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南京奧林匹克體育中心主體育場鋼屋蓋工程

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
工程簡介
    工程簡介
    1. 工程概況
    1.1工程規模
    南京奧林匹克體育中心是2005年江蘇省舉行第十屆全國綜合性運動會的主場館和舉行國際單項最高級別運動會的硬件設施，是江蘇省政府“十五”計劃的重點工程，也是南京市規劃中的城市副中心的重要組成部分。主體育場位于奧體中心的中心位置，俯視平面為242m直徑的圓，共六層，無地下室。一層設有新聞媒體、賽事工作、運動員和設備用房等，二、四、六層為看臺和商業用房，三、五層為貴賓包廂，建筑面積達13634m2，6萬多個席位，屋蓋鋼結構總用量12153t（含附屬鋼結構：檁條、天溝、馬道、拱腹梁等）。
    1.2結構形式與特點
    主體育場屋蓋結構體系是由與水平面成45°傾斜的、跨度為372.4m的三角形變斷面鋼桁架拱和由104條鋼箱型梁形成的中空馬鞍形空間罩棚結構屋面系統組成，罩棚的徑向長度為68.14m～27m，覆蓋面積3.792萬平方米，主拱南北方向對稱布置，主體鋼結構用量10739t。整個屋蓋結構體系在各種不同荷載組合情況下，分別由主拱和鋼箱型梁外端的“V”型支撐將荷載傳至下部結構。結構體系造型美觀新穎，體現了建筑師的設計意圖，45°傾斜主拱線條簡明，宛如飄帶，但是，傾斜主拱和屋面箱型梁互相依托，其傳力體系異常復雜。
    主拱為空間結構管桁架，跨度372.4m，拱身弧線長度415m，最高點為拱頂，標高為64.72m，單榀主拱重量為1606t。主拱斷面為斜等腰三角形，4根主弦管布置于等腰三角形的三個頂點和底邊的中點上，三角形斷面的底邊與地面的夾角為45°，腰與底邊夾角為33°，最大三角形斷面底邊上主弦管的中心距為15m，高4.085m。主弦管采用φ1000和φ500的鋼管，壁厚有12、16、20、34、44、54和60共七種，腹桿的直徑為φ299～φ450。主拱節點采用鑄鋼節點、壓制球節點及相貫節點。兩榀主拱分別向東、西方向傾斜，支承在屋面箱型梁和拱腳上。
    屋面系統由箱型梁、環型梁、連系梁、屋面支撐及檁條等組成，屋面最高點標高為52.81m（東西方向外檐口），最低點標高為24.049m（南北方向外檐口）。作為屋面系統的主要受力構件，箱型梁采用不同的斷面組合，最多為5個斷面組合，斷面寬度均為500mm，高度有1100、1400、1600、1800、2100五種，腹板厚度有10、12、14、16四種，翼緣板厚度有20、25、32、65、85五種。箱型梁的一端支承在V形支撐柱上，另一端則通過箱型梁中間位置的M桿與主拱的主弦管相連。箱型梁之間設有鋼管連系梁，兩端及中間位置設有環型梁。
    連接主拱與屋面箱型梁的M桿由前吊桿、后撐桿及2根輔助桿組成，四根桿件形成“M”形，故稱“M”桿。M桿規格有φ299*12、φ351*12、φ450*24三種，其下端與箱型梁上翼緣鉸接，上端則焊接在主拱主弦管上。
    支承屋面箱型梁的V形支撐柱設置在兩榀箱型梁之間，每個V形支撐有四根支撐鋼管，分為前支撐柱和后支撐柱，由一根前支撐柱和一根后支撐柱支承一榀箱型梁。支撐鋼管分φ500*24、φ500*34兩種，四根鋼管柱下端通過銷軸連接在鑄鋼平板支座上，形成一個倒錐形，故稱V形支座或錐形支座，前支撐柱上端與鑲嵌在箱型梁中H型鋼鑄鋼件底板相貫，后支撐柱則與鑲嵌在箱型梁當中的鑄鋼球的支管相接。
    主體育場工程構件材質：V型支撐柱采用Q345C；箱形梁翼緣板采用Q345C、腹板和勁板采用Q235B；環形梁采用Q345C、Q235B；懸索鋼管采用Q345C；主拱采用Q345C；M桿采用Q345C；拱腹桁架、檁條、馬道等采用Q235B；鑄鋼件采用Gs20Mn5N。
    1.3建設、設計、監理、施工單位
    主體育場工程由南京龍江體育中心建設經營管理有限公司投資建設，澳大利亞HOK公司和江蘇省建筑設計研究院聯合設計，浙江江南監理有限公司負責監理，體育場鋼結構由上海寶冶建設有限公司總承包。
    2. 工程難點、亮點、重點
    2.1工程難點
    由于南京奧體中心主體育場屋蓋結構體系的特殊性，傾斜主拱通過前吊桿、輔助桿及后撐桿與屋面箱型梁相連，主拱通過前吊桿為箱型梁懸臂端提供豎向約束，而箱型梁通過后撐桿則為主拱提供平面外的側向約束，兩者互相依托。在整個結構體系未形成之前，屋面系統與主拱皆非獨立的結構靜定體系。為保證安裝過程中結構的穩定性，屋面和主拱安裝時必須設立臨時支撐系統，安裝完成后屋面臨時支撐需進行卸載和拆除，卸載過程中結構體系逐步轉換，穩步成型。但是，桿件內力和臨時支撐的受力在卸載過程中發生變化，工況分析相當困難，變形控制難度大。施工過程中，不但要考慮吊裝方案、吊裝順序、支撐系統布置方案、鑄鋼件焊接方案、溫度和焊接變形控制方案、主拱組裝和翻身方案、主拱合攏方案，而且還要考慮吊裝完成后的整體卸載方法和順序，施工技術難度相當大。該組合結構國內尚無先例，國際上也實屬罕見。所以，無論是設計還是施工，本工程都具有相當大的難度?？傮w而言，本工程主要有以下十大難點：
    難點一：結構體系復雜，設計難度大
    南京奧林匹克體育中心主體育場屋頂結構體系是由鋼桁架拱、吊桿、馬鞍型屋面網格及支撐柱組成的復合結構，與純拱結構、殼體結構具有不同的受力特點和失穩模式。傾斜主拱和屋面箱型梁互相依托，其傳力體系異常復雜，國內尚該結構的理論分析計算軟件，設計難度相當大。為此，江蘇省院用國際上的先進軟件程序進行了理論分析計算作為施工圖設計的依據。為保證結構的可靠性，設計方案經過了三番五次修改，前后論證會議不下于十次，結構驗算也分別由同濟大學和東南大學采用四套不同的計算軟件進行。
    本屋蓋結構體系的節點構造復雜、承力大，為避免以往慣用的焊接連接節點存在的焊接殘余應力、多次熱影響使節點鋼材變脆以及次彎矩對節點的影響等等一些難以定量分析的問題，本工程的關鍵節點設計采用了大量的鑄鋼節點。雖然國內已經在鑄鋼技術上解決了以往存在的缺陷，但是國內對鑄鋼節點研究尚少，無現成標準可循，設計難度較大。
    難點二：材料規格多樣、種類繁多，采購與質量控制難度大
    本工程中既含有最小規格為φ50*4薄壁無縫鋼管、有縫鋼管，又含有最大規格為φ1000*60厚壁壓制鋼管；既含有最薄為6mm的薄板，又含有最厚達85mm的厚板；既含有角鋼，又含有方鋼；既含有鑄鋼件，又含有銷軸。材料規格齊全、種類繁多，采購與質量控制難度相當大。加之，鋼材的漲價更加大了材料采購難度。
    難度三：構件種類、數量多，管理難度大
    本工程既含有主體結構件——主拱、M桿、箱型梁、環型梁、連系梁、懸索管、屋面支撐、V形支撐，又含有輔助結構件——屋面檁條、拱腹桁架、拱腹檁條、屋面馬道、主拱馬道等，構件種類、數量多（見桿件統計一覽表），且每個構件均不一樣，加工制作和現場管理難度大。

    難點四：鑄鋼節點種類、數量多，造型奇特，鑄造難度大
    本工程的主要受力部位——主拱、M桿、箱型梁、懸索管、V形支撐、V形支座采用了大量的鑄鋼節點，鑄鋼節點共有8種，814件，合計1643.3t，其中最大鑄鋼件重量為7.578t（見鑄鋼件統計一覽表）。從形狀上看既有板式鑄鋼支座、錐形鑄鋼連接件，又有圓柱形鑄鋼節點和球形鑄鋼節點，還有H型鋼鑄鋼節點。圓柱形鑄鋼節點和球形鑄鋼節點上支管數量多（最多達11根支管），且大部分鑄鋼節點外形、尺寸均不一樣，其木模制作與鑄造難度巨大。同時，因鑄鋼節點承力大、構造復雜、造型奇特、材質高（材質為Gs20Mn5N），鑄鋼件的內在質量（主要是S、P含量和機械力學性能指標）和外形尺寸要求高，這些更加大了鑄鋼件的鑄造工藝、后處理難度及質量檢查難度。

    難點五：工程焊接量大，焊接難度大
    本工程中既含有φ1000*60進口厚壁壓制鋼管、最大斷面為2100*500及鋼板厚度達85mm的變斷面箱型梁，又有鑄鋼球及各種鑄鋼節點，結構類型多樣，造型奇特。整個屋蓋系統除局部位置（V形支撐柱與V形支座之間、M桿與箱型梁之間）采用銷軸連接外，其余部位均采用焊接連接。工廠制作及現場安裝焊接工作量相當大，一級焊縫焊口總數達8656道，焊縫總長76公里，焊材用量360余噸（見焊接工程量一覽表）?，F場大量的高空焊接（最高達64.712m）、厚壁鋼管焊接（主拱中φ1000*60的鋼管）、厚板焊接（分段箱型梁對接）及鑄鋼件的焊接（鑄鋼件用量達1643.5t）更加大了焊接難度。

    難點六：箱型梁與主拱節點復雜，制作難度大
    作為屋面系統的主要受力構件，箱型梁采用不同的斷面組合，最多為5個斷面組合，斷面高度有1100、1400、1600、1800、2100幾種，但斷面寬度卻只有500mm，因此無法內外同時進行主焊縫的焊接，而只能采用單面熔透焊縫，增加了焊接難度和焊接工作量。箱型梁的腹板厚度最薄只有10mm，而翼緣板厚度最厚達到85mm，兩者相差懸殊，組裝、焊接困難。同時，箱型梁最長達71.332米、最重達59.409噸，造成側向彎曲變形和撓度控制難度大。
    本工程中的箱型梁節點構造相當復雜，既含有與前支撐柱連接的H型鋼鑄鋼件，又含有與后支撐柱相接的鑄鋼球，既含有與環型梁、連系梁相接的短管，又含有與M桿銷接的耳板，并且各箱型梁中連接節點的空間方位均不相同，箱型梁組裝時，連接節點的空間定位難度極大、定位精度要求極高。同時，節點區域大量的隱蔽焊縫的存在，加大了箱型梁的組裝及焊接工藝的難度，必須制訂嚴格的組裝、焊接順序，避免隱蔽焊縫出現無法施焊的現象。
    主拱為空間結構管桁架，其斷面為斜等腰三角形，最大三角形斷面底邊上主弦管的中心距為15m，高4.085m，體型龐大。主拱主弦管采用φ1000和φ500的鋼管，壁厚最厚達60mm，組裝焊接困難。同時主拱節點采用鑄鋼節點、壓制球節點及相貫節點，鑄鋼節點體型大、重量重、支管數量多（都在8根以上，最多達11根）、空間角度變化多樣，空間定位困難，組裝難度大。相貫焊縫局部存在二次相貫現象，不可見焊縫的焊接必須采取合理的組裝焊接順序和組裝方法，才能保證焊口的組裝與焊接質量，因此，組裝、焊接難度大。
    難點七：構件重量大、吊點高，吊裝難度大
    近年來，各國在研究大跨度空間結構的結構形式的同時，也在不斷地研究和提高大跨度空間結構的施工技術。目前，國內外已有很多先進的空間結構施工技術，但是，為了體現建筑美學和設計師理念，大跨度空間結構往往是一個個性化的變異設計，無統一標準化可言，因此，各種施工技術都有其一定的針對性。不同的結構形式、場地條件及工程實際情況，所采用的施工技術也會有所不同。對于南京奧林匹克體育中心主體育場鋼屋蓋此類大跨度空間結構，主拱和屋面箱型梁互相依托，形成穩定的空間結構體系，國內外卻無先例，更無成熟的類似施工技術，施工方案選擇難度大。在整個結構體系未形成之前，屋面系統與主拱皆非獨立的結構靜定體系，安裝時，結構穩定性差，吊裝各階段的工況分析難度大。
    同時，箱型梁長度長、重量重、迎風面大，吊裝過程中容易產生變形，就位時定位困難，就位后容易產生側向失穩。而主拱更是跨度大、體型龐大、節點復雜，分段吊裝時提升高度高，工作半徑大，主拱翻身與吊裝難度大。
    難點八：結構體系復雜，支撐體系布置與設計難度大
    為保證安裝過程中結構的穩定性與施工的可操作性，屋面和主拱安裝時必須設立臨時支撐系統，支撐系統的布置既要滿足施工階段結構的受力性能，符合設計要求，又不能對下部混凝土看臺結構產生過大的影響，造成破壞，還要方便施工（包括安裝階段和卸載階段），保證安全。故支撐的布置、計算及設計十分復雜。
    難點九：支撐胎架數量多，卸載難度大
    本工程支撐系統的卸載過程既是拆除支撐胎架的過程，又是結構體系逐步轉換成型的過程。由于空間結構體系平面外的剛度相對較小且各部位的強度和剛度均不相同，相鄰支撐在卸載過程中互相影響。卸載過程中，結構本身的桿件內力和臨時支撐的受力均會產生相應的變化。由于本工程屋蓋支撐胎架數量眾多，不可能同時一起卸載，也不可能逐個進行拆除，必須分批、分級、同步進行。卸載的先后順序、卸載方法及工藝都會對結構本身和支撐胎架產生一定的影響，卸載難度大。
    難點十：主拱跨度大，變形控制難度大
    由于主拱跨度大，施工時間長，溫差對主拱變形的影響較大。地面分段拼裝時的溫度和合攏時的溫度存在溫差。加之，是從兩端往中間對稱進行主拱安裝的，如果按照常規的施工方法，則在中間位置勢必出現錯口、錯邊及尺寸偏差現象，造成主拱無法順利對接。同時，主拱安裝是直接在屋面系統上進行的，屋面系統的變形也會對主拱變形產生很大的影響，主拱變形控制難度大。
    2.2工程亮點
    本工程屋蓋結構形式獨特、造型新穎，除了存在十大工程難點外，更顯示了三大工程亮點：
    亮點一：主拱跨度大，創世界第一斜拱
    作為整個屋蓋結構的靈魂——主拱，其跨度 為372.4m，弧線長度415m，且向外傾斜45°，堪稱“世界第一斜拱”。同時，主拱拱腳之間設有預應力混凝土地梁，拱身與地梁形成弓狀，更有“世界第一弓”之美譽。
    亮點二：鑄鋼節點構造復雜，數量多，居全國同類建筑用量第一
    本工程的主要受力部位——主拱、M桿、箱型梁、懸索管、V形支撐、V形支座采用了大量的鑄鋼節點，鑄鋼節點構造復雜，造型奇特，既有板式鑄鋼支座、錐形鑄鋼連接件，又有圓柱形鑄鋼節點和球形鑄鋼節點，還有H型鋼鑄鋼節點，圓柱形鑄鋼節點和球形鑄鋼節點支管數量多（最多達11根支管），且大部分鑄鋼節點外形、尺寸均不一樣。鑄鋼節點數量多達814個，居全國同類建筑用量第一。
    亮點三：大量試驗研究，國內實屬罕見
    為了論證南京奧體中心體育場屋頂挑蓬結構體系的設計理論分析的正確性和可靠度，確保體育場屋頂結構體系既安全可靠、技術先進，又經濟合理，為工程設計提供非常有價值的參考數據和依據。工程開始前，進行了1:20實體模型試驗，在安裝階段和正常荷載承力情況下，對實體結構的主要桿件節點和支座均進行了應力、應變、撓度測試，獲得的數據與理論數據分析比較，同時作為實體結構驗收的依據。為今后我國大型、大跨度空間結構提供了有價值的指導性數據，為新結構的推廣作出一定的貢獻。
    對于大跨度罩棚結構，風荷載往往是較大的，但風壓值和風載系數的取值卻很難確定，為此，針對工程地理位置情況和結構特征，同濟大學和北京大學分別進行了風洞試驗，通過風洞試驗結果確定風載系數。
    在同一工程中，進行如此多的試驗研究，在國內實屬罕見。
    2.3工程重點
    主體育場鋼結構工程量大，構造復雜，工期緊，其施工重點主要有以下幾點：
    （1）箱型梁及主拱的加工制作：箱型梁長度長、變斷面，節點構造復雜，加工制作難度大。而主拱斷面大，含有大量鑄鋼節點，組裝難度大。
    （2）支撐胎架的設置：由于本工程中屋面梁與主拱互相依托，在主拱和屋面構件全部安裝完成并形成結構體系前，主拱和屋面構件均為不穩定體系，必須設置臨時支撐胎架，支撐體系的設置必須經過嚴格的工況分析和受力計算。
    （3）大跨重型結構的吊裝：主拱跨度大，節點復雜，拼裝精度要求高，分段吊裝時吊裝高度高，工作半徑大。同時，主拱吊裝時間長，會受溫度變化而產生收縮變形，施工困難，必須重點研究分析。
    （4）現場焊接：本工程中既含有φ1000*60厚壁鋼管、最大斷面為2100*500及鋼板厚度達85mm的箱型梁，又有鑄鋼球及各種鑄鋼節點，結構類型多樣。整個屋蓋系統除局部位置采用銷接外，其余部位均采用焊接連接，現場焊接工作量相當大。而高空焊接、厚壁鋼管焊接及鑄鋼件的焊接更加大了焊接難度。
    （5）鋼屋蓋系統整體卸載：安裝時，屋面和主拱荷載由臨時支撐系統承擔，安裝完成后，屋面臨時支撐胎架需進行拆除，主拱和屋面形成整體穩定體系。
    3. 施工工期
    2003年11月15日開始加工制作，2004年2月15日加工完畢；2003年12月30日開始吊裝第一根箱型梁，2004年4月6日吊裝完最后一根箱型梁；2004年3月6日開始吊裝第一段主拱，2004年5月17日東區主拱合攏，5月27日西區主拱合攏；2004年6月25日開始卸載，26日卸載完畢，總安裝工期148天。
    4. 施工技術
    （1）總體方案
    在總體施工思路的選擇上，根據南京奧體主體育場鋼屋蓋系統的結構形式、構件類型、尺寸、重量和變形、工期要求、現場場地條件及其他實際情況，通過經濟對比分析、工況分析，同時考慮到設計要求、施工安全，最終選用“一套支撐胎架，兩組吊機”的作業方案，“分區安裝、齊頭并進”的施工原則。
    在吊裝方案選擇上，根據構件單體重、作業半徑大、起吊高度高的特點，選用600t和300t履帶吊作為主吊機，150t履帶吊和M440塔吊作為輔助吊機分區安裝、齊頭并進的施工方法。由于本結構為空間馬鞍型組合結構，構件的空間方位、角度及重心均不相同，為保證吊裝及就位準確、平穩，所有箱型梁和主拱吊裝前均要根據三維模型通過平衡滑輪和倒鏈來進行角度調節，并根據計算機準確計算得出的重心確定吊點的位置。吊裝順序為：V形支座預埋件——屋面支撐胎架——V形支撐前支撐柱——箱型梁——V形支撐后支撐柱、環型梁、連系梁——屋面支撐——M桿——主拱——檁條、天溝梁、馬道，屋面系統與主拱的安裝順序均由低往高進行，保證了屋面體系和支撐胎架體系的整體穩定性。
    （2）主拱安裝
    主拱組裝完成后，分段吊裝就位。吊裝順序為：從兩端向中間。由于主拱采用臥式連續拼裝法，所以吊裝前要進行翻身，翻身時采用雙門滑輪，以減少翻身過程中的沖擊。吊裝前通過葫蘆來調節主拱的空間角度，確保高空對口就位準確無誤。
    對于大跨度拱，其溫度變形和溫度應力是較大的，故設置合攏段，合攏段的長度根據合攏時的實際測量尺寸來進行下料。在從兩端往中間安裝主拱的過程中，逐段消除安裝誤差，合攏前要進行連續觀測，確定溫差對拱身的影響，選擇合適的時間及合攏溫度，低溫安裝就位，符合合攏溫度時定位焊接，焊接時兩人對稱連續施焊。
    （3）鋼屋蓋系統整體卸載
    本工程的卸載過程既是拆除支撐胎架的過程，又是結構體系逐步轉換過程，在卸載過程中，結構本身的桿件內力和臨時支撐的受力均會產生變化。卸載時，既要確保安全、方便施工，又不能改變設計意圖，對構件的力學性能產生較大的影響。為了保證卸載時相鄰支撐胎架的受力不會產生過大的變化，同時保證結構體系的桿件內力不超出規定的容許應力，避免支撐胎架內力或結構體系的桿件內力過大而出現破壞現象，保證結構體系可靠、穩步形成。 根據支撐胎架的布置及結構本身與支撐胎架的受力情況，將支撐胎架分為9個區，每區分級同步卸載。卸載的分級大小和卸載順序根據結構計算和工況分析得出的結果進行，先小后大，先拆主拱支撐胎架，然后拆屋面支撐胎架，由高到低、由內到外、東、西同步、共分20步進行。卸載時，通過可調節支承裝置（螺旋式千斤頂），按多次循環、反力控制與位移控制相結合的原則，來實現荷載平穩轉移。
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