上海體育館鋼結構網架拆除過程的數值模擬分析

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構安全重點實驗室，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，以滿足后續使用要求?？紤]到大型體育場館在拆除過程中極易出現施工安全風險，因此須重點關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，并通過參數分析對裝藥量和起爆網格進行了優化設計。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性改造設計研究，確定了改造設計的關鍵點。盛平等［5］開展了北京工人體育場結構改造設計方案研究，并對改造關鍵技術的適用性進行了分析。但是，上述研究內容較少涉及體育館大型屋面拆除的精細化數值模擬研究。

工程結構安全性的影響因素眾多，如何確定眾多影響因素中的關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鍵影響因素確定方法，已被應用于結構工程中，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點轉動性能的方差分析，確定了節點初始剛度和抗彎承載力的關鍵影響因素。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，研究發現雪荷載作用位置對結構受力性能具有重要影響。

本文以上海體育館鋼結構網架的拆除過程為例，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。根據計算結果揭示網架結構中各桿件應力和豎向撓度的變化規律。在此基礎上，開展網架中部支座類型和支座間距的參數分析。最后，根據方差分析結果確定拆除過程中網架最大撓度的關鍵影響因素。本文可為大型體育場館的改造提供技術參考。

1 網架拆除過程

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

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

網架拆除具體施工順序（圖2）如下：

圖2 鋼結構網架拆除示意圖Fig.2 Demolition process of the steel grid roof

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

（2）拆除懸挑區域。

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

2 網架有限元模型

2.1 幾何模型

考慮到網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構網架精細化有限元分析模型［8］，并對網架拆除進行數值模擬分析，如圖3所示。首先，通過CAD 軟件建立網架的桿系幾何模型；然后，通過IGES 文件將該幾何模型導入有限元軟件ABAQUS；最后，根據設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，桿件之間的連接節點設置為剛接。

圖3 上海體育館鋼結構網架幾何模型Fig.3 Geometry model of the steel grid roof of Shanghai Stadium

2.2 網格劃分

采用有限元軟件ABAQUS 提供的B31兩節點線性梁單元對網殼結構進行模擬，如圖4 所示?？紤]到計算精度的需要，各個桿件的網格尺寸選取為500 mm，網格總數目為31 830個。

圖4 鋼結構網架的網格劃分Fig.4 Mesh of the steel grid roof

2.3 材料力學性能參數

根據已有檢測報告可知，網架結構采用的鋼材為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。鋼材的本構模型取理想彈塑性模型。

2.4 邊界條件

首先，根據網架拆除方案對網架結構下弦桿節點施加固定約束，即限制節點三個方向的平動位移和轉動位移，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 方法求解網架結構有限元模型的數值解。

圖5 鋼結構網架邊界條件的施加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，從而實現桿件單元的拆除；最后，按照第1節中描述的拆除方式依次對桿件拆除中各工況進行數值模擬分析。

3 數值模擬結果分析

3.1 桿件應力圖

網架拆除過程中各桿件的Mises 應力云圖如圖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力有所增加。拆除過程中，所有桿件的峰值應力均未超過20 MPa（對應的應變值0.000 1），這與體育館拆除過程中健康監測的結果基本一致，這說明本模型具有較好的預測精度。計算結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力相對較大，而遠離拆除部位的桿件應力相對較小?？梢?，拆除過程中應重點關注正在拆除桿件周圍桿件的應力水平。

圖7 拆除過程中各桿件的Mises應力云圖（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 參數分析

4.1 網架中部支座類型

網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架拆除的參數分析。其中，只約束豎向變形支座的各桿件的Mises 應力云圖如圖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應力云圖（單位：MPa）Fig.9 Mises stress of each member with restraints only in vertical direction（Unit：MPa）

4.2 網架中部支座間距

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

圖10 支座間距增大后各桿件的Mises應力云圖（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

根據參數分析結果進行拆除過程中網架最大撓度的方差分析，用于確定關鍵影響因素。其中，網架結構最大撓度的影響因素及結果見表1。

表1 拆除過程中網架最大撓度的影響因素及結果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 給出的方差分析結果可知，支座間距對拆除過程中網架結構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，應重點檢查支座的數量和有效性，以確保消除潛在的危險點。

表2 方差分析結果Table 2 Results of variance analysis

6 結論

本文開展了上海體育館鋼結構網架拆除過程的有限元數值模擬分析，得到如下結論：

（1）數值模擬結果表明，拆除前靠近支撐處的豎向腹桿應力較大，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）參數分析結果表明，拆除前和拆除大部分桿件后，支座類型對桿件應力的影響并不顯著。支座間距增大后，拆除后期腹桿的應力顯著增加，該種工況下極容易出現危險點。

（3）方差分析結果表明，支座間距對拆除過程中網架結構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，應重點檢查支座的數量和有效性，以確保消除潛在的危險點。