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

1、國(guó)家體育場(chǎng)（鳥(niǎo)巢）工程鋼結(jié)構(gòu)支撐塔架設(shè)計(jì)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(guò)程中所使用的支撐塔架的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行介紹，并對(duì)支撐塔架卸載過(guò)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(wèn)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?chē)@屋蓋中間開(kāi)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(niǎo)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

2、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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)程中，雖然支撐塔架所受的豎向力沒(méi)有在卸載過(guò)

3、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(guò)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(guò)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(guò)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

4、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(guò)程，方案如下圖所示：21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

5、相同。22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

6、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(lái)，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

7、。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。31支撐塔架按單根懸臂柱的計(jì)算分析311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(lái)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(guò)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

8、大偏心距為539mm，按活荷載考慮。設(shè)計(jì)時(shí)考慮由施工過(guò)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(guò)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

9、，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(guò)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modea區(qū)桿件材料應(yīng)力比的情況，不但說(shuō)明塔架整體結(jié)構(gòu)是安全的，同時(shí)也說(shuō)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

10、，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(shuō)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(guò)螺栓連接，部分通過(guò)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，

11、說(shuō)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(shuō)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

12、外重要?？拱悟?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

13、，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。33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(chóng)、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(guò)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×

14、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41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)d529×1

15、2，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(jiàn)33）。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。42支撐柱頭設(shè)計(jì)圖在支撐卸載過(guò)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。43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(guò)程中所受的水平荷載大，柱腳抗拔要求高，支撐塔架

16、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。44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(guò)調(diào)整連系桁架端頭的節(jié)點(diǎn)板及過(guò)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dgk4000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(guò)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(guò)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(guò)程中墊片和千斤頂交替受力，導(dǎo)致支撐塔架應(yīng)力變化