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國(guó)家體育館鋼屋蓋工程支撐架設(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]

    黃明鑫 徐建設(shè) 婁衛(wèi)校 崔嵬

    摘要：國(guó)家體育館是2008北京奧運(yùn)中心區(qū)三大主場(chǎng)館之一，受高空拼裝、雙向索穿索、累積滑移等施工工藝影響，其支撐架體系的設(shè)計(jì)具有一定特色，本文對(duì)該工程的拼裝平臺(tái)支撐架、滑道支撐架和滑移胎架的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。
    關(guān)鍵詞：支撐架；標(biāo)準(zhǔn)支撐架；滑移；拼裝
    1. 引言
    1.1 工程概況
    國(guó)家體育館位于北京奧林匹克公園南部，與國(guó)家體育場(chǎng)(鳥(niǎo)巢)、國(guó)家游泳中心(水立方)共同組成奧運(yùn)中心區(qū)三大主場(chǎng)館。總建筑面積約為81000平方米，是奧運(yùn)會(huì)體操、手球，殘奧會(huì)輪椅籃球的比賽館，是一座具有國(guó)際先進(jìn)水平的大型多功能體育館。

    本工程鋼屋蓋分比賽區(qū)和熱身區(qū)兩部分，見(jiàn)圖1，本文僅討論比賽區(qū)部分，其平面布置如圖2。本工程的支撐架體系在設(shè)計(jì)方面存在著如下特點(diǎn)：
    ⑴荷載較大：鋼屋蓋總重約2500噸，一個(gè)支撐架承受的豎向荷載超過(guò)1000kN；
    ⑵影響因素多：高空拼裝、滑移、穿索、張拉等施工工藝對(duì)支撐架體系的設(shè)計(jì)都有較大影響；
    ⑶與下部混凝土看臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)聯(lián)系密切，支撐架與看臺(tái)混凝土梁、板、柱均有聯(lián)系。
    1.2 支撐架體系的組成
    支撐架體系的總體布局見(jiàn)圖3。在東側(cè)看臺(tái)Q~P軸對(duì)應(yīng)縱向桁架設(shè)計(jì)位置8.5m寬，搭設(shè)兩榀桁架拼裝平臺(tái)支撐架，在P~N軸設(shè)8.5m寬的輔助平臺(tái)，因此共計(jì)在Q~N軸間共搭設(shè)合計(jì)為17m的拼裝平臺(tái)，平臺(tái)下部為滿堂腳手架。在10、13、16、19和22軸設(shè)置五個(gè)短滑道，撐桿和索在M軸位置附近安裝。縱向支撐架中心位置分別為Q、P、N軸線往西偏2.0m。
    在南北7軸和24軸框架梁和框架柱上鋪設(shè)滑道，滑道頂面與支痤頂面相平；在縱向跨中16軸處搭建滑道支撐架，高度24.5m。滑道支撐架上部為兩條滑道，間距3m。滑道上部為滑移胎架，高度12m。縱向桁架下弦節(jié)點(diǎn)置于滑移胎架上進(jìn)行滑移。在10軸、13軸、16軸、19軸和22軸的拼裝平臺(tái)支撐架頂部鋪設(shè)長(zhǎng)17m短滑道。

    由上述介紹可以看出，本工程支撐架體系由四大部分組成：拼裝平臺(tái)支撐架；滑道支撐架；滑移胎架；腳手架。限于篇幅，本文僅介紹前三部分。這三個(gè)部分在設(shè)計(jì)時(shí)均考慮采用標(biāo)準(zhǔn)支撐架，以每6m為一標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，全部采用螺栓和法蘭連接。基本截面為2m×2m，可在施工中根據(jù)需要隨意組合，任意擴(kuò)展。支撐架所有組件均由圓管構(gòu)成。需要拼接時(shí)在高空采用法蘭連接，逐層加高。
    2. 拼裝平臺(tái)支撐架設(shè)計(jì)
    2.1 拼裝平臺(tái)支撐架的組成

    拼裝平臺(tái)支撐架的平面布置圖見(jiàn)圖4，剖面見(jiàn)圖5。支撐架全部采用2m×2m標(biāo)準(zhǔn)支撐架，橫向支撐架間距均為8.5m，縱向支撐架間距25.5m，部分與下部看臺(tái)混凝土柱或梁對(duì)應(yīng)，柱頂埋設(shè)預(yù)埋件，另一部分直接由地面支撐。支撐架之間在縱向設(shè)聯(lián)系桁架，在橫向設(shè)連梁進(jìn)行拉結(jié)，整個(gè)拼裝平臺(tái)支撐架形成一空間桁架結(jié)構(gòu)。

    2.2 計(jì)算分析及結(jié)果
    按空間桿系結(jié)構(gòu)，采用Sap2000進(jìn)行有限元分析，支撐架、水平聯(lián)系桁架和聯(lián)系梁、頂部短滑道均建入模型。約束情況為：支撐架底部視為固定鉸支座，支撐架頂部與勁性混凝土柱連接處施加水平約束，支撐架與混凝土梁板連接處亦施加約束。
    模型中考慮如下荷載：
    恒載：各桿件自重由程序自動(dòng)考慮；
    活載：
    ⑴拼裝平臺(tái)支撐架頂部的集中荷載按滑移過(guò)程中各支撐架可能出現(xiàn)的最大豎向力考慮；
    ⑵水平聯(lián)系桁架和聯(lián)系梁處考慮一定的施工或荷載(施工活荷載一般通過(guò)滿堂腳手架傳遞，不傳給支撐架體系)；
    風(fēng)荷載：基本風(fēng)壓w0=0.3kN/m2，其余按荷載規(guī)范予以考慮；
    不考慮地震作用。

    模型簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖6，由圖7的計(jì)算結(jié)果表明91％的桿件的綜合應(yīng)力比小于0.5，其余桿件應(yīng)力比亦一般超過(guò)0.7，超過(guò)0.7的有12根，但均小于0.85，完全滿足強(qiáng)度要求。
    變形計(jì)算亦表明拼裝平臺(tái)支撐架體系可以滿足剛度要求。
    3. 滑道支撐架設(shè)計(jì)
    3.1 滑道支撐架的組成
    滑道支撐架位于16軸，滑移過(guò)程中上部結(jié)構(gòu)通過(guò)滑靴把力傳到滑道軌道，然后傳到滑道支撐架。滑道采用H800×500×16×20型鋼組成的平面桁架軌道，其下部的滑道支撐架采用2m×4m(由兩個(gè)2m×2m基本單元橫向拼接組成)標(biāo)準(zhǔn)支撐架。
    由于軌道支撐架比較高，最高為24.5m，所以在兩榀支撐架中間部位增加一道聯(lián)系桁架，同時(shí)采用交叉拉桿連接。此外，在面外方向設(shè)置纜風(fēng)繩，以增加整個(gè)支撐架的穩(wěn)定性。
    3.2 滑道支撐架的計(jì)算分析
    有限元模型見(jiàn)圖8，分析時(shí)考慮如下荷載：
    （1）恒載：滑道桁架和滑道支撐架的自重由程序自動(dòng)考慮；
    （2）活載：
    豎向力：滑移過(guò)程中滑靴傳到軌道梁的集中荷載。通過(guò)滑移過(guò)程的計(jì)算分析可以求出滑移過(guò)程中各個(gè)步驟從滑靴傳到軌道梁的豎向集中荷載。
    水平力：由于在滑移過(guò)程中，滑靴與軌道接觸面存在滑動(dòng)摩擦力（摩擦系數(shù)為0.2），所以在滑移過(guò)程中滑靴除了給軌道豎向力，還會(huì)由于之間的摩擦產(chǎn)生水平力，水平力的大小根據(jù)豎向力的大小乘以系數(shù)0.2得到。另外再考慮滑移啟動(dòng)或剎車時(shí)由水平加速度引起的水平力，取豎向力的0.1倍。由于滑移施工中可能的各種不可預(yù)知因素，軌道梁也將承受垂直滑移方向的水平力，計(jì)算分析中將豎向力的5％作為垂直軌道梁方向的水平力作用于滑道上。
    施工活荷載：軌道梁施工活荷載大部分傳給下部腳手架，僅部分傳給滑道桁架，按2kN/m2考慮。
    （3）風(fēng)荷載
    基本風(fēng)壓w0=0.3kN/m2，風(fēng)載體型系數(shù)、高度系數(shù)等按荷載規(guī)范取值。

    從圖9的計(jì)算結(jié)果可知，滑道支撐架在滑移施工過(guò)程中，79％桿件綜合應(yīng)力小于0.5，桿件綜合應(yīng)力比過(guò)0.8的占1％，但都小于0.9，整個(gè)結(jié)構(gòu)在滑移施工過(guò)程處于安全狀態(tài)，可以保證施工的安全進(jìn)行。
    4. 滑移胎架設(shè)計(jì)
    4.1 滑移胎架的組成

    滑移胎架采用2m×2m標(biāo)準(zhǔn)支撐架，與其他支撐架的位置關(guān)系見(jiàn)圖10，為加強(qiáng)各榀滑移胎架之間的聯(lián)系，在胎架中部、上部和下部各設(shè)置通常聯(lián)系桁架以及交叉支撐。
    4.2 滑移胎架的計(jì)算分析

    計(jì)算模型見(jiàn)圖11(圖中僅表示了滑出前四榀滑移胎架的情況，其余情況未在圖中表示)，模型包括圖中同時(shí)給出了其豎向荷載簡(jiǎn)圖。滑移胎架所承受的豎向荷載為滑移桁架傳給胎架的豎向力，此外，本模型在滑移胎架頂部還考慮了以下水平荷載：
    ⑴滑移方向的水平荷載：滑移胎架頂部與桁架下弦節(jié)點(diǎn)間在滑移開(kāi)始時(shí)因水平加速度引起的水平力，取豎向荷載的0.1倍(水平加速度按0.1g考慮)；
    ⑵垂直于滑移方向的水平荷載：考慮滑移過(guò)程中的各種不可預(yù)知因素，在該方向考慮的水平力為豎向荷載的0.05倍；
    ⑶風(fēng)荷載
    由圖12的計(jì)算結(jié)果可知，滑移胎架在滑移施工過(guò)程中，89%的桿件綜合應(yīng)力比小于0.5，其余桿件應(yīng)力比基本小于0.8(僅一根桿件超過(guò)0.8，但小于0.9)，整個(gè)滑移胎架結(jié)構(gòu)在滑移施工過(guò)程有足夠的安全余量，可以保證施工的安全進(jìn)行。
    同時(shí)變形計(jì)算表明，胎架頂部的最大水平位移為15.0mm，由此引起的位移角為15.0/12000=1/800，滿足規(guī)范要求。
    5. 結(jié)論
    通過(guò)對(duì)國(guó)家體育館鋼結(jié)構(gòu)工程支撐架體系的設(shè)計(jì)，可以得出以下結(jié)論：
    ⑴所有支撐架采用了本公司自行設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)支撐架體系，在本工程完成后可在以后的工程中重復(fù)利用，這樣一來(lái)不僅可以最大限度的節(jié)省社會(huì)資源，而且可以充分發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)，達(dá)到對(duì)資源的最佳利用，同時(shí)這也是“綠色奧運(yùn)”精神的體現(xiàn)；
    ⑵有限元分析結(jié)果表明拼裝平臺(tái)支撐架、滑道支撐架和滑移胎架體系均滿足滑移施工過(guò)程中強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定要求；
    ⑶對(duì)滑移胎架的剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行了適當(dāng)加強(qiáng)；
    ⑷本工程支撐架體系的設(shè)計(jì)施工具有一定特色，可參考應(yīng)用于其他滑移施工項(xiàng)目。

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