第08章第一节体育场钢结构深化设计方案39

第八章 深化设计方案 第一节 钢结构深化设计
一 概述
体育场钢结构工程为单层折面空间网格结构，由20个形状相近的结构单元双轴对称构成，平面形状为椭圆形，平面尺寸285m ×270m ，屋盖悬挑长度51.9～68.4m 。

钢屋盖呈马鞍形，由外圈和内圈组成，最高点高度为44.1m ，外圈高差为12m ，内圈高差为8.6m 。

主杆件为铸钢圆管和焊接钢管，直径范围为Φ700～Φ1400mm ，壁厚为12～140mm （未包括铸钢节点）；次杆件为焊接箱形截面杆件；节点采用焊接节点和铸钢节点两种形式。

二 深化组织机构
1 钢结构深化设计组织框架图
组织31位参加过类似工程的技术人员进行体育场钢结构深化设计，组织框架如下图：
钢结构深化设计部
深化设计组长
专家顾问组
施工详图设计、审核组工厂、现场配合组成员计算分析组成员成员软件开发组
成员
2 深化设计人员岗位责任
（1）深化设计组长：负责整个项目深化设计的协调与管理； （2）专家顾问组：负责重大技术问题的解决和把关；
（3）计算分析组：负责结构优化及节点分析与计算，预拼装及吊装方案设计与计算等；
（4）施工详图设计、审核组：负责施工详图的设计，由审核工程师负责对图纸审核； （5）工厂、现场配合组：负责工厂加工及现场安装等有关图纸协调、服务； （6）软件开发组：针对工程结构特点开发一些辅助钢结构工程详图设计的程序。

三深化设计管理程序及质量、工期的保证措施1深化设计管理程序
2深化设计质量的保证措施
加强设计过程质量控制, 始终贯彻“预防为主，防检结合”的深化设计原则,落实各级岗位责任制和三级审核制。

（1）整个工程全部采用计算机三维实体模拟建模，应用专业软件自动生成深化设计细部图纸和相关尺寸数据；
（2）重点与设计院、加工厂、安装单位协调沟通，充分了解掌握加工厂和安装单位的需求，使设计成果与具体需求吻合，将设计、加工、安装问题发现和解决在初期阶段，少走深化设计弯路；
（3）做好深化设计应急预案，妥善解决各种突发情况；
（4）制定严格、科学的设计思路和实施方案；
（5）将各岗位人员全部纳入全面质量管理体制活动中并处于受控状态，按岗位责任制的规定，围绕质量开展深化设计。

（6）深化设计图纸采用自审、互审、专业审核的三级审核制，项目设计人负责自审，项目设计人之间互审，由专家顾问组对钢结构深化过程出现的重大问题进行讨论把关；审核内容：原设计图及变更资料、计算模型及计算书、深化设计三维模型、深化施工图纸等，包括如下细部：
a、结构及节点计算模型、计算书；
b、轴线及标高尺寸；
c、型材及板材规格尺寸；
d、材质；
e、连接节点的正确性及合理性；
f、螺栓规格尺寸及孔位；
g、焊缝的正确、合理性；
h、视图对应关系及表达的完整性；
i、与原设计的一一对应关系；
j、设计变更资料的处理；
k、图面排布和整套图纸的完整性。

3深化设计工期的保证措施
（1）为保证工期，安排主要设计人员对图纸进行研究，并做好人员筹备安排，为正式深化设计作准备。

一旦接到中标通知书，马上进入深化设计状态。

利用订立承包合同前的时间段，完成线模型、节点初步选型及验算、重难点攻克及对原设计图的深入透彻理解，
准备好设计技术交底资料等。

（2）根据加工安装的顺序，分阶段进行图纸深化设计和提交设计图纸，具体分为备料图及材料清单的提供、预埋件的深化设计、主体钢结构深化设计、辅助钢结构深化设计四个阶段。

每一阶段图纸完成后及时提交施工详图到安装、设计单位进行确认，审核后及时反馈审核意见，根据审核意见修改调整后发图施工。

（3）由长期配合的人员组成深化设计项目部，缩短准备和相互磨合的时间，安排数量充足的深化设计人员，根据每个设计人员的专业特长，合理分工，人尽其才；
（4）同时建立多个模块、各类人员交叉作业；
（5）密切关注工程进展动态，及时调整深化设计人员的分工与数量，确保整个工程的顺利进行；
（6）加强与设计院和加工厂的协调沟通，在深化设计初期阶段及早发现和解决问题，充分了解、掌握加工厂和安装单位的需求，使设计成果与需求吻合，少走深化设计弯路；
（7）派驻加工厂和施工现场提供技术服务，做好各方面的沟通协调工作，及时准确地了解原设计、施工现场的设计变化，及时反应到深化设计成果中；
（8）做好深化设计应急预案，妥善解决各种突发情况。

（9）制定严格、科学的设计思路和实施方案，作好深化设计总体部署。

4深化设计周期安排
本工程钢结构深化设计图纸量约为300张A2图，每批图纸的深化设计周期约为40天。

深化设计周期安排
四深化设计应用软件
1AutoCAD绘图软件
AutoCAD是现在较为流行、使用很广的计算机辅助设计和图形处理软件。

在CAD绘图软件的平台上，根据多年从事钢结构行业设计、施工经验自行开发了一系列详图设计辅助软件，能够自动拉伸各种杆件截面，进行结构的整体建模；构件设计自动标注尺寸、列出详细的材料表格；节点设计能够自动标注焊接形式、螺栓连接形式、统计出各零件尺寸及重量等。

体育场钢结构球型支座及铸钢节点深化设计比较复杂，采用灵活性能比较好的CAD 绘图软件进行详图设计。

CAD工作环境
开发的辅助软件
2Xsteel绘图软件
Tekla Structures（Xsteel）软件属于建筑信息模型（BIM），它将原设计、深化设计的过程按平行模式进行了流程化处理，很大程度上提高了深化设计效率并降低了错误率。

Xsteel软件大致可归为以下四类功能：
（1）结构三维实体模型的建立与编辑；
（2）各种节点三维实体模型的连接与装配；
（3）构件、零件的编号与加工详图的绘制；
（4）用钢量统计；
Xsteel 工作环境
3Sap2000计算分析软件
结构整体计算选用了美国Computers And Structures公司研制开发的大型有限元程序SAP2000。

计算模型采用空间三维实尺模型；网格的钢构件选用三个节点，六个自由度的frame单元，该单元可以考虑拉（压）、弯、剪、扭四种内力的共同作用。

拉索采用索单元(仅受拉，不受压和不受弯)模拟，胎架则采用仅受压、不受拉的frame单元模拟。

拉索和网架之间的撑杆采用拉压二力杆单元。

为了更能准确模拟拉索张拉，考虑了结构的大变形和应力刚化的影响。

计算表明，这样模拟具有很高的精度。

Sap2000 工作环境
4Ansys节点有限元分析软件
体育场钢结构工程的典型节点设计采用ANSYS有限元计算软件进行分析，建立计算模型时，考虑到实体模型直接由AUTOCAD导入，计算采用适合于复杂模型自由划分网格的单元，每个结点三个自由度，即X、Y、Z方向的位移，如图所示。

单元具有塑性、大变形、应力强化等性质。

10结点SOLID92 材料的应力－应变曲线计算中考虑材料非线性。

构件材料大多Q345B、Q390-B、Q390GJ-C、LX420、GS-20Mn5V 钢，屈服准则为适合金属材料的Mises及其相应流动准则，定义材料为双线性等效强化，
为弹性模量的根据钢材强屈比和延长率的规范规定，确定钢材强化阶段的切线模量E
C
1/100，比采用理性弹塑性模型更接近于实际。

钢材料的应力-应变关系如上图所示。

Ansys工作环境次杆件节点分析示意图
5solidworks软件
SolidWorks是Window原创的三维设计软件。

其易用和友好的界面，能够应用在整个产品设计的工作中，SolidWorks完全自动捕捉设计意图和引导设计修改。

在SolidWorks 装配设计中可以直接参照已有的零件生成新的零件。

无论设计用"自顶而下"方法还是"自底而上"的方法进行装配设计，SolidWorks都将大幅度地提高设计的效率。

SolidWorks有全面的零件实体建模功能，其丰富程度有时会出乎设计者的期望。

用SolidWorks的标注和细节绘制工具，能快捷地生成完整的、符合实际产品表示的工程图纸。

体育场钢结构工程的典型节点如下：
solidworks工作环境示意图
五深化设计依据与原则
1设计依据
业主提供的招标文件及相关技术资料；
设计单位提供的原设计图及相关技术文件、招标及答疑文件；
体育场钢结构工程除满足以上所列规范和规程外，尚应按国家相应的设计和施工现行标准、规范和规程执行。

2计算设计总则
2.1节点设计的原则
（1）设计文件无明确要求时，所有节点按等强连接设计；
（2）节点设计要尽可能响应原设计，如发现原设计确需改进，则提出合理化建议，由原设计审核确认后，方可按合理化建议的节点形式设计；
（3）设计过程中有义务对原设计进行合理优化；
（4）所有节点的设计，除满足强度要求外，尚应考虑结构简洁、传力清晰以及现场安装的可操作性；
（5）材料长度不够引起的对接焊缝，其拼接位置应满足《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）的要求；
3主杆件分段原测
1）由于受运输条件的限制，分节长度不大于18000mm；
2）每根主杆件附带米字形节点或次杆件牛腿，牛腿长度不小于300mm,，同时相邻两牛腿间间距不小于300mm；
典型节点效果图节点详图
主次
杆件
连接
节点
一
说明：A不小于300
主次杆件连接节点二
说明：B 根据现场安装要求自行调整， （具体形式参见结构图S8-A09D-D 剖面图）
3）便于施工现场地面和空中的组装和焊接； 4）除结构图注明外，单节接长长度不小于2500mm, 5）现场拼接处设置临时安装耳板和连接板； 6）暂不考虑后装区域构件的分段；
7）分节位置不能选择在主杆件的变截面处；（铸钢节点除外） 3.2 马道构件的分段原则
分段方法：马道所有杆件和小件在加工厂拼装和焊接，分段长度根据运输条件尽量分长，分段点在同一单元格内，上下悬的分段点错开，立面两根斜腹杆和平面一根斜腹杆为现场焊接，附图示如下:
分段编号布置图
400
15978
15578
1200
15978
16378
1200
说明
编号
单重 数量 编号 单重 数量 1-a
2.70t
2
1-b
2.72t
2
4 临时耳板和吊耳板及连接板的设置原则 4.1 铸钢节点区域
采用耳板和耳板相组合为吊耳板，便于制作和安装焊接，不再另做吊耳，相对应的主
杆件起端耳板可参照附图执行，耳板到端口的距离根据壁厚和坡口做相应调整，同时考虑对接口处坡口间隙，连接板的长度也做相应调整，见附图和说明；
4.2主杆件接口
所有主杆件连接，原则上按照常规的连接方式，由深化单位自行设计，安装单位不做具体要求，可参照附图执行，耳板到端口的距离根据壁厚和坡口做相应调整，连接板的长度也做相应调整，见附图和说明；
4.3特殊主杆件接口
根据现场安装施工需要，肩峰与肩骨间主杆件同肩峰铸钢节点在现场组合成”八”字形后高空安装，吊耳在安装过程中受力增加，该部分主杆件吊耳根据深化重量调整加大；
4.4主次杆件和小次杆件
每端设置一个单吊耳，考虑到安装单元内局部构件组合后高空安装，耳板和连接板位置和尺寸可参照附图执行，深化单位深化后可根据单元内构件重量进行优化。

4.5节点计算取值及方法
4.5.1节点计算材料强度的设计取值：
（1）板材的强度设计值（N/mm2）
（2）焊缝的强度设计值（N/mm2）
4.5.2 焊接连接
1）角焊缝有效焊厚（h e ）：
（1）直角焊缝的有效焊厚（h e ）示意图：
（2）斜角焊缝的有效焊厚（h e ）示意图：
有效焊厚（h e ）
2）角焊缝的有效面积（A w ） A w = h e ×L w （L w 为有效焊缝长度） 3）角焊缝的强度计算式
=≤w
f
f f
e w
N σβf h l
当力垂直于焊缝长度方向时： 当力平行于焊缝长度方向时：
注：βf 为正面角焊缝强度设计值增大系数，结构承受静力和间接动载时βf =1.22；
=≤w f
f e w
N
τf h l 结构承受动载时βf =1.0；
对接焊缝的强度计算：由于在节点设计原则和焊接节点连接形式的设定中已指定对接焊缝，为全熔透一级焊缝，因此不必进行焊缝强度计算。

六 深化设计格式
1 深化施工详图的表达内容： 1.1 图纸目录内容 （1）深化设计图号
（2）构件号、数量、重量、构件类别 （3）图纸的版本号以及提交的日期 （4）其它资料
1.2 钢结构深化设计总说明内容
（1）工程概况及设计依据（主要为遵照的设计、施工规范、规程）； （2）钢材、焊接材料、螺栓、涂料等材料选用说明、依据及建议； （3）加工、制作、安装及除锈涂装（包括防火）的技术要求和说明； （4）焊接、除锈、涂装等工艺的质量要求； （5）构件的几何尺寸以及允许偏差；
（6）焊接坡口形式、焊接工艺、焊缝质量等级及无损检测要求； （7）加工、制作、安装及涂装（包括防火）需要特别强调的事宜； （8）构造、制造、运输等技术要求； （9）图例说明；
（10）其他需要说明的内容。

1.3 结构及节点计算书
在结构的整体分析及计算过程中，对结构形式、结构布置、材料种类、节点类型向设计单位提出详细的建议；对焊接连接、螺栓连接、节点板和加劲肋进行计算和完善；给出详尽合理的预拼装及吊装方案；
1.4 构件加工图内容
（1）构件细部、材料表、材质说明、构件编号、焊接标记、连接细部、锁口和索引图等；
（2）螺栓统计表，螺栓标记，螺栓规格；
（3）轴线号及相对应的轴线位置；
（4）加工、安装所必须具有的尺寸；
（5）安装方向；
（6）图纸标题、编号、改版号、出图日期；
（7）加工厂及安装所需要的必要信息。

1.5零件详图
尺寸表达完整，须满足加工要求。

2深化设计图视图方向
针对于本工程深化设计的视图方向
3图纸、文书的尺寸设定
体育场钢结构工程的图纸和资料均使用A系列纸张，即A0、A1、A2 、A3和A4，具体尺寸规格如下：
A0：841mm×1189mm
A1：594mm×841mm
A2：420mm×594mm
A3：297mm×420mm
A4：210mm×297mm
4绘图通常采用的比例
索引图： 1/200、1/400、1/60
构件详图： 1/20、1/30、1/50
局部详图： 1/5、1/10
安装布置图： 1/100、1/50
七深化设计步骤
针对体育场钢结构工程的特点以及以往工程的设计经验，将根据具体的设备和工艺状况，采用国际上较流行的通用有限元程序SAP2000作为验算程序来进行较核，对结构形式、结构布置、材料种类、节点类型向设计单位提出详细的建议；节点验算采用通用有限元程序Ansys 10.0进行分析，对焊接连接、螺栓连接、拱支座、节点板和加劲肋进行计算和完善，给出详尽合理的预拼装及吊装方案；采用AutoCAD和Xsteel软件相结合的方式完成体育场钢结构工程的深化设计，自动生成满足加工和工艺所需的施工图纸、数据。

1结构分析
1.1采用有限元程序SAP 2000作为验算程序来进行较核
导入SAP 2000的计算模型
恒载作用下结构整体变形分布图
1.2节点验算采用通用有限元程序Ansys10.0进行分析
（1）按荷载规范选取恒载、活载、风载（左风与右风）、地震荷载（按地震反映谱分析得到）、温度荷载，在个荷载工况及组合下进行结构线形分析，校核应力及位移是否满足规范。

（2）结构自重（考虑一半的活载下）的自振分析，找出结构的薄弱环节。

（3）进行控制荷载组合下的极限承载力分析，反应结构的薄弱环节。

（4）考虑材料弹塑性特性的变形分析，跟踪结构的加载路径，确定实际承载力。

肩谷点铸钢节点有限元计算模型图单元等效应力图
背谷点铸钢节点有限元计算模型图单元等效应力图
背峰点铸钢节点有限元计算模型图单元等效应力图2深化设计
2.1铸钢节点采用AutoCAD设计详图
根据原设计图进行主结构的三维实体建模；按铸钢件设计图在杆件节点处对铸钢件支管分段，并按杆件受力性能划分主次，使次要杆件被主要杆件裁切（差集），从而自动生成杆件端口的空间相交曲线；第三步，对其节点杆件进行合并，使之成为一个整体的构件（并集），并根据设计图纸的要求对其构件的相交线进行倒角；第四步，形成深化设计图。

利用三视图原理，投影、剖面生成深化图纸上的所有尺寸，包括杆件长度、断面尺寸、杆件相交角度均是在杆件模型上直接投影产生。

因此，钢结构深化图在理论上是没有误差的。

2.2相对简单的次结构采用Xsteel软件设计详图
AutoCAD与Xsteel中的实体模型可互相导入，两套软件设计出来的构件，理论上数据完全吻合。

软件对话框如下图所示：
2.2.1整体三维实体模型的建立与编辑
（1）命令“修改截面目录”。

操作对话框如下图所示。

该命令用于选定所要的截面类型、几何参数。

修改截面对话框
（2）命令“添加构件”，建立次结构的实体模型。

软件提供了多种建模方式，使用者可以根据情况灵活选用。

次结构的实体模型如下图所示。

在主结构上建好次结构的实体模型
（3）在整体模型建立后，需要对每个节点进行装配，结合工厂制作条件、运输条件，考虑现场拼装、安装方案。

对话框如下图所示：
节点参数对话框节点实体模型
（4）节点装配完成之后，根据设计施工图纸中编号原则对构件及节点进行编号，编号设置对话框如下图所示：
编号设置对话框
构件编号对话框
（5）编完号后出图，图纸列表对话框见下图，在这个对话框中可以修改要绘制的图纸类别、图幅大小、出图比例。

图纸清单对话框
2.2.2用钢量统计
可统计选定所有构件的用钢量，并按照构件类别、材质、构件长度进行归并和排序，同时还输出构件数量、单重、总重及表面积等统计信息。

软件还能把表格内的统计信息写入文本文件，以便于制作各种材料统计报表，如下图所示：
钢量统计报表对话框材料统计清单八深化设计与制作、运输、安装的协调
1对加工制作的技术服务
制作厂的加工详图由详图设计单位完成，我们将预先对加工制作单位进行设计交底，组织一次图纸会审，根据工厂的制作工艺对深化设计图进行修改调整。

安排深化设计人员长驻制作厂，提供技术服务。

2对运输的技术服务
根据运输方案对超大、超重构件单元划分，确定构件在运输车上的摆放位置，设计吊耳、重心位置，喷涂标记等。

3对现场组拼及安装的技术服务
根据详图确定构件在拼装胎架上的定位控制点，便于组拼定位和拼装结束后的验收，预先对组拼和安装单位进行深化设计交底。

安排设计人员常驻现场，协助解决组拼和安装过程中出现的问题，参加安装验收，配合招标人完成竣工图等。

4钢结构各阶段深化设计协调内容
九铸钢节点及焊接节点的深化设计
深圳大运中心体育场空间结构体系，杆件交错，节点受力复杂，节点采用铸钢节点和焊接节点两种形式。

1铸钢节点
体育场主结构局部
肩谷点铸钢件背峰点铸钢件
1.1铸钢节点的深化设计原则
（1）复核设计院初步设计、节点轴线图、空间坐标及原点。

（2）节点肢杆和主杆件间为对接熔透焊缝，因此节点各肢杆端面加工坡口。

（3）避免截面壁厚突变而产生应力集中，平滑面过渡（节点壁厚变化斜率1/4）。

（4）除注明倒角尺寸外，其余为构造倒角（按建筑用铸钢节点技术规程送审稿执行）。

（5）铸钢件支管间的净距要满足焊接操作空间不小于300mm。

（6）铸钢节点圆管相贯支管优先贯通原则：节点中贯通的为主管，其余为支管；其它支管直径大的优先与主管相连，若支管直径相同，壁厚大的优先与主管相连；若支管直径、壁厚均相同，则应同时与主管相贯。

铸钢节点轴测图一铸钢节点轴测图二2预埋锚栓与球铰支座
钢结构地面基础为预埋预应力锚栓和铸钢节点球铰支座，其施工顺序为：预埋套管和锚栓，浇捣混凝土，安装、调平铸钢球铰支座底板，基座混凝土强度达到70%时，张拉固定锚栓。

铸钢支座轴测图基座底板轴测图
球铰支座轴测图
3焊接节点
3.1焊接节点的深化设计的基本原则
（1）根据设计院提供的初步设计资料、节点轴线图，各肢杆相交于空间坐标原点，避免产生偏心扭矩。

（2）焊接节点支管间的净距要满足焊接的操作空间（杆件之间的边缘距离不小于500）
（3）焊接节点圆管相贯支管优先贯通原则：
a．节点中贯通的为主管，其余为支管；
b.其它支管，直径大的优先与主管相连若支管直径相同，壁厚大的优先与主管相连。

c.若支管直径、壁厚均相同，则应同时与主管相贯。

体育场主结构局部
内环点焊接节点冠峰点焊接节点
十主次杆件的深化设计
详图设计综合考虑了原材料规格、制作工艺、运输、安装方案等因素，如构件尺寸较大，运输单元与安装单元之间存在差异，详图设计应考虑长梁分段制作、运输，然后在现场拼装成整体交给安装。

构件运输、安装中用到的吊耳等辅助零件应在详图设计阶段考虑，根据计算的规格和确定的位置进行设计。

本工程详图设计要考虑的工艺设计内容如下：（1）施工图要充分考虑大量的现场拼装和使用的吊装设备、场地大小等实际情况，对构件的节点处理和分段要科学合理。

（2）出图考虑拼接顺序，保证工厂、现场拼装复杂节点的顺利实施。

（3）详图设计人员与工艺设计人员紧密配合，对焊缝收缩量计算。

1主杆件构件
主杆件采用焊接圆钢管，直径700～1400㎜，壁厚12～140mm，主要材质为Q390B，部分铸钢管材质为LX420。

1.1主杆件分段的基本原则
根据施工方案及结构特点：考虑制作运输主杆件分段,次杆件牛腿与主杆件净距不小于0.3m，同时，牛腿杆件之间的最小间离不小于0.3m，现场拼接处设置临时连接板。

1.2设计图例
主杆件轴测图一
主杆件轴测图二
主杆件深化详图一示意
主杆件深化详图二示意
2次杆件构件
次杆件为焊接箱形，宽度150～300mm，高度450～600mm，壁厚10～50mm，钢号为Q345B。

2.1次杆件分段的基本原则
根据吊车性能及结构特点：次杆件均按“米”字节点或带牛腿的原则分段，现场分片组装，拼接节点处均设置安装临时连接板，梁面设吊耳。

2.2设计图例
次杆件轴测图一
次杆件轴测图二
次杆件深化详图一示意
次杆件深化详图二示意
十一马道与楼梯的深化设计
马道的制作运输分段考虑不大于15m。

1马道
马道局部轴测图一
马道局部轴测图二
马道深化详图一立面示意
马道深化详图一节点示意
马道深化详图二立面示意
马道深化详图二节点示意
2楼梯
楼梯轴测图了
楼梯深化详图一示意
楼梯深化详图二示意。