王明謙 黃科鋒 馬福棟

（1.上海市建筑科學研究院有限公司上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點實驗室，上海 200032；2.上海建科工程咨詢有限公司，上海 200032）

0 引言

隨著體育運動的蓬勃發(fā)展，我國對大型體育場館的使用需求逐漸增加［1］。與此同時，國內(nèi)許多既有體育場館的服役時間較長（如北京工人體育場、廣州天河體育中心和上海八萬人體育場等），亟須對此類場館進行改造處理，以滿足后續(xù)使用要求?？紤]到大型體育場館在拆除過程中極易出現(xiàn)施工安全風險，因此須重點關(guān)注改造過程的安全性。

目前，針對大型體育場館改造的研究已經(jīng)積累了一定的研究成果。劉學兵等［2］采用有限元分析軟件SAP2000建立了惠州市中心體育場臨時支撐的有限元分析模型，并針對使用階段和拆除階段臨時支撐的穩(wěn)定性和變形能力進行了分析。方春等［3］開展了河南省體育場控制爆破拆除研究，并通過參數(shù)分析對裝藥量和起爆網(wǎng)格進行了優(yōu)化設(shè)計。程征等［4］開展了基于價值提升目標的既有大型體育場適應(yīng)性改造設(shè)計研究，確定了改造設(shè)計的關(guān)鍵點。盛平等［5］開展了北京工人體育場結(jié)構(gòu)改造設(shè)計方案研究，并對改造關(guān)鍵技術(shù)的適用性進行了分析。但是，上述研究內(nèi)容較少涉及體育館大型屋面拆除的精細化數(shù)值模擬研究。

工程結(jié)構(gòu)安全性的影響因素眾多，如何確定眾多影響因素中的關(guān)鍵影響因素是目前研究的重點。方差分析作為一種主流的關(guān)鍵影響因素確定方法，已被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程中，并取得了不錯的效果。王明謙等［6］開展了膠合木梁柱螺栓節(jié)點轉(zhuǎn)動性能的方差分析，確定了節(jié)點初始剛度和抗彎承載力的關(guān)鍵影響因素。Kozak等［7］開展了鋼屋架在雪荷載作用下受力性能的方差分析，研究發(fā)現(xiàn)雪荷載作用位置對結(jié)構(gòu)受力性能具有重要影響。

本文以上海體育館鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的拆除過程為例，開展了有限元模擬分析。采用有限元軟件ABAQUS建立上海體育館鋼網(wǎng)架精細化有限元分析模型，通過生死單元法模擬桿件的拆除過程。根據(jù)計算結(jié)果揭示網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中各桿件應(yīng)力和豎向撓度的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，開展網(wǎng)架中部支座類型和支座間距的參數(shù)分析。最后，根據(jù)方差分析結(jié)果確定拆除過程中網(wǎng)架最大撓度的關(guān)鍵影響因素。本文可為大型體育場館的改造提供技術(shù)參考。

1 網(wǎng)架拆除過程

上海體育館（圖1）由于建造時間較早，不符合現(xiàn)行規(guī)范，且無法滿足現(xiàn)有使用要求，因此擬拆除原有鋼屋蓋系統(tǒng)。

圖1 上海體育館原貌Fig.1 Original appearance of Shanghai Statium

網(wǎng)架拆除具體施工順序（圖2）如下：

圖2 鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架拆除示意圖Fig.2 Demolition process of the steel grid roof

（1）先完成準備工作，檢查原網(wǎng)架桿件的連接情況、檢查上弦桿上部跳板及安全網(wǎng)的布置情況，完成腳手架及平臺上部支座的施工。

（2）拆除懸挑區(qū)域。

（3）由內(nèi)向外拆除區(qū)域1 至區(qū)域5（先拆除大三角內(nèi)部的小三角桿件，再拆除大三角桿件）。

2 網(wǎng)架有限元模型

2.1 幾何模型

考慮到網(wǎng)架拆除是體育場館拆除中危險性最高的工況，故而采用有限元軟件ABAQUS 建立上海體育館鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架精細化有限元分析模型［8］，并對網(wǎng)架拆除進行數(shù)值模擬分析，如圖3所示。首先，通過CAD 軟件建立網(wǎng)架的桿系幾何模型；然后，通過IGES 文件將該幾何模型導入有限元軟件ABAQUS；最后，根據(jù)設(shè)計圖紙定義每根桿件的截面特征?？紤]到各桿件通過焊接連接到一起，桿件之間的連接節(jié)點設(shè)置為剛接。

圖3 上海體育館鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架幾何模型Fig.3 Geometry model of the steel grid roof of Shanghai Stadium

2.2 網(wǎng)格劃分

采用有限元軟件ABAQUS 提供的B31兩節(jié)點線性梁單元對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進行模擬，如圖4 所示。考慮到計算精度的需要，各個桿件的網(wǎng)格尺寸選取為500 mm，網(wǎng)格總數(shù)目為31 830個。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh of the steel grid roof

2.3 材料力學性能參數(shù)

根據(jù)已有檢測報告可知，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用的鋼材為16 錳鋼，其屈服強度和彈性模量分別為300 MPa 和2×105MPa。鋼材的密度取780 kg/m3。鋼材的本構(gòu)模型取理想彈塑性模型。

2.4 邊界條件

首先，根據(jù)網(wǎng)架拆除方案對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下弦桿節(jié)點施加固定約束，即限制節(jié)點三個方向的平動位移和轉(zhuǎn)動位移，如圖5 所示。然后，施加重力荷載，重力加速度取9.8 m/s2。荷載增量步的時間取1.0，荷載增量步最大數(shù)量取100 000，增量步的初始步長和最大步長均取0.1。通過Full Newton 方法求解網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有限元模型的數(shù)值解。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架邊界條件的施加Fig.5 Applying boundary condition of the steel grid structure

2.5 桿件拆除過程模擬

首先，將需要拆除的桿件定義為某個集合（set），如圖6（a）中紅色區(qū)域所示；然后，在Model命令下的編輯Keywords 中修改inp 文件，定義拆除桿件荷載步，并加入生死單元命令，如圖6（b）所示，從而實現(xiàn)桿件單元的拆除；最后，按照第1節(jié)中描述的拆除方式依次對桿件拆除中各工況進行數(shù)值模擬分析。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 桿件應(yīng)力圖

網(wǎng)架拆除過程中各桿件的Mises 應(yīng)力云圖如圖7所示。由圖7可知，拆除前靠近支座處的豎向腹桿應(yīng)力較大，超過了上下弦桿。隨著拆除的不斷進行，靠近拆除部位的腹桿應(yīng)力有所增加。拆除過程中，所有桿件的峰值應(yīng)力均未超過20 MPa（對應(yīng)的應(yīng)變值0.000 1），這與體育館拆除過程中健康監(jiān)測的結(jié)果基本一致，這說明本模型具有較好的預測精度。計算結(jié)果表明拆除方案具有較高的可行性，能夠保證上海體育館鋼網(wǎng)架拆除的安全。此外，由圖7 還可以看出，靠近拆除部位的桿件應(yīng)力相對較大，而遠離拆除部位的桿件應(yīng)力相對較小?？梢?，拆除過程中應(yīng)重點關(guān)注正在拆除桿件周圍桿件的應(yīng)力水平。

圖7 拆除過程中各桿件的Mises應(yīng)力云圖（單位：MPa）Fig.7 Mises stress of each member during the demolition process（Unit：MPa）

3.2 豎向撓度

網(wǎng)架拆除過程中各桿件的豎向撓度如圖8 所示。由圖8 可知，拆除前相鄰兩支座之間的桿件豎向撓度相對較大。隨著拆除的不斷進行，靠近拆除部位的桿件豎向撓度有所增加。拆除過程中所有桿件的豎向撓度均未超過2 mm，這說明拆除方案具有較高的可行性，能夠保證上海體育館鋼網(wǎng)架拆除的安全。

圖8 拆除過程中各桿件的豎向撓度（單位：mm）Fig.8 Deflection of each member during the demolition process（Unit：mm）

4 參數(shù)分析

4.1 網(wǎng)架中部支座類型

網(wǎng)架中部支座分別考慮為固定支座和只約束豎向變形支座，開展上海體育館鋼網(wǎng)架拆除的參數(shù)分析。其中，只約束豎向變形支座的各桿件的Mises 應(yīng)力云圖如圖9 所示。由圖7 和圖9 可知，拆除前和拆除大部分桿件后，支座類型對桿件應(yīng)力的影響并不顯著。拆除過程中，只約束豎向變形支座的腹桿應(yīng)力峰值會有所增加。

圖9 只約束豎向變形支座的各桿件的Mises應(yīng)力云圖（單位：MPa）Fig.9 Mises stress of each member with restraints only in vertical direction（Unit：MPa）

4.2 網(wǎng)架中部支座間距

原拆除方案中每兩跨設(shè)置一個支座，參數(shù)分析中將支座數(shù)量減少，改為每四跨設(shè)置一個支座。其中，支座間距增大后各桿件的Mises 應(yīng)力云圖如圖10 所示。由圖7 和圖10 可知，支座間距增大后，腹桿應(yīng)力峰值明顯提高。拆除后期，腹桿應(yīng)力峰值已達到121.3 MPa，此時極容易出現(xiàn)危險點。因此，豎向支座的數(shù)量和有效性對網(wǎng)架的拆除具有重要影響，應(yīng)在拆除設(shè)計和施工中加以重視。

圖10 支座間距增大后各桿件的Mises應(yīng)力云圖（單位：MPa）Fig.10 Mises stress of each member with the increase of the distance between the supports（Unit：MPa）

5 拆除過程中風險點的識別

根據(jù)參數(shù)分析結(jié)果進行拆除過程中網(wǎng)架最大撓度的方差分析，用于確定關(guān)鍵影響因素。其中，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最大撓度的影響因素及結(jié)果見表1。

表1 拆除過程中網(wǎng)架最大撓度的影響因素及結(jié)果Table 1 Key factors and results of the maximum deflection of the grid during the demolition process

方差分析主要根據(jù)影響因素的線性項和非線性項組合的F檢驗確定其對最大撓度是否具有顯著影響［6］：F值越大，P值越小，該因素對最大撓度變異性的影響越顯著。由表2 給出的方差分析結(jié)果可知，支座間距對拆除過程中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最大撓度的影響最大，而支座類型的影響相對較小。因此，在實際拆除過程中，應(yīng)重點檢查支座的數(shù)量和有效性，以確保消除潛在的危險點。

表2 方差分析結(jié)果Table 2 Results of variance analysis

6 結(jié)論

本文開展了上海體育館鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架拆除過程的有限元數(shù)值模擬分析，得到如下結(jié)論：

（1）數(shù)值模擬結(jié)果表明，拆除前靠近支撐處的豎向腹桿應(yīng)力較大，超過了上下弦桿。隨著拆除的不斷進行，靠近拆除部位的腹桿應(yīng)力有所增加，且靠近拆除部位的桿件豎向撓度有所增加。

（2）參數(shù)分析結(jié)果表明，拆除前和拆除大部分桿件后，支座類型對桿件應(yīng)力的影響并不顯著。支座間距增大后，拆除后期腹桿的應(yīng)力顯著增加，該種工況下極容易出現(xiàn)危險點。

（3）方差分析結(jié)果表明，支座間距對拆除過程中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最大撓度的影響最大，而支座類型的影響相對較小。因此，在實際拆除過程中，應(yīng)重點檢查支座的數(shù)量和有效性，以確保消除潛在的危險點。