國家大劇院殼體鋼結(jié)構(gòu)工程課件

國家大劇院殼體鋼結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)中國國家大劇院是國家重點(diǎn)文化設(shè)施。工程位于北京人民大會堂西側(cè)，長安街南面，占地面積約20萬m2，總建筑面積15萬m2。該工程中心建筑為一超級橢圓形半球殼體，殼體四周環(huán)繞巨大水池，使殼體猶如珍珠半浮于水面。殼體長軸為212.20米，短軸為143.64米，半豎軸為46.285米。其內(nèi)部容納了歌劇院、戲劇院、音樂廳三個獨(dú)立的大型建筑。殼體是一個獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，支承于混凝土環(huán)梁上，與其內(nèi)的建筑沒有結(jié)構(gòu)上的聯(lián)系。主體建筑下部為三層地下建筑。

1.1工程概況模型圖殼體系全鋼結(jié)構(gòu)，其由頂環(huán)梁、梁架、斜撐和環(huán)向連桿等結(jié)構(gòu)件組成，通過節(jié)點(diǎn)連接，并同殼體坐落的鋼筋混凝土環(huán)梁連接固定，形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)體系,殼體總重約6750t。隔震支座頂環(huán)梁位于殼體中心頂部。其平面為折線橢圓形，長軸為53.82米，短軸為36.40米。頂環(huán)梁呈曲面狀，曲面矢高2.5米。其由圓周環(huán)梁（φ1117.6×25.4mm），兩根縱向矩箱梁和其它構(gòu)件組成。

輻射梁架A類梁架箱梁分段頂環(huán)梁頂環(huán)梁系主要構(gòu)件圖解B類梁架A類梁架環(huán)向連桿連接梁架的主要構(gòu)件，呈水平環(huán)狀布置，自梁架根部至上端共41×2道。采用φ140×8mm～φ194×5mm鋼管。連接形式為鑄鋼件連接和套筒連接。

環(huán)向連桿和連接節(jié)點(diǎn)鑄鋼件節(jié)點(diǎn)套筒節(jié)點(diǎn)斜撐區(qū)斜撐照片北面斜撐變化斜撐節(jié)點(diǎn)1.2工程難點(diǎn)和特點(diǎn)a.

體量巨大

該殼體系超大型空間結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)投影面積約2.5萬m2，結(jié)構(gòu)包容的空間約87.3萬m3,體量大。b.

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

該殼體須待整個結(jié)構(gòu)完全形成并連接固定后方為穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。如何保證施工階段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定至關(guān)重要。c.

變形控制

該殼體為非正橢圓形半球體，幾何形體特殊，結(jié)構(gòu)自身變形復(fù)雜，施工過程的變形控制難度大。d.

構(gòu)件單薄

殼體的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件梁架厚度僅60mm，平面外剛度極差，因而梁架的起板、搬運(yùn)、吊裝和校正必須采取特殊的技術(shù)措施。e.

環(huán)境復(fù)雜

殼體內(nèi)包容了三個建筑物，且整個殼體結(jié)構(gòu)坐落在多層地下結(jié)構(gòu)之上。周圍區(qū)域正在進(jìn)行土建施工，場地標(biāo)高差異大，施工方案的選擇和施工平面布置受到很多限制。f.難以通視殼體外形弧線上拱量較大，周邊可退視距離較小。用常規(guī)的測量方法，無法解決通視問題。構(gòu)件分段跨外綜合對稱安裝即將構(gòu)件在工廠按部件制作后運(yùn)輸至現(xiàn)場，組合成吊裝單元，東、西、南、北各設(shè)一條作業(yè)線，按中心對稱的施工順序，先中心環(huán)梁，后梁架，再環(huán)向桿件進(jìn)行逐件節(jié)間安裝。安裝前，根據(jù)控制結(jié)構(gòu)變形，確保安裝精度的原則，設(shè)置可調(diào)節(jié)的臨時支撐系統(tǒng)，作為各構(gòu)件支承和施工階段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的依托。待結(jié)構(gòu)形成整體，完成全部節(jié)點(diǎn)連接后，再根據(jù)變形協(xié)調(diào)、卸載均衡的原則，按一定順序拆除臨時支撐，完成整個鋼殼體的安裝。

2.施工工藝2.1施工技術(shù)路線的確定吊裝區(qū)域以中心環(huán)梁為中心，以殼體斜撐區(qū)為分界，劃分為中心環(huán)梁，四個梁架節(jié)間等五個吊裝作業(yè)區(qū)，分塊按序?qū)ΨQ進(jìn)行殼體結(jié)構(gòu)安裝。2.2.2吊裝區(qū)域劃分

第一工作區(qū)第二工作區(qū)第三工作區(qū)第四工作區(qū)第五工作區(qū)a.DEMAGCC2800（600t）履帶式起重機(jī)1臺

先選用超起工況，接60m主臂，84m副臂，定位北面進(jìn)行中心環(huán)梁吊裝；然后選用常規(guī)工況，接60m主臂，84m副臂，在北面進(jìn)行第二、三、四作業(yè)區(qū)的上段梁架節(jié)間吊裝。

2.2.3施工機(jī)械選用

c.SK560（600t·m）固定式塔吊1臺SK560(600t·m)塔式起重機(jī)定位于殼體南面，接50.8m起重臂，進(jìn)行第五作業(yè)區(qū)的吊裝。

2.2.4施工總流程施工流程安排對于殼體施工階段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和殼體變形控制至關(guān)重要。在滿足對稱安裝總原則的前提下，遵循以下三個原則：先中心結(jié)構(gòu)，后周邊結(jié)構(gòu)；先結(jié)構(gòu)加強(qiáng)區(qū)域，后一般結(jié)構(gòu)區(qū)域；先安裝固定，后結(jié)構(gòu)荷載轉(zhuǎn)換。2.3主要構(gòu)件吊裝工藝

本殼體主要結(jié)構(gòu)件梁架構(gòu)件細(xì)長，平面外剛度較差，其起板和安裝難度極大。因此，在梁架起板和安裝時采用了如下施工工藝。利用懸掛腳手架，進(jìn)行側(cè)向加固，增加構(gòu)件剛度。

合理選擇吊點(diǎn)吊具，減少構(gòu)件吊裝附加荷載。

2.3.2殼體變形控制

根據(jù)變形分析，對殼體變形控制的思路是針對殼體變形主要矛盾，簡化變形關(guān)系，將空間關(guān)系轉(zhuǎn)化為平面關(guān)系。通過多向、多環(huán)節(jié)的平面變形控制措施控制和減少殼體變形，確保殼體結(jié)構(gòu)安裝精度。這一思路通過以下的環(huán)節(jié)實(shí)施，一是上段梁架在豎向平面內(nèi)做豎向預(yù)變形。根據(jù)殼體頂部最大下?lián)现?，豎向變形為170mm。這樣解決了豎向變形的主要問題，使大部分節(jié)點(diǎn)的變形接近或控制在允許偏差范圍內(nèi)；二是通過梁架上段的屋面支座作適當(dāng)調(diào)整，解決徑向變形和局部豎向變形。豎向預(yù)變形示意圖通過梁架上段的屋面支座作適當(dāng)調(diào)整，解決徑向變形和局部豎向變形示意圖為驗證預(yù)變形方案可能導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)初始偏差對殼體整體穩(wěn)定性的影響，進(jìn)行反復(fù)分析驗算。驗算結(jié)果證明其整體穩(wěn)定性與法國設(shè)計方的方案相當(dāng)（驗算結(jié)果如下表一、二）。BucklingMode123預(yù)變形方案（法方）3.426543.579403.71836預(yù)變形方案（中方）3.389173.540333.67817表二：自振特性對照表頻率(frequency)1（Hz）2（Hz）3（Hz）預(yù)變形方案（法方）0.465590.555670.76054預(yù)變形方案（中方）0.467530.558860.76124表一：整體穩(wěn)定系數(shù)對照表2.4殼體預(yù)拼裝和節(jié)點(diǎn)優(yōu)化對殼體預(yù)拼裝方案研究的基本思路是從節(jié)點(diǎn)構(gòu)造優(yōu)化著手，將殼體整體預(yù)拼裝化為局部結(jié)構(gòu)整體預(yù)拼裝和主要構(gòu)件單件平面預(yù)拼裝，并通過殼體制作安裝過程的控制以及過程數(shù)據(jù)的傳遞，以達(dá)到整體預(yù)拼裝的效果。2.4.1殼體預(yù)拼裝研究

中心環(huán)梁整體空間預(yù)拼裝。

梁架平面預(yù)拼裝

為實(shí)施上述殼體預(yù)拼裝方案，必須對原設(shè)計的梁架與環(huán)向水平連桿的連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化。2.4.2節(jié)點(diǎn)構(gòu)造優(yōu)化

雙鑄鋼件高強(qiáng)螺栓摩擦連接改為單鑄鋼焊接節(jié)點(diǎn)法蘭螺栓連接改為套筒焊接節(jié)點(diǎn)避免了連接段定位必須的殼體空間預(yù)拼裝節(jié)點(diǎn)形式簡化，受力更為明確合理

節(jié)點(diǎn)安裝調(diào)節(jié)余量大，方便安裝節(jié)點(diǎn)加工成本降低2.5殼體定位與測量2.5.1測量難點(diǎn)

殼體結(jié)構(gòu)形體龐大，其安裝測量控制點(diǎn)眾多，測量精度要求高；殼體為非橢圓形半球體，其曲面方程為：因而殼體外形弧線上拱量較大，結(jié)構(gòu)上下通視較差殼體周邊測量可退視的距離較小，也無測量制高點(diǎn)可供選擇。2.5.2測量方案通過對殼體結(jié)構(gòu)組成及外形和周邊環(huán)境進(jìn)行了多次深入分析、踏勘和研究，在殼體定位測量研究的思路上不就事論事，而是從根本上先把問題簡化，然后再采用簡單有效的方案解決殼體的定位測量。環(huán)梁平面148榀梁架平面具體做法：先把復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為平面結(jié)構(gòu)，把殼體按其結(jié)構(gòu)組成分解為150個平面，即中心環(huán)梁和混凝土底環(huán)梁各一個水平面，梁架148個豎直平面，然后采用常規(guī)的測量工藝有效的解決殼體的定位測量。

在中心支撐（S0）頂面設(shè)置平面和高程控制點(diǎn)，作為頂環(huán)梁安裝的控制依據(jù)。2.5.3實(shí)施方案建立平面和高程控制網(wǎng)。選用高精度全站儀和經(jīng)緯儀，將148榀梁架的投影標(biāo)示在混凝土結(jié)構(gòu)面層上，作為平面控制網(wǎng)。選用高精度水準(zhǔn)儀確定分段梁架支撐點(diǎn)標(biāo)高?？紤]支撐的壓縮變形，支撐點(diǎn)標(biāo)高比理論值高10-20mm。選用T2經(jīng)緯儀，根據(jù)平面控制網(wǎng)從場內(nèi)或場外確定相應(yīng)梁架平面，解決通視難題。梁架上、下弦均設(shè)測量標(biāo)尺，通過浪索及專用工具進(jìn)行梁架豎平面內(nèi)的校正定位。2.6安裝用支撐選型和設(shè)計

采用螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架作支撐體系，其特點(diǎn)：支撐整體性好，水平與豎向剛度大。對荷載的擴(kuò)散明顯，單個支點(diǎn)荷載小，避免或簡化了下部結(jié)構(gòu)加固。安裝和拆除方便，不需要機(jī)械配合。

80%桿件采用標(biāo)準(zhǔn)桿件，可重復(fù)使用。

2.6.1支撐選型2.6.2支撐設(shè)計支撐布置

根據(jù)殼體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和殼體安裝施工工況要求，整個支撐系統(tǒng)布置三道。其中：S0為中心支撐，主要支撐中心環(huán)梁；S1為外圈支撐，支撐下段和中段梁架的連接點(diǎn)；S2為內(nèi)圈支撐，支撐中段和上段梁架的連接點(diǎn)。

S0網(wǎng)架支撐:

坐落在歌劇院屋頂上。系高低不一的平板式網(wǎng)架（高差8m），平面為60×42m的多邊形。頂層為正放四角錐網(wǎng)架，下層為排架式網(wǎng)架，網(wǎng)架中間作抽空處理。

S1、S2網(wǎng)架支撐：

支撐落點(diǎn)從地下-7.00m至地上33m結(jié)構(gòu)屋面，高差達(dá)40m。支撐平面為擬合橢圓的多邊形。頂層采用四角錐網(wǎng)架單元。其立柱位置均與樓層下的隔墻位置相對應(yīng)，砼結(jié)構(gòu)不作加固處理，又便于施工時人流、物流的通行。

轉(zhuǎn)換層

為了將結(jié)構(gòu)的集中荷載擴(kuò)散至網(wǎng)架支撐的節(jié)點(diǎn)上，專門設(shè)置了由型鋼組成的轉(zhuǎn)換層。45S0轉(zhuǎn)換層S1、S2轉(zhuǎn)換層2.7殼體結(jié)構(gòu)荷載轉(zhuǎn)換（臨時支撐卸載）

2.7.1卸載工藝卸載工藝制定原則：以結(jié)構(gòu)計算為依據(jù)，以結(jié)構(gòu)和支撐安全為宗旨，以變形協(xié)調(diào)為核心，以實(shí)時監(jiān)控為保障。卸載工藝：利用設(shè)置支撐轉(zhuǎn)換層上的可調(diào)節(jié)支撐裝置（即螺旋千斤頂），按多次循環(huán)、微量下降的原則、逐步實(shí)現(xiàn)荷載平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。卸載前提條件:殼體結(jié)構(gòu)全部安裝完畢，所有節(jié)點(diǎn)全部連接并驗收合格；梁架底部的鋼鍥及側(cè)向限位全部拆除，以實(shí)現(xiàn)支座轉(zhuǎn)換；卸載用支架及螺栓千斤頂安裝到位并頂緊。

2.7.2卸載步驟及計算依據(jù)

殼體安裝時共有3道臨時支撐，其S1為外環(huán)支撐，S2為內(nèi)環(huán)支撐,S0為中心支撐。卸載步驟分為整體步驟和每一步驟的子過程。整體步驟分為13步，按先S1，后S0、S2循環(huán)下降，每步下降值5---10mm。每一步驟的子過程通過分布在三道支撐上的148個點(diǎn)逐步分輪下降，每次下降1---4mm。這樣通過多步驟循環(huán)下降，實(shí)施支撐卸載。每一步驟的卸載次序和下降量，都采用計算機(jī)建模，模擬計算加以確定。計算過程中，將支撐系統(tǒng)的剛度引入計算模型，使卸載量值的控制更為精確。卸載步驟及每一步的下降量

單位（mm）

S1S2S0S1（累計）S2（累計）S0（累計）初始000000第1步去除(20)

20

第2步

5

05第3步

5

55第4步

5

510第5步

8

1310第6步

15

1325第7步

8

2125第8步

15

2140第9步

10

3140第10步S0箱梁中間支點(diǎn)去除第11步

去除（30）

6140第12步

30

6170第13步

去除（60）

130各卸載工況對應(yīng)荷載轉(zhuǎn)移的計算結(jié)果匯總卸載步S1(t)S2(t)增量(t)S0(t)增量(t)支座增量(t)初始9801574

1425

3021

第1步0

1587+131364-614049+1028第2步

1600+131300-644100+51第3步

1415-1851315+154270+160第4步

1425+101250-654325+55第5步

1129-2961268+184603+278第6步

1164+351076-1924760+157第7步

868-2961095+195037+277第8步

903+35904-1915193+156第9步

533-370927+235540+347第10步

507-26943+165550+10第11步

0

-507

973+306027+477第12步

6060-3676394+367第13步

-606

7000+606

2.7.3卸載實(shí)施及監(jiān)測

卸載是一項組織性、協(xié)調(diào)性極高的操作。實(shí)施前對卸載設(shè)備記錄、操作人員、設(shè)備、通訊指揮設(shè)置、卸載過程協(xié)調(diào)統(tǒng)一指導(dǎo)，都進(jìn)行縝密安排和嚴(yán)格規(guī)定。卸載中還進(jìn)行了卸載監(jiān)測。卸載監(jiān)測包括變形監(jiān)測和內(nèi)力監(jiān)測兩部分。變形采用全站儀動態(tài)實(shí)時監(jiān)測和部分監(jiān)測，既包括對主體結(jié)構(gòu)的監(jiān)測也包括對臨時支撐系統(tǒng)的監(jiān)測。

卸載照片殼體各測點(diǎn)變形值與理論值對比。頂環(huán)梁單位：mm測點(diǎn)Y向位移X向位移Z向位移計算實(shí)測Δ計算實(shí)測Δ計算實(shí)測Δ正北點(diǎn)向南36向南342向西1向東34向下151向下1429正南點(diǎn)向南36向南297向西1向東34向下97向下898正東點(diǎn)向南36向南351向西4向西51向下77向下725正西點(diǎn)向南36向南360向東4向東73向下78向下735

S1支撐處單位：mm軸線號(Y向)向南位移(Z向)向下位移

計算值實(shí)測值│Δ│計算值實(shí)測值│Δ│1軸-37-14231-3410軸-21-9124-3719軸-48128-81656軸412912-81965軸615011-16-61075軸