國(guó)度體育場(chǎng)鳥(niǎo)巢工程鋼結(jié)構(gòu)支撐塔架設(shè)計(jì)3

PAGEPAGE14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。主桁架圍繞屋蓋中間開(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)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：

2．1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(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。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。

3．1支撐塔架按單根懸臂柱的計(jì)算分析

3．1．1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)。

邊（脹2段）方降案一孔計(jì)算含分析

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