杭州奥体博览中心主体育场钢结构施工模拟分析_周观根
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吊装单元划分完毕后需明确吊装顺序，并在施 工现场进行单元拼装。单元拼装场地需进行平整， 确保单元拼装定位准确。主桁架单元划分及 3 种吊 装方案如图 5 所示。①方案 1 以一组相背花瓣的 下支座为起点进行吊装，先安装外环桁架然后安装 内环悬挑桁 架，再 安 装 环 桁 架，整 个 过 程 以 形 成 一 组相背花瓣为止； ②方案 2 以一组相对花瓣的下 支座为起点 进 行 吊 装，由 外 环 向 内 环 安 装，形 成 一 组相对的花瓣为止； ③方案 3 为先安装外环方向， 待外环 安 装 基 本 完 成 后 再 进 行 悬 挑 和 环 桁 架 的 安装。
图 2 钢结构罩棚 Fig． 2 Steel structure awning
3 施工过程模拟分析 3. 1 施工模拟分析方法
结构在施工过程模拟分析与设计状态分析的 主要区别 在 于 是 否 考 虑 了 路 径 效 应 问 题［1-2］，本 文 所采用的施工模拟方法是基于 ANSYS 生死单元技 术［3］的一次性建模法，这种方法较分步建模法其优
［摘要］ 杭州奥体博览中心主体育场钢结构罩棚由空间管桁架和弦支网壳组成，具有造型独特、结构形式多样、悬
挑跨度大等特点。通过有限元分析软件 ANSYS 对比分析了 3 种结构吊装方案，研究其在考虑路径效应下不同拼
装顺序对结构的变形、受力状况的影响； 对基于一次性加载法和考虑路径效应的钢结构支撑架卸载过程进行了对
图 5 施工模拟结构单元划分与吊装方案 Fig． 5 Divide the structural element of construction simulation and lifting schemes
图 4 施工区域划分 Fig． 4 Division of construction area
［文章编号］1002-8498（ 2014） 08-0001-05
Construction Simulation Analysis on Steel Structure for Main Stadium of Hangzhou Olympic and International Expo Center
图 3 施工模拟有限元模型 Fig． 3 FEA model of construction simulation analysis
1） 单元类型及材料属性 管桁架及网壳杆件 选取 Beam189 梁单元进行模拟，该单元为 3D 线性 有限应变梁单元，适合于分析细长到中等细长的梁 结构； 预应力拉索和钢棒杆件采用 Link10 单元进行 模拟，卸载过程中行程控制采用 Link10 温控千斤顶 单元模拟。钢材的密度取 7 850kg / m3 ； 弹性模量： 拉索取 1. 9 × 1011 N / m2 ，管桁架取 2. 06 × 1011 N / m2 ； 泊松比取 0. 3； 温控千斤顶单元可通过增大弹性模 量来忽略受压产生的竖后变形，需通过设置线膨胀 系数 α 来控制单位卸载行程，α 可以用公式： α = Δ / LT 求得，其中 Δ 为单位卸载行程，L 为单元长度，T 为降温值。
* 国 家 科 技 支 撑 计 划 （ 2012BAJ07B03 ） ； 国 家 自 然 科 学 基 金 （ 51178415） ［作者简介］ 周观根，教授级高级工程师，广州大学硕士生导师，Email： zgg1967@ 163． com ［收稿日期］ 2014 -02 -10
奥体中心的“有 机 ”造 型 设 计 灵 感 源 于 自 然 界 的 花 朵，主体育 场 更 是 犹 如 绽 放 于 钱 塘 江 边 的 白 莲 花 （ 见图 1a） 。
图 1 主体育场整体效果及 钢结构罩棚效果
Fig． 1 Ｒendering of the whole structure of the main stadium and rendering of its steel-structure awning
间管桁架 + 弦支单层网壳钢结构体系（ 见图 2） 。主 花瓣为管桁架结构，主花瓣与主花瓣间以及主桁架 间为弦支单层网壳结构，整个钢结构罩棚由上、中、 下支座支撑在混凝土看台及平台上。钢屋盖分为 墙面、肩部、场内悬挑 3 部分。在结构支座、主桁架 相贯连接部 位、桁 架 与 支 撑 柱 连 接 部 位、主 次 花 瓣 连接节点等位置采用铸钢节点，场内悬挑端部与环 桁架连接采用直接相贯节点。屋盖钢结构主要杆 件截面为圆钢管，圆钢管选用无缝钢管和焊接直缝 钢管； 所 有 主 桁 架 构 件 采 用 Q345C，次 杆 件 为 Q345B，最大直径杆件为 700 × 35。
杭州奥体博览中心主体育场固定座 位80 011 座，为特级 特 大 型 体 育 建 筑 物，整 个 结 构 由 混 凝 土 看台和钢结构罩棚组成。整个钢结构罩棚由 14 组 （ 28 片） 主花瓣、13 片次花瓣组成（ 见图 1b） 。罩棚 外边缘长轴方向为 333m，短轴方向为 285m，罩棚最 大宽 度 68m，悬 挑 长 度 52. 5m，罩 棚 最 高 点 标 高 59. 40m。 2 钢结构罩棚结构体系
2） 边界条件 由于空间管桁架连接节点为相 贯节点，钢结构部分与混凝土看台上、中、下 3 层支 座均由预埋铸钢支座节点焊接连接，所以该模型节 点连接采用刚性连接，支座为固定支座。
3） 荷载取值 施工模拟分析时考虑了施工恒 荷载（ 结构自重） 、活荷载（ 施工活荷载） 以及温度作 用之间的最不利组合。由于结构中使用了大量的 铸钢节点且质量较大，考虑铸钢节点质量、马道、檩 条等，恒荷载分项系数取 1. 5。本文分析了 1. 5 恒 荷载 + 0. 98 活荷载 + 0. 7 温度荷载（ 降温 25℃ ） 组 合工况下结构的应力和变形。
Zhou Guan’gen1 ，Zhang Jiaming1，2 ，Liu Jian2 ，You Guimo1 ，Wang Yongmei1
（ 1． Zhejiang Southeast Space Frame Co． ，Ltd． ，Hangzhou，Zhejiang 311209，China； 2． School of Civil Engineering，Guangzhou University，Guangzhou，Guangdong 510006，China）
2014 年 4 月下
施工技术
第 43 卷 第 8 期
CONSTＲUCTION TECHNOLOGY
1
DOI： 10. 7672 / sgjs2014080001
杭州奥体博览中心主体育场钢结构施工模拟分析*
周观根1 ，张珈铭1，2 ，刘 坚2 ，游桂模1 ，王永梅1
（ 1． 浙江东南网架股份有限公司，浙江 杭州 311209； 2． 广州大学土木工程学院，广东 广州 510006）
1 工程概况 杭州奥体博览中心主体育场位于钱塘江与七
甲河交汇处南侧，规划建筑面积 22. 9 万 m2 ，可举办 洲际性、全国性综合运动会及国际田径、足球比赛， 是杭州奥体博览城奥体中心的重要组成部分。根 据项目总体规划，杭州奥体中心体育场将于 2015 年 投入使用，将 与 博 览 城 一 起 成 为 杭 州 市 的 新 地 标。
3. 3. 2 管桁架单元吊装方案 钢结构罩棚除开口处一组花瓣支撑杆件略有
不同，其余 13 组花瓣支撑布置基本相同。整体施工 方案确定后对单个花瓣的拼装进行分析，桁架采用 地面拼装，利 用 大 型 履 带 式 起 重 机 场 内、场 外 分 段 吊装。首先将花瓣主桁架划分为多个单元进行吊 装，划分时综合考虑单元刚度、拼接点位置、结构稳 定等因素。
杭州奥体博览中心主体育场钢结构罩棚为空
2
施工技术
Hale Waihona Puke 第 43 卷点是可以考虑几何非线性影响，分析精度较高； 分 步建模法只能分析已有模型的受力状态，无法考虑 上一部安装位形对后续施工步的影响，即无法考虑 施工顺序的不同而产生路径效应问题。 3. 2 施工模拟有限元模型
该工程主要采用了空间管桁架结构体系，施工 模拟分析有限元模型的建立应尽量与实际工程相 符合，传统 方 法 是 利 用 弹 性 约 束 来 模 拟 临 时 支 撑 架，这种方 法 计 算 所 得 到 结 构 的 变 形 和 内 力 偏 小， 本文采用 ANSYS 参数化编程将支撑架一同建立到 模型中，使其参与受力变形； 在进行卸载分析时采 用“温控 千 斤 顶 单 元 ”［4］ 控 制 卸 载 行 程。 根 据 本 工 程实际采用的钢材型号、截面尺寸利用 ANSYS 有限 元软件建立有限元模型（ 见图 3） 。
比分析。分析结果表明考虑路径效应的分析方法与一次性加载法所计算的结构响应有很大不同，前者更接近结构
实际状态，使结构施工过程安全可靠。通过计算分析可以确保空间管桁架的安装精度，保证施工过程的安全性和
经济性。
［关键词］ 钢结构； 体育场； 数值模拟； 有限元分析； 卸载
［中图分类号］ TU974
［文献标识码］ A
2014 No． 8
周观根等： 杭州奥体博览中心主体育场钢结构施工模拟分析
3
3. 3 钢结构施工方案与吊装方案 3. 3. 1 结构施工方案
结合该 工 程 特 点，通 过 各 种 施 工 方 案 对 比 分 析，选用高空分块吊装法［5-6］进行施工。体育 场 钢 结构罩棚为环形封闭结构，分成 4 个施工区进行施 工，这样的施工区域划分方式可充分利用分区场地 进行桁架单元的地面拼装，同时各区域施工互不影 响，提高 了 施 工 效 率。结 构 吊 装 分 别 以 ○ 1-5a 轴、 ○ 1-15a轴、○ 1-25a轴和 ○ 1-36a 轴 为 分 界 线。先 施 工 C，D 施工区，后施工 A，B 施工区，最后结构在 ○ 1-5a 轴和 ○ 1-25a轴附近进行合龙（ 见图 4） 。
Abstract： The steel-structure awning of Hangzhou Olympic and International Expo Center main stadium is composed of spatial pipe trusses and cable-stayed shells，which is featured by unique appearance，varied structures and long cantilever span． This paper compares three lifting schemes via ANSYS，focusing on the influence of different assembly order in each scheme on the deformation and stress of the structure under certain path effect，it also carries out a contrastive analysis of the unloading process of one-time installed steel structure and that under certain path effect． Analysis results show much difference between responses of the structure installed taking path effect into consideration and that installed one-time． The former is closer to the actual condition，thus makes the construction safer and more reliable． Calculation and analysis in this paper can help to ensure the installation precision of spatial pipe trusses，guarantee the safety and economy of the construction process． Key words： steel structures； stadiums； simulation； finite element analysis； unloading
图 2 钢结构罩棚 Fig． 2 Steel structure awning
3 施工过程模拟分析 3. 1 施工模拟分析方法
结构在施工过程模拟分析与设计状态分析的 主要区别 在 于 是 否 考 虑 了 路 径 效 应 问 题［1-2］，本 文 所采用的施工模拟方法是基于 ANSYS 生死单元技 术［3］的一次性建模法，这种方法较分步建模法其优
［摘要］ 杭州奥体博览中心主体育场钢结构罩棚由空间管桁架和弦支网壳组成，具有造型独特、结构形式多样、悬
挑跨度大等特点。通过有限元分析软件 ANSYS 对比分析了 3 种结构吊装方案，研究其在考虑路径效应下不同拼
装顺序对结构的变形、受力状况的影响； 对基于一次性加载法和考虑路径效应的钢结构支撑架卸载过程进行了对
图 5 施工模拟结构单元划分与吊装方案 Fig． 5 Divide the structural element of construction simulation and lifting schemes
图 4 施工区域划分 Fig． 4 Division of construction area
［文章编号］1002-8498（ 2014） 08-0001-05
Construction Simulation Analysis on Steel Structure for Main Stadium of Hangzhou Olympic and International Expo Center
图 3 施工模拟有限元模型 Fig． 3 FEA model of construction simulation analysis
1） 单元类型及材料属性 管桁架及网壳杆件 选取 Beam189 梁单元进行模拟，该单元为 3D 线性 有限应变梁单元，适合于分析细长到中等细长的梁 结构； 预应力拉索和钢棒杆件采用 Link10 单元进行 模拟，卸载过程中行程控制采用 Link10 温控千斤顶 单元模拟。钢材的密度取 7 850kg / m3 ； 弹性模量： 拉索取 1. 9 × 1011 N / m2 ，管桁架取 2. 06 × 1011 N / m2 ； 泊松比取 0. 3； 温控千斤顶单元可通过增大弹性模 量来忽略受压产生的竖后变形，需通过设置线膨胀 系数 α 来控制单位卸载行程，α 可以用公式： α = Δ / LT 求得，其中 Δ 为单位卸载行程，L 为单元长度，T 为降温值。
* 国 家 科 技 支 撑 计 划 （ 2012BAJ07B03 ） ； 国 家 自 然 科 学 基 金 （ 51178415） ［作者简介］ 周观根，教授级高级工程师，广州大学硕士生导师，Email： zgg1967@ 163． com ［收稿日期］ 2014 -02 -10
奥体中心的“有 机 ”造 型 设 计 灵 感 源 于 自 然 界 的 花 朵，主体育 场 更 是 犹 如 绽 放 于 钱 塘 江 边 的 白 莲 花 （ 见图 1a） 。
图 1 主体育场整体效果及 钢结构罩棚效果
Fig． 1 Ｒendering of the whole structure of the main stadium and rendering of its steel-structure awning
间管桁架 + 弦支单层网壳钢结构体系（ 见图 2） 。主 花瓣为管桁架结构，主花瓣与主花瓣间以及主桁架 间为弦支单层网壳结构，整个钢结构罩棚由上、中、 下支座支撑在混凝土看台及平台上。钢屋盖分为 墙面、肩部、场内悬挑 3 部分。在结构支座、主桁架 相贯连接部 位、桁 架 与 支 撑 柱 连 接 部 位、主 次 花 瓣 连接节点等位置采用铸钢节点，场内悬挑端部与环 桁架连接采用直接相贯节点。屋盖钢结构主要杆 件截面为圆钢管，圆钢管选用无缝钢管和焊接直缝 钢管； 所 有 主 桁 架 构 件 采 用 Q345C，次 杆 件 为 Q345B，最大直径杆件为 700 × 35。
杭州奥体博览中心主体育场固定座 位80 011 座，为特级 特 大 型 体 育 建 筑 物，整 个 结 构 由 混 凝 土 看台和钢结构罩棚组成。整个钢结构罩棚由 14 组 （ 28 片） 主花瓣、13 片次花瓣组成（ 见图 1b） 。罩棚 外边缘长轴方向为 333m，短轴方向为 285m，罩棚最 大宽 度 68m，悬 挑 长 度 52. 5m，罩 棚 最 高 点 标 高 59. 40m。 2 钢结构罩棚结构体系
2） 边界条件 由于空间管桁架连接节点为相 贯节点，钢结构部分与混凝土看台上、中、下 3 层支 座均由预埋铸钢支座节点焊接连接，所以该模型节 点连接采用刚性连接，支座为固定支座。
3） 荷载取值 施工模拟分析时考虑了施工恒 荷载（ 结构自重） 、活荷载（ 施工活荷载） 以及温度作 用之间的最不利组合。由于结构中使用了大量的 铸钢节点且质量较大，考虑铸钢节点质量、马道、檩 条等，恒荷载分项系数取 1. 5。本文分析了 1. 5 恒 荷载 + 0. 98 活荷载 + 0. 7 温度荷载（ 降温 25℃ ） 组 合工况下结构的应力和变形。
Zhou Guan’gen1 ，Zhang Jiaming1，2 ，Liu Jian2 ，You Guimo1 ，Wang Yongmei1
（ 1． Zhejiang Southeast Space Frame Co． ，Ltd． ，Hangzhou，Zhejiang 311209，China； 2． School of Civil Engineering，Guangzhou University，Guangzhou，Guangdong 510006，China）
2014 年 4 月下
施工技术
第 43 卷 第 8 期
CONSTＲUCTION TECHNOLOGY
1
DOI： 10. 7672 / sgjs2014080001
杭州奥体博览中心主体育场钢结构施工模拟分析*
周观根1 ，张珈铭1，2 ，刘 坚2 ，游桂模1 ，王永梅1
（ 1． 浙江东南网架股份有限公司，浙江 杭州 311209； 2． 广州大学土木工程学院，广东 广州 510006）
1 工程概况 杭州奥体博览中心主体育场位于钱塘江与七
甲河交汇处南侧，规划建筑面积 22. 9 万 m2 ，可举办 洲际性、全国性综合运动会及国际田径、足球比赛， 是杭州奥体博览城奥体中心的重要组成部分。根 据项目总体规划，杭州奥体中心体育场将于 2015 年 投入使用，将 与 博 览 城 一 起 成 为 杭 州 市 的 新 地 标。
3. 3. 2 管桁架单元吊装方案 钢结构罩棚除开口处一组花瓣支撑杆件略有
不同，其余 13 组花瓣支撑布置基本相同。整体施工 方案确定后对单个花瓣的拼装进行分析，桁架采用 地面拼装，利 用 大 型 履 带 式 起 重 机 场 内、场 外 分 段 吊装。首先将花瓣主桁架划分为多个单元进行吊 装，划分时综合考虑单元刚度、拼接点位置、结构稳 定等因素。
杭州奥体博览中心主体育场钢结构罩棚为空
2
施工技术
Hale Waihona Puke 第 43 卷点是可以考虑几何非线性影响，分析精度较高； 分 步建模法只能分析已有模型的受力状态，无法考虑 上一部安装位形对后续施工步的影响，即无法考虑 施工顺序的不同而产生路径效应问题。 3. 2 施工模拟有限元模型
该工程主要采用了空间管桁架结构体系，施工 模拟分析有限元模型的建立应尽量与实际工程相 符合，传统 方 法 是 利 用 弹 性 约 束 来 模 拟 临 时 支 撑 架，这种方 法 计 算 所 得 到 结 构 的 变 形 和 内 力 偏 小， 本文采用 ANSYS 参数化编程将支撑架一同建立到 模型中，使其参与受力变形； 在进行卸载分析时采 用“温控 千 斤 顶 单 元 ”［4］ 控 制 卸 载 行 程。 根 据 本 工 程实际采用的钢材型号、截面尺寸利用 ANSYS 有限 元软件建立有限元模型（ 见图 3） 。
比分析。分析结果表明考虑路径效应的分析方法与一次性加载法所计算的结构响应有很大不同，前者更接近结构
实际状态，使结构施工过程安全可靠。通过计算分析可以确保空间管桁架的安装精度，保证施工过程的安全性和
经济性。
［关键词］ 钢结构； 体育场； 数值模拟； 有限元分析； 卸载
［中图分类号］ TU974
［文献标识码］ A
2014 No． 8
周观根等： 杭州奥体博览中心主体育场钢结构施工模拟分析
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3. 3 钢结构施工方案与吊装方案 3. 3. 1 结构施工方案
结合该 工 程 特 点，通 过 各 种 施 工 方 案 对 比 分 析，选用高空分块吊装法［5-6］进行施工。体育 场 钢 结构罩棚为环形封闭结构，分成 4 个施工区进行施 工，这样的施工区域划分方式可充分利用分区场地 进行桁架单元的地面拼装，同时各区域施工互不影 响，提高 了 施 工 效 率。结 构 吊 装 分 别 以 ○ 1-5a 轴、 ○ 1-15a轴、○ 1-25a轴和 ○ 1-36a 轴 为 分 界 线。先 施 工 C，D 施工区，后施工 A，B 施工区，最后结构在 ○ 1-5a 轴和 ○ 1-25a轴附近进行合龙（ 见图 4） 。
Abstract： The steel-structure awning of Hangzhou Olympic and International Expo Center main stadium is composed of spatial pipe trusses and cable-stayed shells，which is featured by unique appearance，varied structures and long cantilever span． This paper compares three lifting schemes via ANSYS，focusing on the influence of different assembly order in each scheme on the deformation and stress of the structure under certain path effect，it also carries out a contrastive analysis of the unloading process of one-time installed steel structure and that under certain path effect． Analysis results show much difference between responses of the structure installed taking path effect into consideration and that installed one-time． The former is closer to the actual condition，thus makes the construction safer and more reliable． Calculation and analysis in this paper can help to ensure the installation precision of spatial pipe trusses，guarantee the safety and economy of the construction process． Key words： steel structures； stadiums； simulation； finite element analysis； unloading
