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國(guó)家體育場(chǎng)（鳥巢）工程鋼結(jié)構(gòu)支撐塔架設(shè)計(jì)

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    封葉劍 曹峰 崔明芝 魏義進(jìn)

    摘 要：本文主要是對(duì)國(guó)家體育場(chǎng)主桁架安裝過程中所使用的支撐塔架的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行介紹，并對(duì)支撐塔架卸載過程中監(jiān)測(cè)到的支撐塔架應(yīng)力情況進(jìn)行分析，從而總結(jié)出大噸位支撐體系設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題。
    關(guān)鍵詞：支撐塔架、抗側(cè)力體系、空間排架、格構(gòu)式柱、應(yīng)力比
    National Stadium (the nest) Steel Structure Engineering
    the Design of Steel Supporting Tower
    Abstract： This paper mainly introduces the design process of the steel
    supporting tower ,which is used to support the National Stadium main truss
    in the installation process. The stress analysis, whose basic date gets
    from the process of unloading the supporting tower, is done. Thus we know
    the problem that large tonnage support system should pay attention to.
    Keywords： support tower, the lateral force resisting system, space rack,
    cancelled column , stress ratio
    國(guó)家體育場(chǎng)為2008年北京奧運(yùn)會(huì)的主體育場(chǎng)，建筑頂面呈馬鞍型，大跨度屋蓋支撐于周邊24根桁架柱上。主桁架圍繞屋蓋中間開口呈放射形布置，與桁架柱、頂面及立面次結(jié)構(gòu)一起形成了“鳥巢”的特殊建筑造型。主桁架盡可能直通或接近直通，并在中部形成由分段直線構(gòu)成的內(nèi)環(huán)，構(gòu)件截面均為箱形截面，其空間位置復(fù)雜多變，形體宏大、美觀。
    1．支撐布置及設(shè)計(jì)技術(shù)條件
    國(guó)家體育場(chǎng)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)屬大跨度空間巨型桁架結(jié)構(gòu)，構(gòu)架自重產(chǎn)生的內(nèi)力所占比例較大。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)安裝施工組織設(shè)計(jì)，鋼結(jié)構(gòu)總體安裝采用分段吊裝高空對(duì)接的方法（也簡(jiǎn)稱散裝法）施工，在結(jié)構(gòu)施工過程中設(shè)置了78個(gè)支撐點(diǎn)，支撐點(diǎn)設(shè)置在主桁架下弦交叉節(jié)點(diǎn)的位置，如下圖所示。

    支撐塔架設(shè)計(jì)的技術(shù)條件來源于支撐卸載分析的結(jié)果，它給出了整體、分級(jí)同步的卸載過程中，各個(gè)支撐點(diǎn)在各個(gè)卸載子步的反力情況。統(tǒng)計(jì)其中每個(gè)點(diǎn)在所有步驟中的最大反力就是施加在支撐塔架上的使用荷載。
    同時(shí)，在桁架的安裝過程中，雖然支撐塔架所受的豎向力沒有在卸載過程中相應(yīng)支撐點(diǎn)最大反力大，但先內(nèi)環(huán)、后外環(huán)的安裝順序使得施工過程主桁架獨(dú)立承受的風(fēng)荷載很大，并作為一個(gè)水平集中荷載施加在塔架的柱頂。因此，主桁架在安裝過程中所受的風(fēng)荷載也是支撐塔架受力分析的一個(gè)控制工況。
    國(guó)家體育場(chǎng)的建筑頂面呈雙曲馬鞍形，最高點(diǎn)高度為69.1m，最低點(diǎn)高度為40.7m。這樣的屋蓋外形也決定其安裝過程中的支撐塔架的頂面整體外形也呈馬鞍形、塔架高，這是支撐設(shè)計(jì)的又一技術(shù)條件。
    2．體系選型
    支撐塔架的柱身選用3×3m格構(gòu)柱，為提高支撐塔架的整體剛度和穩(wěn)定性，在支撐塔架的頂部設(shè)置水平支撐體系，支撐體系仍采用格構(gòu)式桁架結(jié)構(gòu)。為提高水平支撐體系的抗扭剛度，在其角部區(qū)域設(shè)置隅撐，支撐塔架的柱腳與基礎(chǔ)采用剛接。根據(jù)主結(jié)構(gòu)的安裝方案，將整體支撐塔架分成四大塊，長(zhǎng)短軸各兩個(gè)區(qū)塊，并將這四區(qū)塊所有支撐塔架連成整體。這個(gè)方案符合主桁架安裝、形成自受力體系的過程，方案如下圖所示：

    2．1　支撐塔架和柱頂系桿桁架
    為方便現(xiàn)場(chǎng)加工、制作和安裝，提高其經(jīng)濟(jì)性，支撐塔架和柱頂系桿桁架的設(shè)計(jì)均采用標(biāo)準(zhǔn)段模數(shù)化的方式。支撐塔架的柱肢采用螺旋焊管，水平腹桿采用雙角鋼十字形布置。為節(jié)約鋼材支撐塔架的斜腹桿采用X形交叉體系腹桿，設(shè)計(jì)時(shí)只考慮其受拉不考慮其受壓，其截面型式采用角鋼。為提高支撐塔架的柱身的抗扭剛度，在每節(jié)標(biāo)準(zhǔn)段的兩端和中間區(qū)域設(shè)置交叉橫隔，交叉橫隔的截面采用角鋼。柱頂系桿桁架的設(shè)計(jì)方式與支撐塔架基本相同。
    2．2　抗側(cè)力體系的形成
    本支撐塔架主要考慮的水平側(cè)力為風(fēng)荷載。除支撐塔架自身及柱頂系桿桁架需抵抗風(fēng)荷載外，主要考慮支撐于塔架塔身上的主桁架受風(fēng)作用。主桁架軸線高12m，上、下弦桿多為1000×1000mm的箱形梁，腹桿為600×600mm的箱形梁。主桁架受風(fēng)面大，處在高空，受風(fēng)作用敏感。為增強(qiáng)各支撐塔架整體協(xié)同抗風(fēng)的能力，在各支撐塔架頂部設(shè)置格構(gòu)式柱頂系桿作為水平支撐體系。另外，為提高整體結(jié)構(gòu)柱頂平面支撐系統(tǒng)的抗扭剛度，在角部區(qū)域設(shè)置隅撐。計(jì)算分析表明，上述結(jié)構(gòu)的整體工作接近于空間排架結(jié)構(gòu)，支撐塔架的受力與懸臂柱類似，為提高整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力，單方面增加支撐塔架強(qiáng)度和剛度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，也是極不經(jīng)濟(jì)的，因此，為傳遞側(cè)向風(fēng)載，需進(jìn)一步采取其他措施，形成整體結(jié)構(gòu)的抗力體系。
    根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，施工時(shí)可在中圈和外圈的支撐塔架頂部設(shè)置雙向纜風(fēng)用以傳遞屋蓋主桁架所受風(fēng)載，內(nèi)圈支撐塔架所受屋蓋主桁架的風(fēng)載由整體結(jié)構(gòu)傳遞，此為方案一。另外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件在支撐塔架的部分位置與主體看臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，借主體看臺(tái)結(jié)構(gòu)的水平剛度提高支撐塔架的整體抗側(cè)能力，此為方案二。具體實(shí)施時(shí)也可將兩方案結(jié)合起來，增加額外的安全儲(chǔ)備。

    3．設(shè)計(jì)計(jì)算報(bào)告
    綜上所述，上述整體結(jié)構(gòu)中，支撐塔架柱的計(jì)算和設(shè)計(jì)是關(guān)鍵中的關(guān)鍵，為此計(jì)算時(shí)采取兩種計(jì)算方案。方案一，支撐塔架作為單根懸臂柱進(jìn)行計(jì)算分析，作為強(qiáng)化支撐塔架設(shè)計(jì)的手段。方案二，按上述兩種抗側(cè)力體系進(jìn)行有限元的整體計(jì)算分析。
    3．1　支撐塔架按單根懸臂柱的計(jì)算分析
    3．1．1　荷載工況
    根據(jù)對(duì)支撐設(shè)計(jì)技術(shù)條件的分析，支撐設(shè)計(jì)、分析主要分兩個(gè)施工階段來考慮：主桁架安裝階段、主桁架合攏后的卸載階段，兩個(gè)階段的控制荷載各不相同。考慮到支撐塔架實(shí)際工作中的復(fù)雜性，偏安全考慮計(jì)算模型選用單根懸臂格構(gòu)柱模式，其余部分的構(gòu)造措施作為整體支撐塔架系統(tǒng)的附加安全儲(chǔ)備。支撐塔架為四肢組合格構(gòu)式柱，截面尺寸為3m×3m，柱高為48.380m。
    （1）豎向荷載
    作用于支撐塔架柱頂?shù)淖畲蟠怪焙奢d設(shè)計(jì)值P：3000.0kN（取安裝過程和卸載階段各步驟中的最大值），作用點(diǎn)沿格構(gòu)柱對(duì)角線方向距中心最大偏心距為539mm，按活荷載考慮。設(shè)計(jì)時(shí)考慮由施工過程中實(shí)際位置的偏差，偏心距增加±10%。
    支撐塔架自重力設(shè)計(jì)值D：580.420kN
    （2）溫度荷載
    由于支撐塔架體系不是溫度敏感結(jié)構(gòu)，塔架設(shè)計(jì)不考慮溫度效應(yīng)；
    （3）地震荷載
    由于施工過程持續(xù)的時(shí)間短暫，故支撐塔架設(shè)計(jì)不考慮地震作用；




    方案一：纜風(fēng)抗側(cè)力體系，計(jì)算時(shí)外圈和中圈主桁架所受風(fēng)載由纜風(fēng)繩承受，內(nèi)圈由支撐塔架整體體系承受。
    方案二：借助看臺(tái)抗側(cè)力體系，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件在支撐塔架的部分位置與主體看臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，提高支撐塔架的整體抗側(cè)力能力。外圈、中圈及內(nèi)圈主桁架所受風(fēng)載均由支撐塔架整體體系傳遞至塔基和看臺(tái)。


    （2）方案一計(jì)算分析
    分析計(jì)算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：
    整體塔架結(jié)構(gòu)是安全的，其主體重要桿件材料應(yīng)力比約為50%~70%（圖中0.5處所示），局部次要桿件材料應(yīng)力比約為70%~90%（圖中0.7處所示），少部分桿件材料應(yīng)力比超過90%（圖中0.9處所示）。其中超應(yīng)力比部分的桿件主要是支撐塔架和柱頂系桿X型交叉腹桿，按結(jié)構(gòu)退化理論，受壓的斜腹桿在其壓應(yīng)力達(dá)到臨界應(yīng)力后退出工作，剩余水平力由拉桿繼續(xù)承受。根據(jù)上述MODE?A區(qū)桿件材料應(yīng)力比的情況，不但說明塔架整體結(jié)構(gòu)是安全的，同時(shí)也說明了其設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理性。
    安裝階段和卸載階段其水平變位的規(guī)律基本相同，但安裝階段的變位相對(duì)較大，究其原因，卸載階段屋蓋鋼構(gòu)已形成整體結(jié)構(gòu)，其本身已具有抗風(fēng)能力，主桁架的風(fēng)載不再由支撐塔架承受和傳遞。安裝階段柱頂X向水平最大變位約為33.4mm，Y向水平最大變位約為33.7mm，約為支撐塔架高度1/1436，符合設(shè)計(jì)預(yù)期要求。這里需要說明的是在實(shí)際的結(jié)構(gòu)中，實(shí)際變形要比計(jì)算值大。原因之一，計(jì)算時(shí)柱腳按三向約束固定鉸接考慮，而實(shí)際上柱腳與塔基部分通過螺栓連接，部分通過預(yù)埋件的錨筋與塔基連接，此兩者的截面與柱腳截面相比小得很多，柱腳與塔基連接實(shí)際上為彈性約束，因此柱頂實(shí)際位移較計(jì)算值會(huì)有所增大。原因之二，支撐塔架和柱頂系桿X型交叉腹桿中受壓的斜腹桿在其壓應(yīng)力達(dá)到臨界應(yīng)力后退出工作，也會(huì)使柱頂實(shí)際位移較計(jì)算值會(huì)有所增大。另外，X向和Y向得水平變位基本相同，說明支撐塔架和柱頂系桿形成的整體結(jié)構(gòu)的框架作用并不明顯，支撐塔架在兩個(gè)方向的受力更接近于懸臂柱的工作方式，結(jié)構(gòu)的整體工作更接近于空間排架結(jié)構(gòu)。
    桿件軸力表明，安裝階段軸力的變化梯度相對(duì)較大，局部支撐塔架柱肢有拉力出現(xiàn)，究其原因，一方面安裝階段主桁架的風(fēng)載需由支撐塔架承受和傳遞，另一方面卸載階段豎向軸力也相對(duì)較大。另外，計(jì)算結(jié)果也表明支撐塔架柱頂系桿的弦桿軸力很小，這就從另一方面說明支撐塔架和柱頂系桿形成的整體結(jié)構(gòu)的框架作用并不明顯。究其根本的原因在于設(shè)計(jì)時(shí)柱頂系桿的弦桿截面相對(duì)較小，在柱頂節(jié)點(diǎn)區(qū)域的彎矩分配中分得彎矩也小許多，整體框架結(jié)構(gòu)更類似于排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行工作。
    綜上所述，柱腳的設(shè)計(jì)和計(jì)算顯得格外重要。抗拔驗(yàn)算時(shí)，豎向荷載偏安全考慮按900kN取值，即豎向荷載中的D3工況，荷載分向系數(shù)按1.0取值。
    柱腳最大抗拔力為715kN，柱腳最大壓力為1380kN，據(jù)此可對(duì)現(xiàn)有柱腳的埋件和地腳螺栓進(jìn)行強(qiáng)度復(fù)核和加固處理。
    （3）方案二計(jì)算結(jié)果

    （4）方案二計(jì)算分析
    分析計(jì)算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：
    整體塔架結(jié)構(gòu)是安全的，其桿件材料應(yīng)力比的規(guī)律與方案一基本相似的。
    安裝階段和卸載階段其水平變位與方案一有所不同，其主要特點(diǎn)是外圈支撐塔架柱頂變位較為集中。安裝階段柱頂X向水平最大變位約為32.2mm，Y向水平最大變位約為35.2mm，約為支撐塔架高度1/1374。
    桿件軸力表明，外圈支撐塔架軸力分布的規(guī)律變化較大，其原因在于外圈支撐塔架與看臺(tái)連接后形成新的水平荷載傳遞途徑，其柱肢軸力出現(xiàn)拉壓變換現(xiàn)象，伴有反彎點(diǎn)出現(xiàn)。
    柱腳最大抗拔力為747kN，柱腳最大壓力為1479kN。據(jù)此可對(duì)現(xiàn)有柱腳的埋件和地腳螺栓進(jìn)行強(qiáng)度復(fù)核和加固處理。
    3．3　方案二增加的水平約束支座反力分析
    設(shè)計(jì)時(shí)，在標(biāo)高為16.400m處的外圈4個(gè)支撐塔架格構(gòu)柱的分肢與看臺(tái)連接位置設(shè)置X、Y兩個(gè)方向的水平約束。
    分別取抗拔驗(yàn)算荷載組合X、Y兩個(gè)方向（COM5和COM6）的荷載作用下的支座反力進(jìn)行分析：
    通過比較分析，可得出如下結(jié)論：
    （1）抗拔驗(yàn)算X正向荷載組合（COM5）作用下新增支座的反力占全部支座反力的比值-4037.7-4681.7×100%=86.2%，增加的支座承受和傳遞了大部分的水平荷載，新增支座得效用較高；
    （2）抗拔驗(yàn)算Y正向荷載組合（COM6）作用下新增支座的反力占全部支座反力的比值-2629.9-3878.3×100%=67.8%，增加的支座在Y方向承受和傳遞得水平力的效用相對(duì)于X方向的效率較低，其原因在于增加的水平約束處于外圈支撐塔架，而外圈支撐塔架位于支撐塔架區(qū)塊的邊緣。
    4．支撐典型部位設(shè)計(jì)圖
    4．1　支撐標(biāo)準(zhǔn)節(jié)設(shè)計(jì)圖
    由于外圈、中圈的支撐塔架柱肢采用D529×12鋼管，支撐標(biāo)準(zhǔn)節(jié)共分三種：內(nèi)圈12m長(zhǎng)D609×12，中圈12m長(zhǎng)D529×12，外圈6m長(zhǎng)D529×12，在此僅介紹D609×12標(biāo)準(zhǔn)節(jié)塔架，其他作法類似。
    12m塔架柱肢兩頭鋼管對(duì)接采用法蘭連接，接頭根據(jù)等強(qiáng)原則設(shè)計(jì)，采用20M22高強(qiáng)螺栓連接，每間隔兩顆法蘭螺栓設(shè)置一塊節(jié)點(diǎn)加勁板。為增強(qiáng)其慣性矩，水平、交叉腹桿采用L125×8的雙角鋼，且呈十字布置，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)兩端設(shè)置交叉橫隔（見3?3）。為減少水平腹桿與斜腹桿相交處節(jié)點(diǎn)板大小，腹桿相交點(diǎn)往內(nèi)偏心150mm。

    4．2　支撐柱頭設(shè)計(jì)圖
    在支撐卸載過程，支撐點(diǎn)的單點(diǎn)受力較大，最大達(dá)300t。因此，支撐柱頭的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。

    4．3　支撐柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖
    柱腳先期埋設(shè)的螺桿間距偏小，數(shù)量少，考慮到主桁架安裝過程中所受的水平荷載大，柱腳抗拔要求高，支撐塔架每根柱肢在外圍增加4顆化學(xué)錨栓，帶底板和十字形插板的底座先和8顆螺栓拔緊后，再將支撐塔架柱肢插進(jìn)，最后和底板及十字插板焊接成整體。

    4．4　連系桁架設(shè)計(jì)圖
    格構(gòu)式連系桁架的水平軸線尺寸為3m，豎向軸線尺寸根據(jù)塔架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的尺寸取2.875m。連系桁架長(zhǎng)度方向的標(biāo)準(zhǔn)段模數(shù)為3m一擋，即桁架長(zhǎng)度方向每隔3m設(shè)置一根豎向腹桿。由于連系桁架長(zhǎng)短不一，加上桁架與支撐塔架柱肢對(duì)接角度不一，每榀連系桁架減標(biāo)準(zhǔn)段后的遺留長(zhǎng)度不一，通過調(diào)整連系桁架端頭的節(jié)點(diǎn)板及過渡弦桿長(zhǎng)度，可保證連系桁架的規(guī)格滿足要求。連系桁架標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)段部分端頭用D325×8封邊，同時(shí)也加強(qiáng)端頭與塔架柱肢的連接。

    5．卸載時(shí)支撐塔架應(yīng)力監(jiān)測(cè)
    卸載時(shí)，為保證安全采用DGK?4000系列振弦測(cè)量設(shè)備對(duì)支撐塔架進(jìn)行了應(yīng)力監(jiān)測(cè)，根據(jù)卸載的施工過程模擬計(jì)算，選擇了3個(gè)最不利支撐塔架進(jìn)行了應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。振弦式應(yīng)變計(jì)布置在支撐塔架的底部，距離支座500mm的位置，在格構(gòu)柱每個(gè)柱肢各布一個(gè)測(cè)點(diǎn)。
    對(duì)主結(jié)構(gòu)負(fù)載聯(lián)調(diào)時(shí)和支撐塔架卸載過程中支撐塔架柱肢的應(yīng)力實(shí)施了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，下圖為每5分鐘一個(gè)采樣點(diǎn)的柱肢應(yīng)力時(shí)程曲線。

    由圖中可以看出，支撐塔架的應(yīng)力較小，基本在60MPa以下，由于卸載過程中墊片和千斤頂交替受力，導(dǎo)致支撐塔架應(yīng)力變化較大，但逐漸減少。
    6．小結(jié)
    （1）國(guó)家體育場(chǎng)大跨度空間桁架支撐體系的選型及設(shè)計(jì)主要重、難點(diǎn)在于：
    ①大跨度支撐體系選型及設(shè)計(jì)；
    ②支撐體系抗側(cè)力體系的選取；
    ③支撐結(jié)構(gòu)與看臺(tái)結(jié)構(gòu)的交叉情況處理；
    ④大跨度支撐體系的經(jīng)濟(jì)性分析及臨時(shí)工程用量的資源落實(shí)；
    （2）支撐塔架的設(shè)計(jì)充分考慮并滿足了卸載方案的實(shí)施和要求，使“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)于2006年9月17日實(shí)現(xiàn)了主結(jié)構(gòu)支撐塔架整體卸載成功，宣告了鋼結(jié)構(gòu)主體工程順利完成。
    【參考文獻(xiàn)】
    （1）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.10。
    （2）建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.20。
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