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國家體育場（鳥巢）工程鋼結(jié)構(gòu)支撐塔架設計

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

    封葉劍 曹峰 崔明芝 魏義進

    摘 要：本文主要是對國家體育場主桁架安裝過程中所使用的支撐塔架的設計過程進行介紹，并對支撐塔架卸載過程中監(jiān)測到的支撐塔架應力情況進行分析，從而總結(jié)出大噸位支撐體系設計時應注意的問題。
    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
    國家體育場為2008年北京奧運會的主體育場，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，其空間位置復雜多變，形體宏大、美觀。
    1．支撐布置及設計技術(shù)條件
    國家體育場屋蓋鋼結(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)安裝施工組織設計，鋼結(jié)構(gòu)總體安裝采用分段吊裝高空對接的方法（也簡稱散裝法）施工，在結(jié)構(gòu)施工過程中設置了78個支撐點，支撐點設置在主桁架下弦交叉節(jié)點的位置，如下圖所示。

    支撐塔架設計的技術(shù)條件來源于支撐卸載分析的結(jié)果，它給出了整體、分級同步的卸載過程中，各個支撐點在各個卸載子步的反力情況。統(tǒng)計其中每個點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，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支撐點最大反力大，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立承受的風荷載很大，并作為一個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荷載也是支撐塔架受力分析的一個控制工況。
    國家體育場的建筑頂面呈雙曲馬鞍形，最高點高度為69.1m，最低點高度為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，這是支撐設計的又一技術(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)域設置隅撐，支撐塔架的柱腳與基礎采用剛接。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，長短軸各兩個區(qū)塊，并將這四區(qū)塊所有支撐塔架連成整體。這個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)場加工、制作和安裝，提高其經(jīng)濟性，支撐塔架和柱頂系桿桁架的設計均采用標準段模數(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，設計時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)標準段的兩端和中間區(qū)域設置交叉橫隔，交叉橫隔的截面采用角鋼。柱頂系桿桁架的設計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)力為風荷載。除支撐塔架自身及柱頂系桿桁架需抵抗風荷載外，主要考慮支撐于塔架塔身上的主桁架受風作用。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。主桁架受風面大，處在高空，受風作用敏感。為增強各支撐塔架整體協(xié)同抗風的能力，在各支撐塔架頂部設置格構(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)域設置隅撐。計算分析表明，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度和剛度是遠遠不夠的，也是極不經(jīng)濟的，因此，為傳遞側(cè)向風載，需進一步采取其他措施，形成整體結(jié)構(gòu)的抗力體系。
    根據(jù)現(xiàn)場條件，施工時可在中圈和外圈的支撐塔架頂部設置雙向纜風用以傳遞屋蓋主桁架所受風載，內(nèi)圈支撐塔架所受屋蓋主桁架的風載由整體結(jié)構(gòu)傳遞，此為方案一。另外，根據(jù)現(xiàn)場條件在支撐塔架的部分位置與主體看臺結(jié)構(gòu)進行連接，借主體看臺結(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。具體實施時也可將兩方案結(jié)合起來，增加額外的安全儲備。

    3．設計計算報告
    綜上所述，上述整體結(jié)構(gòu)中，支撐塔架柱的計算和設計是關(guān)鍵中的關(guān)鍵，為此計算時采取兩種計算方案。方案一，支撐塔架作為單根懸臂柱進行計算分析，作為強化支撐塔架設計的手段。方案二，按上述兩種抗側(cè)力體系進行有限元的整體計算分析。
    3．1　支撐塔架按單根懸臂柱的計算分析
    3．1．1　荷載工況
    根據(jù)對支撐設計技術(shù)條件的分析，支撐設計、分析主要分兩個施工階段來考慮：主桁架安裝階段、主桁架合攏后的卸載階段，兩個階段的控制荷載各不相同。考慮到支撐塔架實際工作中的復雜性，偏安全考慮計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設計值P：3000.0kN（取安裝過程和卸載階段各步驟中的最大值），作用點沿格構(gòu)柱對角線方向距中心最大偏心距為539mm，按活荷載考慮。設計時考慮由施工過程中實際位置的偏差，偏心距增加±10%。
    支撐塔架自重力設計值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)，塔架設計不考慮溫度效應；
    （3）地震荷載
    由于施工過程持續(xù)的時間短暫，故支撐塔架設計不考慮地震作用；




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


    （2）方案一計算分析
    分析計算結(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力比約為50%~70%（圖中0.5處所示），局部次要桿件材料應力比約為70%~90%（圖中0.7處所示），少部分桿件材料應力比超過90%（圖中0.9處所示）。其中超應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力達到臨界應力后退出工作，剩余水平力由拉桿繼續(xù)承受。根據(jù)上述MODE?A區(qū)桿件材料應力比的情況，不但說明塔架整體結(jié)構(gòu)是安全的，同時也說明了其設計的經(jīng)濟合理性。
    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)，其本身已具有抗風能力，主桁架的風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，符合設計預期要求。這里需要說明的是在實際的結(jié)構(gòu)中，實際變形要比計算值大。原因之一，計算時柱腳按三向約束固定鉸接考慮，而實際上柱腳與塔基部分通過螺栓連接，部分通過預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，柱腳與塔基連接實際上為彈性約束，因此柱頂實際位移較計算值會有所增大。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力達到臨界應力后退出工作，也會使柱頂實際位移較計算值會有所增大。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較大。另外，計算結(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計時柱頂系桿的弦桿截面相對較小，在柱頂節(jié)點區(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)進行工作。
    綜上所述，柱腳的設計和計算顯得格外重要?？拱悟炈銜r，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)此可對現(xiàn)有柱腳的埋件和地腳螺栓進行強度復核和加固處理。
    （3）方案二計算結(jié)果

    （4）方案二計算分析
    分析計算結(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)此可對現(xiàn)有柱腳的埋件和地腳螺栓進行強度復核和加固處理。
    3．3　方案二增加的水平約束支座反力分析
    設計時，在標高為16.400m處的外圈4個支撐塔架格構(gòu)柱的分肢與看臺連接位置設置X、Y兩個方向的水平約束。
    分別取抗拔驗算荷載組合X、Y兩個方向（COM5和COM6）的荷載作用下的支座反力進行分析：
    通過比較分析，可得出如下結(jié)論：
    （1）抗拔驗算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．支撐典型部位設計圖
    4．1　支撐標準節(jié)設計圖
    由于外圈、中圈的支撐塔架柱肢采用D529×12鋼管，支撐標準節(jié)共分三種：內(nèi)圈12m長D609×12，中圈12m長D529×12，外圈6m長D529×12，在此僅介紹D609×12標準節(jié)塔架，其他作法類似。
    12m塔架柱肢兩頭鋼管對接采用法蘭連接，接頭根據(jù)等強原則設計，采用20M22高強螺栓連接，每間隔兩顆法蘭螺栓設置一塊節(jié)點加勁板。為增強其慣性矩，水平、交叉腹桿采用L125×8的雙角鋼，且呈十字布置，標準節(jié)兩端設置交叉橫隔（見3?3）。為減少水平腹桿與斜腹桿相交處節(jié)點板大小，腹桿相交點往內(nèi)偏心150mm。

    4．2　支撐柱頭設計圖
    在支撐卸載過程，支撐點的單點受力較大，最大達300t。因此，支撐柱頭的設計非常關(guān)鍵。

    4．3　支撐柱腳節(jié)點設計圖
    柱腳先期埋設的螺桿間距偏小，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，最后和底板及十字插板焊接成整體。

    4．4　連系桁架設計圖
    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)塔架標準節(jié)的尺寸取2.875m。連系桁架長度方向的標準段模數(shù)為3m一擋，即桁架長度方向每隔3m設置一根豎向腹桿。由于連系桁架長短不一，加上桁架與支撐塔架柱肢對接角度不一，每榀連系桁架減標準段后的遺留長度不一，通過調(diào)整連系桁架端頭的節(jié)點板及過渡弦桿長度，可保證連系桁架的規(guī)格滿足要求。連系桁架標準模數(shù)段部分端頭用D325×8封邊，同時也加強端頭與塔架柱肢的連接。

    5．卸載時支撐塔架應力監(jiān)測
    卸載時，為保證安全采用DGK?4000系列振弦測量設備對支撐塔架進行了應力監(jiān)測，根據(jù)卸載的施工過程模擬計算，選擇了3個最不利支撐塔架進行了應力實時監(jiān)測。振弦式應變計布置在支撐塔架的底部，距離支座500mm的位置，在格構(gòu)柱每個柱肢各布一個測點。
    對主結(jié)構(gòu)負載聯(lián)調(diào)時和支撐塔架卸載過程中支撐塔架柱肢的應力實施了實時數(shù)據(jù)采集，下圖為每5分鐘一個采樣點的柱肢應力時程曲線。

    由圖中可以看出，支撐塔架的應力較小，基本在60MPa以下，由于卸載過程中墊片和千斤頂交替受力，導致支撐塔架應力變化較大，但逐漸減少。
    6．小結(jié)
    （1）國家體育場大跨度空間桁架支撐體系的選型及設計主要重、難點在于：
    ①大跨度支撐體系選型及設計；
    ②支撐體系抗側(cè)力體系的選??；
    ③支撐結(jié)構(gòu)與看臺結(jié)構(gòu)的交叉情況處理；
    ④大跨度支撐體系的經(jīng)濟性分析及臨時工程用量的資源落實；
    （2）支撐塔架的設計充分考慮并滿足了卸載方案的實施和要求，使“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)于2006年9月17日實現(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】
    （1）鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范，北京：中國計劃出版社，2003.10。
    （2）建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.20。
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