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奧林匹克公園多功能演播塔工程異形構(gòu)件加工制作方案簡介

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

    提 要：本文介紹奧運轉(zhuǎn)播塔的結(jié)構(gòu)體系，鋼結(jié)構(gòu)的加工制作單元劃分、部分節(jié)點處理方法及異形構(gòu)件加工制作。
    關(guān)鍵詞：嵌套節(jié)點 異形構(gòu)件


    一、工程概況
    奧林匹克公園多功能演播塔位于奧林匹克公園中心區(qū)，用地西側(cè)與中軸線景觀大道相接，北臨中一路、東側(cè)和國家體育場的訓(xùn)練場相連。規(guī)劃用地面積6270m²,建筑占地面積1100m²。
    奧林匹克公園多功能演播塔的主要功能為電視轉(zhuǎn)播，在2008年奧運會期間，向特權(quán)轉(zhuǎn)播商提供拍攝奧林匹克中心區(qū)，以奧運場館為背景的演播室。
    演播塔總高度為128米，可上人的塔樓高度為99.6米。共分七層塔樓，每層塔樓之間的距離為13.6米。首層塔樓為休息大廳或大演播廳，二至六層塔樓為演播室，頂層塔樓暫定為VIP觀光廳。
    多功能演播塔的設(shè)計吸取了中國傳統(tǒng)建筑文化中“塔”的元素，用鋼結(jié)構(gòu)和玻璃幕墻等先進技術(shù)和現(xiàn)代手筆抽象表達出輕盈、玲瓏、剔透、塔的特征。利用金屬的色澤及玻璃的晶瑩，營造出一種強烈的視覺沖擊力,如圖1所示。

    多功能演播塔平面為等邊三角形，標(biāo)準(zhǔn)層塔樓平面邊長為21米。三個角部為垂直交通核，其中兩部為疏散樓梯，另一部為消防電梯。三個垂直交通核在首層擴大并延伸出三部大樓梯，使露天疏散樓梯由塔樓至塔下建筑屋頂，在不穿過建筑屋頂并在適當(dāng)部位直通向地面的室外疏散樓梯。
    每層塔樓之間的垂直距離為13.6米，每個標(biāo)準(zhǔn)層塔樓設(shè)有兩層，上層為電視演播室工作平臺，建筑面積約為340平方米，最低點約為2.7米，最高點約為7.0米。下層除衛(wèi)生間外其他為室外設(shè)備平臺。
    首層大廳為擴大等邊三角形，面積約為1000平方米，最低點約為3.0米，最高點約為10.0米。地下一層為設(shè)備層。平面布置圖如圖2所示。


    二、結(jié)構(gòu)體系簡介
    奧運轉(zhuǎn)播塔首層及第一和第二演播室結(jié)構(gòu)軸測圖如圖3所示。
    與一般的高層建筑不同，多功能演播塔為空間受力體系。演播塔主受力結(jié)構(gòu)為位于結(jié)構(gòu)三個角部的空間格構(gòu)柱，此三根格構(gòu)柱的內(nèi)部空間為結(jié)構(gòu)的樓梯間，三根格構(gòu)柱承擔(dān)結(jié)構(gòu)全部豎向荷載。位于結(jié)構(gòu)三個角部的格構(gòu)柱通過樓層梁相互連接，形成豎放的空間空腹桁架，底部固定于混凝土基礎(chǔ)，承受結(jié)構(gòu)的側(cè)向荷載，格構(gòu)柱局部示意圖如圖4所示。
    演播塔結(jié)構(gòu)共有七個演播廳。每個演播廳形狀相似。演播廳由一個正放三棱錐和一個倒放三棱錐組成，如圖5所示。演播塔棱錐結(jié)構(gòu)直接承受結(jié)構(gòu)的豎向荷載并通過水平樓層梁將豎向荷載傳給角部的三根空間格構(gòu)柱。




    三、結(jié)構(gòu)加工和現(xiàn)場安裝子結(jié)構(gòu)單元的拆分
    奧運多功能演播塔總用鋼量約為1800噸。單純從噸位衡量，工程規(guī)模不大。但由于結(jié)構(gòu)為空間受力結(jié)構(gòu)，構(gòu)件眾多，大部分構(gòu)件為焊接箱形截面構(gòu)件，在桿件匯交位置節(jié)點處理復(fù)雜，且存在焊縫規(guī)避和合理安排板件組裝順序等難題。
    根據(jù)深化設(shè)計詳圖統(tǒng)計，全部結(jié)構(gòu)由約11萬塊板件組成，工廠加工制作和現(xiàn)場焊接工作量十分巨大。如何將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)加以拆分，合理確定加工和安裝分段，對結(jié)構(gòu)合理進行簡化處理是此工程中需要認真解決的問題。

    1.空間格構(gòu)柱弦桿與演播室樓層梁及棱線鋼梁匯交節(jié)點處理
    空間格構(gòu)柱弦桿與演播室樓層梁及棱線鋼梁匯交節(jié)點如圖6所示。在此節(jié)點處共有水平樓層梁，棱線鋼梁，樓梯間交叉支撐和樓梯梁共5根構(gòu)件與格構(gòu)柱弦桿相交。其中水平樓層梁為梯形截面構(gòu)件，棱線斜梁為異形箱形截面構(gòu)件，交叉支撐與樓梯梁為焊接箱形截面構(gòu)件。
    如果此節(jié)點采用鋼板焊接節(jié)點，節(jié)點區(qū)將存在大量的交叉焊縫，而且由于箱形截面構(gòu)件中橫隔板數(shù)量眾多，又要求四面全熔透焊接，加工制作難度極大，基本無法實現(xiàn)。因此，此節(jié)點采用鑄鋼節(jié)點處理。每個鑄鋼節(jié)點單獨加工完成后與格構(gòu)柱弦桿焊接為一個安裝分段運至現(xiàn)場。
    2.格構(gòu)柱弦桿與交叉支撐連接子結(jié)構(gòu)加工分段拆分
    格構(gòu)柱弦桿與交叉支撐連接子結(jié)構(gòu)模型如圖7所示。一側(cè)弦桿為箱形截面柱，另外一側(cè)弦桿為三角形截面柱。弦桿與交叉支撐連接共有三種典型連接節(jié)點形式，分別為節(jié)點1、節(jié)點2和節(jié)點3。節(jié)點1、節(jié)點2和節(jié)點3均單獨加工成型。
    為了加強支撐與弦桿之間的連接剛度，節(jié)點1側(cè)面連接板整板下料，同時在構(gòu)件端頭作擴大處理，如圖8所示。
    為便于現(xiàn)場安裝，節(jié)點1加工完成后焊接于箱形截面或者三角形截面弦桿，隨弦桿運至現(xiàn)場。節(jié)點2焊接于一側(cè)箱形截面支撐，形成帶牛腿的構(gòu)件，運至現(xiàn)場時首先安裝，另外一側(cè)箱形截面支撐作為嵌補段現(xiàn)場安裝。
    節(jié)點3為“米”字型節(jié)點，加工完成后焊接于橫梁上運至現(xiàn)場首先安裝，上下等截面箱形截面支撐作為嵌補段現(xiàn)場安裝。
    3.格構(gòu)柱弦桿與樓梯梁連接子結(jié)構(gòu)加工分段拆分
    格構(gòu)柱與樓梯梁連接子結(jié)構(gòu)如圖9所示。為加工和現(xiàn)場安裝方便，樓梯梁被分為Y形構(gòu)件和牛腿節(jié)點兩部分。牛腿節(jié)點單獨加工完成后焊接于樓梯間格構(gòu)柱弦桿運至現(xiàn)場。Y形構(gòu)件和位于Y形構(gòu)件與牛腿之間的嵌補段單獨運至現(xiàn)場，首先焊接Y形構(gòu)件，最后安裝嵌補段。



    4.演播室斜屋面子結(jié)構(gòu)加工制作拆分
    演播室斜屋面子結(jié)構(gòu)單元如圖10所示。斜屋面子結(jié)構(gòu)由屋面斜梁、牛腿節(jié)點、嵌補段、棱線鋼梁和水平鋼梁組成。
    斜屋面棱線鋼梁為異形的焊接箱形截面構(gòu)件，水平鋼梁為梯形截面。在鋼梁與屋面斜梁連接位置均設(shè)置了大量的內(nèi)隔板和加勁肋。為保證焊接要求，棱線鋼梁和水平鋼梁必須分段制作，在工廠拼接為整根構(gòu)件后運至現(xiàn)場，如圖10所示。
    牛腿節(jié)點與屋面斜梁組成帶牛腿的構(gòu)件一起運至現(xiàn)場，兩端與水平鋼梁及棱線鋼梁焊接。嵌補段為規(guī)則的箱形截面焊接管，在斜屋面成型過程中為最后一道安裝工序。

    四、加工制作難點分析
    1.避免焊縫重疊處理
    演播塔構(gòu)件大部分為箱形截面構(gòu)件，在節(jié)點設(shè)計過程中經(jīng)常遇到構(gòu)件之間的連接焊縫與焊接箱形截面構(gòu)件四塊板件之間組裝焊縫重疊的問題。為了避免此問題的出現(xiàn)，嵌套式節(jié)點在本工程中得到了大量的應(yīng)用，如圖11所示。
    圖11為多功能演播室棱線鋼梁與屋面斜梁連接節(jié)點。屋面斜梁上表面與棱線鋼梁上表面重合。如果直接焊接，現(xiàn)場焊縫將會與棱線鋼梁自身的組裝焊縫重疊。因此將棱線鋼梁上表面面板局部突出約100mm，嵌套入屋面斜梁翼緣板，可以避免焊縫重疊。

    2.大量內(nèi)隔板的焊接
    由于本工程箱形截面構(gòu)件眾多，構(gòu)件與構(gòu)件連接節(jié)點位置大量設(shè)置了內(nèi)隔板。由于本工程箱形截面構(gòu)件截面尺寸很小，工人無法進入構(gòu)件內(nèi)部焊接，因此內(nèi)隔板的焊接是一項非常困難的工作。針對這個問題主要從以下幾個方面進行了簡化：
    （1）在允許的情況下盡量將內(nèi)隔板三面焊接，減少電渣焊的使用，避免電渣焊對小截面構(gòu)件的損害。
    （2）合理對構(gòu)件進行分段制作，將節(jié)點提取出來單獨加工完成。并結(jié)合合理的板件組裝順序，采用帶襯墊板的單面剖口焊縫實現(xiàn)對襯墊板的四面焊接。圖9和圖10中的構(gòu)件均為分段制作之后組裝完成。
    （3）在受力不大的節(jié)點位置，盡量采用“半肋”，即采用不填滿箱形截面內(nèi)部空間的橫隔板，并采用三面焊接。這種“半肋”橫隔板可以在箱形截面構(gòu)件制作過程中實現(xiàn)三面焊接。
    3.異形構(gòu)件的加工制作
    由于多功能演播塔鋼構(gòu)件全部為外露構(gòu)件，且鋼結(jié)構(gòu)直接與結(jié)構(gòu)外建筑輪廓重合，在結(jié)構(gòu)構(gòu)型過程中采用了大量的異形構(gòu)件，給加工制作帶來一定困難。
    （1）樓梯間格構(gòu)柱三角形截面角柱
    樓梯間三角形截面鋼柱如圖12所示。鋼柱的組裝首先需要制作特殊的胎架。由于鋼柱內(nèi)部需要焊接三角形橫隔板和矩形的半肋，三角形柱最后組裝的一塊蓋板需要分割為幾塊組裝，以保證內(nèi)部三角形橫隔板能實現(xiàn)三面焊接。
    （2）演播廳水平梯形截面鋼梁

    梯形截面水平梁主要用于多功能演播廳的水平橫梁，如圖13所示。圖中節(jié)點區(qū)與屋面斜梁焊接，為保證構(gòu)件壁板的局部穩(wěn)定及節(jié)點區(qū)剛度，在節(jié)點區(qū)內(nèi)焊接橫向及縱向隔板。為保證節(jié)點區(qū)內(nèi)部隔板的焊接，所有節(jié)點區(qū)均單獨制作成型，之后與梯形截面構(gòu)件拼接完成整根構(gòu)件的制作。
    （3）多功能演播廳棱線鋼梁


    多功能演播廳棱線鋼梁為異形箱形截面構(gòu)件，如圖14所示。由于演播廳結(jié)構(gòu)建筑外形為錐形，錐形的兩個錐面在棱線鋼梁上匯交，為保持鋼梁面板與棱錐面一致，鋼梁在焊接箱形截面的基礎(chǔ)上對面板進行彎折，形成如圖13所示的翼緣板彎折的箱形截面構(gòu)件。與其他構(gòu)件相似，所有節(jié)點區(qū)均單獨制作完成，以保證節(jié)點區(qū)內(nèi)部隔板的焊接要求。組裝時根據(jù)截面形狀制作特殊的胎架進行組裝。

    五、結(jié)論
    從演播塔工程的深化設(shè)計，加工制作和現(xiàn)場安裝過程，可以得到以下結(jié)論。
    1.箱形截面構(gòu)件的匯交節(jié)點一般內(nèi)部有眾多的橫隔板和加勁板。在深化設(shè)計過程中要盡量簡化隔板的設(shè)置，并合理規(guī)劃隔板組裝順序，確保滿足設(shè)計要求的焊接和構(gòu)造要求。
    2.箱形截面構(gòu)件節(jié)點應(yīng)該合理規(guī)劃連接板的設(shè)計，避免大量的焊縫重疊現(xiàn)象，以保證節(jié)點連接不但具有足夠的剛度，還具有必要的延性，盡量減少地震荷載作用下節(jié)點區(qū)的脆性破壞發(fā)生。
    3.對復(fù)雜結(jié)構(gòu)要合理進行拆分，確定的加工分段不但要便于加工制作，還需滿足現(xiàn)場安裝方便的要求。
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