杭州奧體中心主體育場鋼結(jié)構(gòu)工程的深化設(shè)計(jì)與制作加工

只為更美麗綻放一杭州奧體中心主體育場鋼結(jié)構(gòu)

工程的深化設(shè)計(jì)與制作加工杭州奧體中心主體育場工程，是浙江東南網(wǎng)架股份有限公司（以下簡稱“東南網(wǎng)架”）繼杭州火車站東站之后，中標(biāo)的又一“家門口工程”。然而，這座被譽(yù)為杭州新地標(biāo)、形似江畔一朵白蓮花的建筑，其鋼結(jié)構(gòu)工程卻有著不同尋常之處。目前，該工程雖然只進(jìn)行到地下鋼結(jié)構(gòu)部分，但其中已有大書特書之精華。杭州奧體中心主體育場位于錢塘江與七甲河交匯處南側(cè)，建筑占地面積82904m2，總建筑面積210110m2,地上6層，地下1層。主體育場為特級特大型體育場，可舉辦洲際性、全國性綜合運(yùn)動(dòng)會(huì)和國際田徑、足球比賽，可容納觀眾8萬余人。杭州奧體中心主體育場以優(yōu)雅又富有張力的花瓣外形為表現(xiàn)形式，將活力動(dòng)感與華貴美麗完美結(jié)合，宛若一朵白蓮，傲然挺立在錢塘江畔。杭州奧體中心主體育場鋼結(jié)構(gòu)罩棚平面呈環(huán)狀花瓣造型（見圖1），整個(gè)罩棚呈東西對稱布置，由28片主、次花瓣形成的花瓣組構(gòu)成。罩棚外邊緣南北向長約333m，東西向約285m，罩棚最大寬度68m,懸挑長度52.5m，罩棚最高點(diǎn)標(biāo)高59.4m。罩棚由上部及下部支座支撐在鋼筋混凝土看臺及平臺上，采用環(huán)狀花瓣造型的懸挑罩棚由空間管桁架+弦支單層網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成。圖1杭州奧體中心主體育場杭州奧體中心主體育場鋼結(jié)構(gòu)工程總包方，東南網(wǎng)架董事長郭明明曾表示，“這既是對東南網(wǎng)架的肯定，更是對東南的鼓舞和鞭策”。為給杭州再添一道靚麗風(fēng)景線，東南網(wǎng)架積極組織充足的人力、財(cái)力、物力，組建經(jīng)驗(yàn)豐富的項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)，為建造精品工程創(chuàng)造條件。而這朵盛開在錢塘江畔、看似嬌艷的白蓮，其逼真、靈動(dòng)的表現(xiàn)形式卻成為鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)、加工制作的重點(diǎn)和難點(diǎn)所在，東南網(wǎng)架在破解這些難題過程中也充分體現(xiàn)了其技術(shù)實(shí)力和品質(zhì)魅力。深化設(shè)計(jì)的結(jié)與解本著結(jié)合杭州奧體中心主體育場的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)兼顧工廠制作工藝、運(yùn)輸條件、現(xiàn)場拼裝方案等技術(shù)要求，對每一個(gè)節(jié)點(diǎn)和桿件進(jìn)行實(shí)體放樣，對代表性的節(jié)點(diǎn)及支座進(jìn)行有限元分析，找出節(jié)點(diǎn)及支座的剛度變量及應(yīng)力分布，了解其受力特點(diǎn)的原則，東南網(wǎng)架對該項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行了深化設(shè)計(jì)，并針對深化設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)，采取了針對性措施。結(jié)構(gòu)整體建模。該工程鋼結(jié)構(gòu)罩棚為空間鋼管結(jié)構(gòu)，主桁架弦桿為空間曲線，如何保證主桁架弦桿曲線的光滑是能否順利實(shí)現(xiàn)建筑造型的重點(diǎn)。目前傳統(tǒng)的空間曲線建模方法都是通過將空間曲線轉(zhuǎn)為多半徑圓弧構(gòu)件而實(shí)現(xiàn)的，其缺點(diǎn)在于在各彎弧對接處過渡不圓滑，會(huì)看到明顯的折角（見圖2）。為保證鋼罩棚主桁架弦桿的光滑性，將弦桿曲線以節(jié)點(diǎn)為基點(diǎn)用樣條曲線連接成一條光滑的空間曲線來替代原先的折線弦桿部分，原來的腹桿位置不調(diào)整，最后將完整的線模型制作成實(shí)體模型（見圖3）。圖2處理前肩部桁架模型

圖3處理后肩部桁架模型空間彎圓鋼管構(gòu)件的深化設(shè)計(jì)。主體育場鋼結(jié)構(gòu)罩棚的主桁架弦桿作為空間曲線有別于普通的平面曲線，基本無幾何規(guī)律可循，如何在深化圖中直觀地表達(dá)弦桿的空間關(guān)系將是整個(gè)鋼管桁架深化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。通過數(shù)學(xué)總微積分理念，將整條不規(guī)則的空間曲線等分成若干份的平面曲線，為達(dá)到外觀建筑效果使曲線圓滑過渡，同時(shí)為滿足加工制作的要求，經(jīng)反復(fù)比對，最終確定將平面弧線段的長度確定為1.5m左右，這樣既能保證整條主桁架弦桿的空間曲線造型的光滑性，又可以將整條空間曲線簡化成若干條平面弧線，滿足了加工制作的要求。結(jié)構(gòu)變形預(yù)起拱設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)變形是懸臂結(jié)構(gòu)需要特別重視的問題，在結(jié)構(gòu)自重作用下，如果結(jié)構(gòu)的變形過大，會(huì)影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)的外形、構(gòu)件的幾何尺寸和受力，因此通過結(jié)構(gòu)反變形解決懸臂結(jié)構(gòu)的變形問題，通常采用的是控制結(jié)構(gòu)剛度的策略。一般情況下結(jié)構(gòu)反變形的設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，結(jié)構(gòu)反變形后，結(jié)構(gòu)的定位坐標(biāo)、桿件的幾何尺寸均有變化，在深化設(shè)計(jì)中通過對各個(gè)階段吊裝工況的計(jì)算，確定起拱值。鑄鋼件節(jié)點(diǎn)與鋼管對接處理。本工程主體結(jié)構(gòu)為管桁架結(jié)構(gòu)，環(huán)向桁架貫于主花瓣桁架端部，主花瓣內(nèi)空間桁架在中部有相交點(diǎn)，弦支單層網(wǎng)殼和次花瓣同主花瓣桁架也有交點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)均為多根鋼管相貫于同一位置，且構(gòu)件間夾角過小，以致焊縫過長并影響受力性能等，因此在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及多桿件節(jié)點(diǎn)處采用鑄鋼件的形式解決。為保證鑄鋼件同鋼管的平順對接，在對鑄鋼件深化設(shè)計(jì)時(shí)，將鑄鋼件的對接口端部做30mm階梯狀長接頭，如圖4所示。相對應(yīng)的鋼管端部出廠即有自然剖口，此對接形式可降低加工制作難度、縮短制作周期，降低制作成本，且保證了鋼管與鑄鋼件等強(qiáng)連接。圖4 鑄鋼件節(jié)點(diǎn)與鋼管的對接處理多管相貫問題。本工程主花瓣主要采用空間倒三角桁架形式，同時(shí)與單層網(wǎng)殼和端部環(huán)桁架連接，其主要連接方式均為管管相貫連接，該連接節(jié)點(diǎn)必定多管相貫，這既直接影響節(jié)點(diǎn)受力性能，又影響到現(xiàn)場裝配和焊接順序，甚至可能出現(xiàn)支管裝配不上和存在焊接死角的情況，因此保證多管相貫順序的準(zhǔn)確是本工程的難點(diǎn)之一。深化設(shè)計(jì)時(shí)按主管貫通、小管貫大管、薄壁管貫厚壁管的原則對所有相貫圓管進(jìn)行先后相貫順序編號，按照圓管的編號順序依次進(jìn)行圓管相貫線數(shù)控切割，力求次管與主管盡可能相接，增大次管與主管間的焊縫長度，使節(jié)點(diǎn)受力更合理（見圖5）。

圖5多管相貫桿件相貫順序現(xiàn)場拼裝鋼管間夾角過小問題。本工程弦支單層網(wǎng)殼處徑向構(gòu)件同環(huán)向構(gòu)件相貫口局部二面角角度較小，最小角度約7°,按《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》JGJ81-2002和美國國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》AWSD1.1規(guī)定，圓管T、Y、K節(jié)點(diǎn)有效局部二面角最小角度為15°，施焊難度極大，保證該處焊接質(zhì)量極為重要。為此，嚴(yán)格按照《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》JGJ81-2002規(guī)定，對根部（D區(qū)）增加折減值Z，采用角焊縫補(bǔ)強(qiáng)，如圖6所示，并進(jìn)行相關(guān)焊接工藝評定，保證焊接質(zhì)量。B聊如 I “4袖郡Bm『il涎區(qū)。很甜圖6角焊縫補(bǔ)強(qiáng)現(xiàn)場吊裝時(shí)弦桿的對接問題。主體育場為鋼管桁架結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場鋼管對接一般為各個(gè)吊裝段之間的弦桿對接，由于本工程桁架弦桿均為空間不規(guī)則曲線，在各個(gè)吊裝段中弦桿端口的大小、位置、朝向均不規(guī)則，保證各吊裝段安裝時(shí)的對接精度是個(gè)難題。除了在加工和運(yùn)輸過程中保證其對接口不變形及單個(gè)吊裝段在拼裝過程中保證其拼裝精度外，深化設(shè)計(jì)時(shí)在弦桿端部均考慮設(shè)置臨時(shí)吊裝連接耳板，不但方便現(xiàn)場吊裝，也保證鋼管對接精度?？臻g彎曲鋼管的加工與檢測主體育場鋼結(jié)構(gòu)罩棚28片主、次花瓣造型的最大特點(diǎn)是，花瓣造型結(jié)構(gòu)中的主桁架沿長度方向外形呈現(xiàn)空間彎弧，該空間彎弧是通過采用空間彎弧弦桿來實(shí)現(xiàn)（見圖7、8）?？臻g彎曲鋼管在水電、鍋爐和空調(diào)等機(jī)械設(shè)備制造行業(yè)中應(yīng)用較為廣泛，大量應(yīng)用于建筑鋼結(jié)構(gòu)主體尚屬首次，而且其與平面彎弧鋼管有本質(zhì)區(qū)別，所以空間彎曲鋼管加工必須開發(fā)新工藝、新技術(shù)。圖7鋼結(jié)構(gòu)罩棚整體軸側(cè)圖8花瓣造型標(biāo)準(zhǔn)單元軸側(cè)空間彎曲鋼管加工方法。為更好的確定空間彎曲鋼管加工方法，東南網(wǎng)架技術(shù)人員首先找出其顯著特點(diǎn)，根據(jù)特點(diǎn)找規(guī)律，根據(jù)規(guī)律再確定合適的加工工藝。從罩棚主桁架弦桿深化圖可看出，沿空間彎弧弦桿方向上的各彎弧段曲率半徑為2.9?231.0m，根據(jù)弦桿各圓弧曲率半徑及沿弦桿長度方向上的圓弧段幾何數(shù)學(xué)關(guān)系的特點(diǎn)，最終確定該工程空間彎曲鋼管采取兩種加工方法：對于彎弧曲率半徑R<10m的空間彎管，采取中頻（熱彎）彎成型加工方法；對于彎弧曲率半徑R〉10m的空間彎管，采取油壓機(jī)“兩面”壓彎成型加工方法。該技術(shù)結(jié)合模壓設(shè)備，采用專用設(shè)計(jì)軟件，不僅解決了圓鋼管空間彎曲成型難題，且開創(chuàng)了國內(nèi)大直徑厚壁圓鋼管空間彎曲冷成型技術(shù)先河?？臻g彎曲鋼管加工工藝。中頻彎加工，其原理是采用中頻電流使鋼管待彎曲段急劇升溫并達(dá)到熱加工溫度后，在外力作用下使鋼管待彎曲段按設(shè)計(jì)要求的曲率半徑彎曲成型。中頻彎加工特點(diǎn)是：電能消耗量較大，生產(chǎn)效率較低，加工成本高。工程主桁架弦桿鋼管的空間彎弧加工原理基本等同鋼管平面彎弧，不同之處在于沿弦桿長度方向上的每一圓弧段彎弧后，在進(jìn)行下一段彎弧前，需將待彎弧鋼管段繞中心線按預(yù)定方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)二面角，同時(shí)變換一次轉(zhuǎn)臂位置，再進(jìn)行彎弧加工。依此類推，完成鋼管各圓弧段的彎弧加工，使鋼管空間彎弧成型，并沿空間彎管方向的各彎弧須順滑平整過渡。油壓機(jī)“兩面”壓彎成型加工。將壓制模具安置于大型油壓機(jī)工作平臺上，調(diào)整后固定，吊上待彎弧鋼管至預(yù)定位置后與模具固定；開啟油壓機(jī)，按鋼管上的劃線位置，分別進(jìn)行空間彎管各圓弧投影所在平面II內(nèi)位置關(guān)系線的壓制成型；將壓制后的鋼管繞原中心線按給定方向（順時(shí)針或逆時(shí)針）旋轉(zhuǎn)90°，并重新調(diào)節(jié)壓制模具位置，依次進(jìn)行空間彎管所在平面I內(nèi)的各圓弧彎弧，加工過程見表1。表1空間彎管“兩面”壓彎成型工藝法1平面II內(nèi)各圓弧位黃線壓制2旋轉(zhuǎn)90°后.進(jìn)行平面I內(nèi)各圓弧段彎弧3空間彎曲鋼管壓制實(shí)景一 實(shí)景二表2空間灣管檢測與校正控制點(diǎn)與基準(zhǔn)投版點(diǎn)之間的偏差“雙曷可調(diào)式”支掉胎架備于檢』胎架上端部控制點(diǎn)檢測各空間控制點(diǎn)檢測控制點(diǎn)與基準(zhǔn)投版點(diǎn)之間的偏差“雙曷可調(diào)式”支掉胎架備于檢』胎架上端部控制點(diǎn)檢測各空間控制點(diǎn)檢測空間彎曲鋼管檢測與校正。為有效解決空間彎曲鋼管各檢驗(yàn)項(xiàng)，保證工程空間彎管加工精度符合設(shè)計(jì)要求，根據(jù)本工程空間彎管幾何上的數(shù)學(xué)規(guī)律，東南網(wǎng)架設(shè)計(jì)、制作

了一種專用檢測支撐胎架“雙層可調(diào)式”檢測胎架。了一種專用檢測支撐胎架“雙層可調(diào)式”檢測胎架。應(yīng)用“雙層可調(diào)式”支撐檢測胎架檢驗(yàn)空間彎曲鋼管空間控制點(diǎn)坐標(biāo)的方法如表2所示。①在平臺上放出檢測空間彎曲鋼管的地樣線，并標(biāo)注空間彎曲鋼管上各空間控制點(diǎn)坐標(biāo)在地樣線上的投影點(diǎn)位置；②按投影點(diǎn)位置設(shè)置“雙層可調(diào)式”支撐檢測胎架；③將空間彎弧后的鋼管置于支撐檢測胎架上檢驗(yàn)，通過觀察托板與鋼管空間控制點(diǎn)所在面的接觸情況，判斷鋼管彎弧精度是否符合設(shè)計(jì)圖紙要求，若接觸貼合緊密，說明空間彎曲鋼管加工準(zhǔn)確；若接觸面間存在較大間隙或有明顯的光帶，則說明存在偏差，需要進(jìn)行校正。校正方法。①空間彎曲鋼管采取熱矯正工藝要求，以便精確保證空間彎曲鋼管的加工精度；②空間彎曲鋼管采取火焰局部加熱矯正的工藝要點(diǎn)，加熱時(shí)火焰溫度宜控制在750?850°C，最高不超過900°C；加熱時(shí)，當(dāng)管壁溫度較高時(shí)，絕對不得用水進(jìn)行急冷；宜采用楔形加熱法，楔形火圈（即三角形火圈）高度應(yīng)視鋼管厚度而定，本工程三角形頂角為25?30°,加熱的起點(diǎn)應(yīng)從夾角處開始，每次加熱區(qū)域火焰烘烤部位不宜靠得太近，一般以100?200mm為宜，且前后加熱不得在同一部位進(jìn)行；③空間彎曲鋼管檢測項(xiàng)除各空間控制點(diǎn)坐標(biāo)外，還應(yīng)符合以下要求：外觀質(zhì)量無裂紋、無明顯皺褶、鼓泡等缺陷；拉伸外弧壁厚減薄應(yīng)不大于0.2mm；外形尺寸即鋼管管口圓度、管口垂直度檢驗(yàn)項(xiàng)應(yīng)符合設(shè)計(jì)和現(xiàn)行國家相關(guān)規(guī)范要求?？臻g彎曲鋼管加工試驗(yàn)。為驗(yàn)證上述空間彎曲鋼管加工技術(shù)上的可行性，東南網(wǎng)架技術(shù)人員在本工程鋼結(jié)構(gòu)罩棚花瓣造型主桁架結(jié)構(gòu)上選取一段弦桿進(jìn)行試驗(yàn)。按上述方法進(jìn)行空間彎曲鋼管加工成型后，利用“雙層可調(diào)式”支撐檢測胎架對各空