2022世界杯主場館鋼結構卸載過程分析

吳晶晶，郭 靜

(精工國際鋼結構有限公司，上海 201100)

1 工程概況

盧賽爾體育場作為2022年卡塔爾世界杯主體育場，是地標級體育場，將舉辦開幕式、揭幕賽、決賽和閉幕式等。主體鋼結構外形類似于一個碩大的金碗，外立面由三角形網格劃分，屋面造型呈馬鞍形，東西高，南北低，整個體育場投影為圓形，其直徑達到309m，鋼結構高度達到76.6m，最終可容納9.21萬人。

主體鋼結構由V柱、壓環以及Vessel桁架組成。綜合考慮結構特點以及現場情況，主體鋼結構的安裝方案采用分段吊裝、高空組拼的方法。首先將48榀V柱安裝并固定在24榀臨時支撐架上，然后將壓環分為24個吊裝段分別吊裝就位，直至合龍，再將不與臨時支撐架碰撞的正V部分Vessel桁架安裝到位，如圖1所示。卸載完成后便可將24個臨時支撐架拆除，然后安裝剩下的24榀倒V部分Vessel桁架。項目團隊對整個施工過程進行模擬分析，并全程監測，重點考慮臨時支撐架的設置對結構整體安全的影響，以及主結構和臨時結構在卸載過程中的安全性等。

圖1 卸載前主體鋼結構示意

2 卸載方案

2.1 卸載點布置

V柱底部作用于一個球鉸支座，而到了頂部，V柱桁架的寬度達13～15m。根據該結構特點，每榀V柱安裝時頂部設置內弦和外弦共2個支撐點，即每個支撐架上4個支撐點，24個支撐架上共計96個支撐點,如圖2所示。

圖2 主體鋼結構支撐點

2.2 卸載流程

根據現場結構受力特點、熟練操作千斤頂的工人數量以及千斤頂數量限制，主體鋼結構卸載分為2個階段進行。

1)第1階段 釋放24個支撐架上共計96個支撐點的全部水平約束。

2)第2階段 豎向卸載，分為6步進行，如圖3所示的階段1～6，每步卸載4個支撐架上的16個支撐點。

圖3 第2階段卸載順序

2.3 卸載工裝

在卸載過程中，主體鋼結構每個支撐點不僅要滿足豎向卸載的要求，還要保證水平方向能夠自由滑動,且關鍵時刻還要能在各方向上鎖住支撐小短柱，阻止其滑動，所以合適的卸載工裝尤為重要。現場根據實際需求，設計出卸載工裝如圖4所示，該工裝由導向柱、頂升梁、2個千斤頂以及墊塊組成。支撐小短柱底部安裝有PTFE板，頂升梁頂部特定區域安裝有不銹鋼板，V柱安裝完成后小短柱的PTFE板與不銹鋼板直接接觸，滿足了后續的V柱調整以及鋼結構卸載過程中的水平滑移的要求。

圖4 卸載工裝

3 卸載分析

根據結構特點，當主體鋼結構具備卸載條件時，壓環已經合龍，形成了一個閉合的受力環。此時主體鋼結構的大部分自重仍然由臨時支撐架承擔，隨著卸載的進行，主體鋼結構自重作用下的變形和應力會不斷增大。在卸載過程中，主體鋼結構與臨時支撐系統之間形成一個相互作用的系統，而這個系統內部不斷發生內力重分布。為了結構自身的安全，以及保證卸載后鋼結構的安裝精度，在卸載施工前必須對卸載過程進行詳盡的計算分析。

由于在卸載過程中一個油壓泵帶動2個千斤頂，所以每個卸載點的兩個千斤頂能保證同步頂升和卸載，不同卸載點之間不同步偏差在±10mm內。在卸載分析過程中必須考慮不同步。

3.1 整體卸載方案與分步卸載方案對比

整體卸載是指24個支撐架上的96個卸載點同步卸載，直至每個卸載點的全部小短柱都脫離。分步卸載則是24個支撐架上的卸載點分批次不同步卸載。在定方案前，必須對2種卸載方案進行對比分析。

經計算，整體卸載與分步卸載相比較，每個卸載點最終的環向變形、徑向變形和豎向變形相差均不大，最大差距不到5mm(見圖5)。根據有限元計算結果，整體卸載后結構最大應力比為0.40，而分步卸載后結構最大應力比為0.41，應力比相差只有0.01。整體卸載與分步卸載前后V柱和壓環的應力增量基本相同。

圖5 各卸載點最終位移對比

因此，在整體卸載和分步卸載兩種情況下，卸載完成后結構所處的狀態基本相同。現場根據實際情況，選擇了分步卸載方案。

3.2 分步卸載分析

3.2.1卸載步確定

根據卸載過程模擬分析，該主體鋼結構所有卸載點的豎向最大卸載量18～40mm，即部分卸載點在豎向卸載到18mm時，支撐小短柱即可與卸載工裝脫離，部分卸載點在卸載到40mm時，支撐小短柱即可與卸載工裝脫離，如圖6所示。

圖6 豎向最大卸載量

由于卸載點的千斤頂不同步偏差在±10mm內，所以將每個卸載點的卸載過程細分為小于10mm的卸載步，直至絕大部分的荷載都從臨時支撐架轉移到主體鋼結構本身上來，于是每個支撐架上卸載點的卸載量按照如下步驟進行。

1)第1輪 卸載1號小短柱，卸載量為6mm ，卸載步編號為1.1，如圖7所示(以T19為例)，然后依次卸載其他小短柱，卸載量均為6mm，卸載步編號分別為1.2,1.3和1.4。

圖7 每個支撐架上3輪卸載

2)第2輪 按照2.1,2.2,2.3,2.4的順序依次卸載，卸載量為8mm。

3)第3輪 由于經過前兩輪的卸載，支撐架上大部分力已經傳遞到主結構本身了，所以本輪卸載可以各自進行直至本支撐架卸載結束。

以支撐架T19為例，其卸載點反力如圖8所示。可以看出，分步卸載過程中當某個支撐小短柱完成一小輪卸載后，同一支撐架上的其他3個卸載點所承受的反力都會相應增大，只有當4個卸載點都完成同一輪的卸載后，這4個卸載點的支撐小短柱的反力才會發生重分布且被相應卸載至主體鋼結構。

圖8 支撐架T19卸載點反力

3.2.2分步卸載過程模擬分析

1)結構變形

卸載過程中需要重點監控壓環的位移，本文以支撐架T1卸載過程中壓環位移為例進行分析，如圖9所示。

圖9 壓環位移理論值與實測值對比

根據理論分析，隨著卸載的進行，壓環會不斷向場外偏移，即沿徑向向外偏移。實測結果也驗證了這一點，第3輪卸載結束時，實測值與理論值基本相同，最大偏差2.7mm。

由于卸載前壓環和V柱形成閉合的穩定結構，所以在卸載過程中環向位移比較小，理論計算與實測結果相符。

隨著卸載的進行，壓環豎向位移也會隨之增大。理論計算和實測結果比較吻合。

2)分步卸載過程中結構應力變化

從設計院提供的設計報告中可以看出，主體鋼結構的設計應力比普遍較高，尤其是壓環內上弦直徑1.6m的鋼管構件。所以結構對卸載過程中的構件應力增量比較敏感，要實時監控。由于主體鋼結構呈雙軸對稱，所以選取V柱內弦(以VF01為例)和壓環內上弦(以CR2A3A為例)的應力為例進行分析，如圖10所示。

圖10 卸載過程應力監測曲線

從圖10可以看出，V柱、壓環的應力監測值與理論值基本吻合，應力差均≤10MPa。

從以上理論與實測結果對比可知，卸載過程的模擬準確可信。

4 結語

通過對施工過程的有限元模擬分析，在結構安全的前提下，結合現場實際情況靈活選用分步卸載的方案。在分析中，對分步卸載過程中的結構變形、應力變化情況進行詳盡分析，并結合實際測量值對卸載過程進行實時監測。監測結果與理論計算結果基本吻合，由此也進一步肯定了卸載過程模擬分析的準確性以及該卸載方案的可行性。盧賽爾體育場主體鋼結構卸載分析中的諸多環節可以為今后類似工程提供參考借鑒。