上海体育馆钢结构网架拆除过程的数值模拟分析

王明谦 黄科锋 马福栋

（1.上海市建筑科学研究院有限公司上海市工程结构安全重点实验室，上海 200032；2.上海建科工程咨询有限公司，上海 200032）

0 引言

随着体育运动的蓬勃发展，我国对大型体育场馆的使用需求逐渐增加［1］。与此同时，国内许多既有体育场馆的服役时间较长（如北京工人体育场、广州天河体育中心和上海八万人体育场等），亟须对此类场馆进行改造处理，以满足后续使用要求。考虑到大型体育场馆在拆除过程中极易出现施工安全风险，因此须重点关注改造过程的安全性。

目前，针对大型体育场馆改造的研究已经积累了一定的研究成果。刘学兵等［2］采用有限元分析软件SAP2000建立了惠州市中心体育场临时支撑的有限元分析模型，并针对使用阶段和拆除阶段临时支撑的稳定性和变形能力进行了分析。方春等［3］开展了河南省体育场控制爆破拆除研究，并通过参数分析对装药量和起爆网格进行了优化设计。程征等［4］开展了基于价值提升目标的既有大型体育场适应性改造设计研究，确定了改造设计的关键点。盛平等［5］开展了北京工人体育场结构改造设计方案研究，并对改造关键技术的适用性进行了分析。但是，上述研究内容较少涉及体育馆大型屋面拆除的精细化数值模拟研究。

工程结构安全性的影响因素众多，如何确定众多影响因素中的关键影响因素是目前研究的重点。方差分析作为一种主流的关键影响因素确定方法，已被应用于结构工程中，并取得了不错的效果。王明谦等［6］开展了胶合木梁柱螺栓节点转动性能的方差分析，确定了节点初始刚度和抗弯承载力的关键影响因素。Kozak等［7］开展了钢屋架在雪荷载作用下受力性能的方差分析，研究发现雪荷载作用位置对结构受力性能具有重要影响。

本文以上海体育馆钢结构网架的拆除过程为例，开展了有限元模拟分析。采用有限元软件ABAQUS建立上海体育馆钢网架精细化有限元分析模型，通过生死单元法模拟杆件的拆除过程。根据计算结果揭示网架结构中各杆件应力和竖向挠度的变化规律。在此基础上，开展网架中部支座类型和支座间距的参数分析。最后，根据方差分析结果确定拆除过程中网架最大挠度的关键影响因素。本文可为大型体育场馆的改造提供技术参考。

1 网架拆除过程

上海体育馆（图1）由于建造时间较早，不符合现行规范，且无法满足现有使用要求，因此拟拆除原有钢屋盖系统。

图1 上海体育馆原貌Fig.1 Original appearance of Shanghai Statium

网架拆除具体施工顺序（图2）如下：

图2 钢结构网架拆除示意图Fig.2 Demolition process of the steel grid roof

（1）先完成准备工作，检查原网架杆件的连接情况、检查上弦杆上部跳板及安全网的布置情况，完成脚手架及平台上部支座的施工。

（2）拆除悬挑区域。

（3）由内向外拆除区域1 至区域5（先拆除大三角内部的小三角杆件，再拆除大三角杆件）。

2 网架有限元模型

2.1 几何模型

考虑到网架拆除是体育场馆拆除中危险性最高的工况，故而采用有限元软件ABAQUS 建立上海体育馆钢结构网架精细化有限元分析模型［8］，并对网架拆除进行数值模拟分析，如图3所示。首先，通过CAD 软件建立网架的杆系几何模型；然后，通过IGES 文件将该几何模型导入有限元软件ABAQUS；最后，根据设计图纸定义每根杆件的截面特征。考虑到各杆件通过焊接连接到一起，杆件之间的连接节点设置为刚接。

图3 上海体育馆钢结构网架几何模型Fig.3 Geometry model of the steel grid roof of Shanghai Stadium

2.2 网格划分

采用有限元软件ABAQUS 提供的B31两节点线性梁单元对网壳结构进行模拟，如图4 所示。考虑到计算精度的需要，各个杆件的网格尺寸选取为500 mm，网格总数目为31 830个。

图4 钢结构网架的网格划分Fig.4 Mesh of the steel grid roof

2.3 材料力学性能参数

根据已有检测报告可知，网架结构采用的钢材为16 锰钢，其屈服强度和弹性模量分别为300 MPa 和2×105MPa。钢材的密度取780 kg/m3。钢材的本构模型取理想弹塑性模型。

2.4 边界条件

首先，根据网架拆除方案对网架结构下弦杆节点施加固定约束，即限制节点三个方向的平动位移和转动位移，如图5 所示。然后，施加重力荷载，重力加速度取9.8 m/s2。荷载增量步的时间取1.0，荷载增量步最大数量取100 000，增量步的初始步长和最大步长均取0.1。通过Full Newton 方法求解网架结构有限元模型的数值解。

图5 钢结构网架边界条件的施加Fig.5 Applying boundary condition of the steel grid structure

2.5 杆件拆除过程模拟

首先，将需要拆除的杆件定义为某个集合（set），如图6（a）中红色区域所示；然后，在Model命令下的编辑Keywords 中修改inp 文件，定义拆除杆件荷载步，并加入生死单元命令，如图6（b）所示，从而实现杆件单元的拆除；最后，按照第1节中描述的拆除方式依次对杆件拆除中各工况进行数值模拟分析。

3 数值模拟结果分析

3.1 杆件应力图

网架拆除过程中各杆件的Mises 应力云图如图7所示。由图7可知，拆除前靠近支座处的竖向腹杆应力较大，超过了上下弦杆。随着拆除的不断进行，靠近拆除部位的腹杆应力有所增加。拆除过程中，所有杆件的峰值应力均未超过20 MPa（对应的应变值0.000 1），这与体育馆拆除过程中健康监测的结果基本一致，这说明本模型具有较好的预测精度。计算结果表明拆除方案具有较高的可行性，能够保证上海体育馆钢网架拆除的安全。此外，由图7 还可以看出，靠近拆除部位的杆件应力相对较大，而远离拆除部位的杆件应力相对较小。可见，拆除过程中应重点关注正在拆除杆件周围杆件的应力水平。

图7 拆除过程中各杆件的Mises应力云图（单位：MPa）Fig.7 Mises stress of each member during the demolition process（Unit：MPa）

3.2 竖向挠度

网架拆除过程中各杆件的竖向挠度如图8 所示。由图8 可知，拆除前相邻两支座之间的杆件竖向挠度相对较大。随着拆除的不断进行，靠近拆除部位的杆件竖向挠度有所增加。拆除过程中所有杆件的竖向挠度均未超过2 mm，这说明拆除方案具有较高的可行性，能够保证上海体育馆钢网架拆除的安全。

图8 拆除过程中各杆件的竖向挠度（单位：mm）Fig.8 Deflection of each member during the demolition process（Unit：mm）

4 参数分析

4.1 网架中部支座类型

网架中部支座分别考虑为固定支座和只约束竖向变形支座，开展上海体育馆钢网架拆除的参数分析。其中，只约束竖向变形支座的各杆件的Mises 应力云图如图9 所示。由图7 和图9 可知，拆除前和拆除大部分杆件后，支座类型对杆件应力的影响并不显著。拆除过程中，只约束竖向变形支座的腹杆应力峰值会有所增加。

图9 只约束竖向变形支座的各杆件的Mises应力云图（单位：MPa）Fig.9 Mises stress of each member with restraints only in vertical direction（Unit：MPa）

4.2 网架中部支座间距

原拆除方案中每两跨设置一个支座，参数分析中将支座数量减少，改为每四跨设置一个支座。其中，支座间距增大后各杆件的Mises 应力云图如图10 所示。由图7 和图10 可知，支座间距增大后，腹杆应力峰值明显提高。拆除后期，腹杆应力峰值已达到121.3 MPa，此时极容易出现危险点。因此，竖向支座的数量和有效性对网架的拆除具有重要影响，应在拆除设计和施工中加以重视。

图10 支座间距增大后各杆件的Mises应力云图（单位：MPa）Fig.10 Mises stress of each member with the increase of the distance between the supports（Unit：MPa）

5 拆除过程中风险点的识别

根据参数分析结果进行拆除过程中网架最大挠度的方差分析，用于确定关键影响因素。其中，网架结构最大挠度的影响因素及结果见表1。

表1 拆除过程中网架最大挠度的影响因素及结果Table 1 Key factors and results of the maximum deflection of the grid during the demolition process

方差分析主要根据影响因素的线性项和非线性项组合的F检验确定其对最大挠度是否具有显著影响［6］：F值越大，P值越小，该因素对最大挠度变异性的影响越显著。由表2 给出的方差分析结果可知，支座间距对拆除过程中网架结构最大挠度的影响最大，而支座类型的影响相对较小。因此，在实际拆除过程中，应重点检查支座的数量和有效性，以确保消除潜在的危险点。

表2 方差分析结果Table 2 Results of variance analysis

6 结论

本文开展了上海体育馆钢结构网架拆除过程的有限元数值模拟分析，得到如下结论：

（1）数值模拟结果表明，拆除前靠近支撑处的竖向腹杆应力较大，超过了上下弦杆。随着拆除的不断进行，靠近拆除部位的腹杆应力有所增加，且靠近拆除部位的杆件竖向挠度有所增加。

（2）参数分析结果表明，拆除前和拆除大部分杆件后，支座类型对杆件应力的影响并不显著。支座间距增大后，拆除后期腹杆的应力显著增加，该种工况下极容易出现危险点。

（3）方差分析结果表明，支座间距对拆除过程中网架结构最大挠度的影响最大，而支座类型的影响相对较小。因此，在实际拆除过程中，应重点检查支座的数量和有效性，以确保消除潜在的危险点。