杭州奥体主体育场开合部位钢结构支撑架的设计研究

赵剑丽，周观根

（1.浙江东南网架股份有限公司，杭州 311209；2.浙江交通职业技术学院，杭州 311112）

1 工程概况

杭州奥体博览中心主体育场主体结构由空间管桁架加弦支单层网壳体系所构成的悬挑罩棚，整个钢罩棚由28片主、次花瓣形成的花瓣组构成，如图1所示。钢罩棚由上部、下部支座支撑在钢筋混凝土看台或平台上，罩棚外边缘南北向长约333 m，东西向约285m，罩棚最大宽度68m，悬挑长度52.5m，罩棚最高点标高59.4m。

如图2所示，体育场主体钢结构安装：在非开合区域，主桁架立面段和肩部段可以利用看台结构内的铸钢节点、刚性拉杆和支撑杆固定桁架吊装单元；在开和区域，由于缺少非开合区域的拉杆和支撑，这对罩棚施工带来了较大的麻烦，故在开合区域采用了必要的稳定措施——组合式格构支架。

图1 奥体博览中心主体育场效果图

图2 主体结构完工前后示意图

2 支撑方案与数值分析

2.1 支撑方案

支架的支撑点平面布置见图3，采用该种布置方式一方面能够保证上部罩棚主桁架主杆的位置，另一方面可以使荷载通过转换桁架传递于混凝土结构柱上。

图3 支撑架布置图

临时支撑架均采用Q235钢，强度设计值f＝215N／mm2。每个标准节尺寸为2.0m×2.0m×1.5m，其中立杆钢管规格：Φ89×4，腹杆钢管规格：Φ60×3.5。支撑架中心加设通高钢管Φ180×10加强，每间隔3m与四周支撑架节点做拉结支撑 （Φ60×3.5），见图4。支撑架环向与径向的中部和上部均用水平桁架连成一体，上部和下部设置米字形斜撑，斜撑采用Φ203×10的圆钢管，双层布置。

2.2 有限元模型参数

截面尺寸：支撑架标准节系杆采用Φ89×4，腹杆采用Φ60×3.5；上部支撑架中心加强圆钢管采用Φ159×8、下部支撑架中心加强圆钢管采用Φ180×10，转换层的工字钢采用400×380×30、其它部位工字钢采用900×310×30。

图4 支撑架构造图

结构重要性系数：1.00；荷载信息：恒载；支撑架自重 （工况号：0）活载：400kN （工况号：1）。荷载组合 ①1.35恒载 ＋1.40×0.70活载工况1；②1.20恒载 ＋1.40活载工况1；③1.00恒载 ＋1.40活载工况1；④1.20恒载。

2.3 开口处支撑架内力分析

本节采用ANSYS对开口处支撑架进行内力分析，参考同类型项目支撑架有限元分析计算时的分析要点、荷载组合、边界条件确定了本项目的有限元分析模型[2－4]。

由有限元分析结果可知，上部支撑变形最大的位置位于支撑顶部，其中x轴方向最大位移为4 mm、y轴方向的最大位移为0.14mm、z轴方向的位移为13.8mm，见图5－a～5－d所示。

图5 上部支撑计算结果

下部支撑的位移主要表现为工字型钢梁跨中的挠度和支撑上部的转角，其中工字型钢梁的最大挠度为3.8mm，远小于跨度的1／1000，见图6－a～6－d所示。短柱z向最大压缩量约为1.9mm。长柱z向最大压缩量约为2.8mm，与短柱相比两位移差为0.9mm。由模型应力云图，应力最大的部位位于支撑腹杆，应力大小为139MPa，小于215 MPa，满足要求。

该方案目前已通过专家论证并顺利实施，现场开口部位主桁架吊装已完成。通过模拟分析和实际数据的对比，发现模拟分析结果和现场实测结果具有很高的吻合度，故该有限元设计方法可以对该类支撑架的设计工作提供具有指导性的方案。

图6 下部支撑计算结果

2.3 风荷载作用分析

本节采用MIDAS GEN对支撑架的抗风性能进行了研究分析。基本风压取0.45，风荷载直接作用在支撑架上。支撑架在环向风与径向风作用下的弯矩分布值见图7所示。

图7 风荷载验算图

支撑架验算结果如下表1所示，各支撑架的应力比均小于1，说明在轴压和环向风荷载作用下开口处支撑架的稳定性满足规范要求。

表1 开口处支撑架在外荷载作用下的应力表

3 结 语

杭州奥体主体育馆项目结构复杂，安装难度大，在开口区域采用了东南网架的专利产品组合式格构支架，本文通过ANSYS有限元软件对该支架进行了设计研究，模拟分析结果和现场实测结果具有很高的吻合度；采用MIDAS GEN对支撑架进行了抗风性能的数值模拟，支撑架的抗风性能满足我国规范要求。综上所述，本文提出的有限元设计方法在实际支撑架的设计和施工中具有很高的实用价值。

[1]周观根，何挺，虞崇钢，等.山西体育中心三馆新型弦支结构施工关键技术[J].施工技术，2012，41（369）：73－76.

[2]李毅，杨正军，吕黄兵，等.建筑施工中大型塔吊支撑架的设计及验算[J].钢结构，2013，（1）：42－45.

[3]王玉生，吴伟杰，邢遵胜.北戴河火车站临近营业线雨篷滑移支撑架设计与施工[J].施工技术，2011，40（347）：23－25.

[4]范海雄，韩华亭，王崴.一种支撑架的设计与结构优化[J].机械设计与制造，2010，（5）：9－11.