鋼結構施工質(zhì)量驗收標準》關(guān)于各種允許偏差的規定，均是基于一般工業(yè)與民用建筑鋼結構工程制定的，而大跨度鋼結構工程，結構復雜，構件異型，存在大量高空不同方向的對接，必然會(huì )出現測量誤差偏大、制作與安裝誤差超出標準要求的幾率較高。如某一大跨度球節點(diǎn)網(wǎng)架工程安裝時(shí)產(chǎn)生較大偏差，下弦實(shí)測最大安裝偏差達到300mm，經(jīng)對16000節點(diǎn)和60000萬(wàn)個(gè)桿件實(shí)測安裝坐標，重新建立計算模型進(jìn)行復核，雖然結構剛度和強度沒(méi)有太大的變化，但也有個(gè)別構件超過(guò)原設計標準，超應力桿件達200余根，最后不得不進(jìn)行加固處理。再有，某一大跨度工程主桁架地面拼裝時(shí)上下弦兩端軸線(xiàn)高度允許偏差為5mm、長(cháng)度允許偏差5mm-10mm之間，但在高空安裝組拚時(shí)，最大產(chǎn)生了10mm的錯口和36mm的焊縫間隙，如此這么大的偏差必然會(huì )影響結構的安全度。
    2）安裝強制就位的影響
    由于結構類(lèi)型復雜，相交于某一節點(diǎn)的桿件過(guò)多，存在大量高空對接，產(chǎn)生對接接口、錯口和間隙過(guò)大是難免的，如圖十一為鳥(niǎo)巢桁架柱典型節點(diǎn)，桿件為箱型厚板斷面約18個(gè)桿件空間交匯一點(diǎn)，圖十二為彎扭構件典型節點(diǎn)，桿件均在節點(diǎn)外拼接，圖十三為桁架高空拼接圖，要保證多個(gè)接口的精度難度極大。受加工制作誤差、施工過(guò)程溫度變化、測量誤差等影響，產(chǎn)生了接口錯邊和接口間隙過(guò)大現象，有個(gè)別錯邊達５mm、接口間隙達29mm。另外，由于頂面次結構和肩部次結構是主結構卸載后安裝，而次結構是按卸載前的幾何尺寸進(jìn)行加工的，將來(lái)可能會(huì )存在大量的構件接口出現超差現象。為滿(mǎn)足設計要求，對于錯口的處理采用千斤頂或火攻校正方法，強制構件就位的結果由于扭轉力矩的作用，給外伸牛腿造成較大的內應力，這些內應力是設計無(wú)法考慮的，勢必會(huì )對結構安全造成影響。

    3）焊接內應力的影響
    鳥(niǎo)巢為全焊接鋼結構，焊縫總長(cháng)為30萬(wàn)延米，基本上為厚板全熔透焊縫，焊接工作跨越整個(gè)冬季，即有高強鋼（Q460E-Z35）的焊接，又有鑄鋼件的焊接，厚板焊接熔敷量大，加之接口間隙超差，造成對接接口處大量焊接熔敷金屬的堆積（圖十四），雖然采取預熱保溫措施，但焊接內應力的存在是必然的，而且也是很大的。


    4）屋蓋合攏溫度的影響
    溫度應力的計算是大跨度鋼結構設計的核心，但是施工的具體過(guò)程往往難以滿(mǎn)足設計要求，從設計者來(lái)說(shuō)，總希望合攏時(shí)選取一個(gè)最佳的溫度，使升溫+∆t、降溫-∆t大致相同，這樣可減少溫度應力的影響。但施工中各種不可預料的因素，合攏溫度難以滿(mǎn)足設計要求，有時(shí)∆t相差1度對結構就有影響，尤其是對200米以上的特大跨結構，設計者應充分考慮施工過(guò)程中溫度變化對合攏的影響，應考慮一年四季最不利的合攏溫度影響，否則當施工合攏溫度不滿(mǎn)足設計要求時(shí)，會(huì )減低結構的承載能力。鳥(niǎo)巢鋼結構的安裝時(shí)間經(jīng)歷了從冬季到夏天過(guò)程，主結構鋼柱安裝完畢再安裝次結構，由于鋼柱不是機構，是一個(gè)穩定的多層鋼結構體系，受溫度的影響，次結構安裝必然會(huì )對鋼柱產(chǎn)生很大的溫度應力，圖十五為鋼材表面溫度55度時(shí)次結構安裝對鋼柱的影響，柱底溫度應力達到了107MPa。因此，設計者必須充分考慮施工過(guò)程、溫度變化對結構承載能力的影響。
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