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國家體育場(chǎng)（鳥(niǎo)巢）工程鋼結構支撐塔架設計

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    封葉劍 曹峰 崔明芝 魏義進(jìn)

    摘 要：本文主要是對國家體育場(chǎng)主桁架安裝過(guò)程中所使用的支撐塔架的設計過(guò)程進(jìn)行介紹，并對支撐塔架卸載過(guò)程中監測到的支撐塔架應力情況進(jìn)行分析，從而總結出大噸位支撐體系設計時(shí)應注意的問(wèn)題。
    關(guān)鍵詞：支撐塔架、抗側力體系、空間排架、格構式柱、應力比
    National Stadium (the nest) Steel Structure Engineering
    the Design of Steel Supporting Tower
    Abstract： This paper mainly introduces the design process of the steel
    supporting tower ,which is used to support the National Stadium main truss
    in the installation process. The stress analysis, whose basic date gets
    from the process of unloading the supporting tower, is done. Thus we know
    the problem that large tonnage support system should pay attention to.
    Keywords： support tower, the lateral force resisting system, space rack,
    cancelled column , stress ratio
    國家體育場(chǎng)為2008年北京奧運會(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、頂面及立面次結構一起形成了“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(xiàn)構成的內環(huán)，構件截面均為箱形截面，其空間位置復雜多變，形體宏大、美觀(guān)。
    1．支撐布置及設計技術(shù)條件
    國家體育場(chǎng)屋蓋鋼結構屬大跨度空間巨型桁架結構，構架自重產(chǎn)生的內力所占比例較大。根據鋼結構安裝施工組織設計，鋼結構總體安裝采用分段吊裝高空對接的方法（也簡(jiǎn)稱(chēng)散裝法）施工，在結構施工過(guò)程中設置了78個(gè)支撐點(diǎn)，支撐點(diǎn)設置在主桁架下弦交叉節點(diǎn)的位置，如下圖所示。

    支撐塔架設計的技術(shù)條件來(lái)源于支撐卸載分析的結果，它給出了整體、分級同步的卸載過(guò)程中，各個(gè)支撐點(diǎn)在各個(gè)卸載子步的反力情況。統計其中每個(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)程中相應支撐點(diǎn)最大反力大，但先內環(huán)、后外環(huán)的安裝順序使得施工過(guò)程主桁架獨立承受的風(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，這是支撐設計的又一技術(shù)條件。
    2．體系選型
    支撐塔架的柱身選用3×3m格構柱，為提高支撐塔架的整體剛度和穩定性，在支撐塔架的頂部設置水平支撐體系，支撐體系仍采用格構式桁架結構。為提高水平支撐體系的抗扭剛度，在其角部區域設置隅撐，支撐塔架的柱腳與基礎采用剛接。根據主結構的安裝方案，將整體支撐塔架分成四大塊，長(cháng)短軸各兩個(gè)區塊，并將這四區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
    為方便現場(chǎng)加工、制作和安裝，提高其經(jīng)濟性，支撐塔架和柱頂系桿桁架的設計均采用標準段模數化的方式。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。為節約鋼材支撐塔架的斜腹桿采用X形交叉體系腹桿，設計時(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，在每節標準段的兩端和中間區域設置交叉橫隔，交叉橫隔的截面采用角鋼。柱頂系桿桁架的設計方式與支撐塔架基本相同。
    2．2　抗側力體系的形成
    本支撐塔架主要考慮的水平側力為風(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(xiàn)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置格構式柱頂系桿作為水平支撐體系。另外，為提高整體結構柱頂平面支撐系統的抗扭剛度，在角部區域設置隅撐。計算分析表明，上述結構的整體工作接近于空間排架結構，支撐塔架的受力與懸臂柱類(lèi)似，為提高整體結構的抗側能力，單方面增加支撐塔架強度和剛度是遠遠不夠的，也是極不經(jīng)濟的，因此，為傳遞側向風(fēng)載，需進(jìn)一步采取其他措施，形成整體結構的抗力體系。
    根據現場(chǎng)條件，施工時(shí)可在中圈和外圈的支撐塔架頂部設置雙向纜風(fēng)用以傳遞屋蓋主桁架所受風(fēng)載，內圈支撐塔架所受屋蓋主桁架的風(fēng)載由整體結構傳遞，此為方案一。另外，根據現場(chǎng)條件在支撐塔架的部分位置與主體看臺結構進(jìn)行連接，借主體看臺結構的水平剛度提高支撐塔架的整體抗側能力，此為方案二。具體實(shí)施時(shí)也可將兩方案結合起來(lái)，增加額外的安全儲備。

    3．設計計算報告
    綜上所述，上述整體結構中，支撐塔架柱的計算和設計是關(guān)鍵中的關(guān)鍵，為此計算時(shí)采取兩種計算方案。方案一，支撐塔架作為單根懸臂柱進(jìn)行計算分析，作為強化支撐塔架設計的手段。方案二，按上述兩種抗側力體系進(jìn)行有限元的整體計算分析。
    3．1　支撐塔架按單根懸臂柱的計算分析
    3．1．1　荷載工況
    根據對支撐設計技術(shù)條件的分析，支撐設計、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?？紤]到支撐塔架實(shí)際工作中的復雜性，偏安全考慮計算模型選用單根懸臂格構柱模式，其余部分的構造措施作為整體支撐塔架系統的附加安全儲備。支撐塔架為四肢組合格構式柱，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的最大垂直荷載設計值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)沿格構柱對角線(xiàn)方向距中心最大偏心距為539mm，按活荷載考慮。設計時(shí)考慮由施工過(guò)程中實(shí)際位置的偏差，偏心距增加±10%。
    支撐塔架自重力設計值D：580.420kN
    （2）溫度荷載
    由于支撐塔架體系不是溫度敏感結構，塔架設計不考慮溫度效應；
    （3）地震荷載
    由于施工過(guò)程持續的時(shí)間短暫，故支撐塔架設計不考慮地震作用；




    方案一：纜風(fēng)抗側力體系，計算時(shí)外圈和中圈主桁架所受風(fēng)載由纜風(fēng)繩承受，內圈由支撐塔架整體體系承受。
    方案二：借助看臺抗側力體系，根據現場(chǎng)條件在支撐塔架的部分位置與主體看臺結構進(jìn)行連接，提高支撐塔架的整體抗側力能力。外圈、中圈及內圈主桁架所受風(fēng)載均由支撐塔架整體體系傳遞至塔基和看臺。


    （2）方案一計算分析
    分析計算結果，可以得出以下結論：
    整體塔架結構是安全的，其主體重要桿件材料應力比約為50%~70%（圖中0.5處所示），局部次要桿件材料應力比約為70%~90%（圖中0.7處所示），少部分桿件材料應力比超過(guò)90%（圖中0.9處所示）。其中超應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，按結構退化理論，受壓的斜腹桿在其壓應力達到臨界應力后退出工作，剩余水平力由拉桿繼續承受。根據上述MODE?A區桿件材料應力比的情況，不但說(shuō)明塔架整體結構是安全的，同時(shí)也說(shuō)明了其設計的經(jīng)濟合理性。
    安裝階段和卸載階段其水平變位的規律基本相同，但安裝階段的變位相對較大，究其原因，卸載階段屋蓋鋼構已形成整體結構，其本身已具有抗風(fēng)能力，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，符合設計預期要求。這里需要說(shuō)明的是在實(shí)際的結構中，實(shí)際變形要比計算值大。原因之一，計算時(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力達到臨界應力后退出工作，也會(huì )使柱頂實(shí)際位移較計算值會(huì )有所增大。另外，X向和Y向得水平變位基本相同，說(shuō)明支撐塔架和柱頂系桿形成的整體結構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，結構的整體工作更接近于空間排架結構。
    桿件軸力表明，安裝階段軸力的變化梯度相對較大，局部支撐塔架柱肢有拉力出現，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較大。另外，計算結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構的框架作用并不明顯。究其根本的原因在于設計時(shí)柱頂系桿的弦桿截面相對較小，在柱頂節點(diǎn)區域的彎矩分配中分得彎矩也小許多，整體框架結構更類(lèi)似于排架結構進(jìn)行工作。
    綜上所述，柱腳的設計和計算顯得格外重要?？拱悟炈銜r(shí)，豎向荷載偏安全考慮按900kN取值，即豎向荷載中的D3工況，荷載分向系數按1.0取值。
    柱腳最大抗拔力為715kN，柱腳最大壓力為1380kN，據此可對現有柱腳的埋件和地腳螺栓進(jìn)行強度復核和加固處理。
    （3）方案二計算結果

    （4）方案二計算分析
    分析計算結果，可以得出以下結論：
    整體塔架結構是安全的，其桿件材料應力比的規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律變化較大，其原因在于外圈支撐塔架與看臺連接后形成新的水平荷載傳遞途徑，其柱肢軸力出現拉壓變換現象，伴有反彎點(diǎn)出現。
    柱腳最大抗拔力為747kN，柱腳最大壓力為1479kN。據此可對現有柱腳的埋件和地腳螺栓進(jìn)行強度復核和加固處理。
    3．3　方案二增加的水平約束支座反力分析
    設計時(shí)，在標高為16.400m處的外圈4個(gè)支撐塔架格構柱的分肢與看臺連接位置設置X、Y兩個(gè)方向的水平約束。
    分別取抗拔驗算荷載組合X、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，可得出如下結論：
    （1）抗拔驗算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-4037.7-4681.7×100%=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塊的邊緣。
    4．支撐典型部位設計圖
    4．1　支撐標準節設計圖
    由于外圈、中圈的支撐塔架柱肢采用D529×12鋼管，支撐標準節共分三種：內圈12m長(cháng)D609×12，中圈12m長(cháng)D529×12，外圈6m長(cháng)D529×12，在此僅介紹D609×12標準節塔架，其他作法類(lèi)似。
    12m塔架柱肢兩頭鋼管對接采用法蘭連接，接頭根據等強原則設計，采用20M22高強螺栓連接，每間隔兩顆法蘭螺栓設置一塊節點(diǎn)加勁板。為增強其慣性矩，水平、交叉腹桿采用L125×8的雙角鋼，且呈十字布置，標準節兩端設置交叉橫隔（見(jiàn)3?3）。為減少水平腹桿與斜腹桿相交處節點(diǎn)板大小，腹桿相交點(diǎn)往內偏心150mm。

    4．2　支撐柱頭設計圖
    在支撐卸載過(guò)程，支撐點(diǎn)的單點(diǎn)受力較大，最大達300t。因此，支撐柱頭的設計非常關(guān)鍵。

    4．3　支撐柱腳節點(diǎn)設計圖
    柱腳先期埋設的螺桿間距偏小，數量少，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。

    4．4　連系桁架設計圖
    格構式連系桁架的水平軸線(xiàn)尺寸為3m，豎向軸線(xiàn)尺寸根據塔架標準節的尺寸取2.875m。連系桁架長(cháng)度方向的標準段模數為3m一擋，即桁架長(cháng)度方向每隔3m設置一根豎向腹桿。由于連系桁架長(cháng)短不一，加上桁架與支撐塔架柱肢對接角度不一，每榀連系桁架減標準段后的遺留長(cháng)度不一，通過(guò)調整連系桁架端頭的節點(diǎn)板及過(guò)渡弦桿長(cháng)度，可保證連系桁架的規格滿(mǎn)足要求。連系桁架標準模數段部分端頭用D325×8封邊，同時(shí)也加強端頭與塔架柱肢的連接。

    5．卸載時(shí)支撐塔架應力監測
    卸載時(shí)，為保證安全采用DGK?4000系列振弦測量設備對支撐塔架進(jìn)行了應力監測，根據卸載的施工過(guò)程模擬計算，選擇了3個(gè)最不利支撐塔架進(jìn)行了應力實(shí)時(shí)監測。振弦式應變計布置在支撐塔架的底部，距離支座500mm的位置，在格構柱每個(gè)柱肢各布一個(gè)測點(diǎn)。
    對主結構負載聯(lián)調時(shí)和支撐塔架卸載過(guò)程中支撐塔架柱肢的應力實(shí)施了實(shí)時(shí)數據采集，下圖為每5分鐘一個(gè)采樣點(diǎn)的柱肢應力時(shí)程曲線(xiàn)。

    由圖中可以看出，支撐塔架的應力較小，基本在60MPa以下，由于卸載過(guò)程中墊片和千斤頂交替受力，導致支撐塔架應力變化較大，但逐漸減少。
    6．小結
    （1）國家體育場(chǎng)大跨度空間桁架支撐體系的選型及設計主要重、難點(diǎn)在于：
    ①大跨度支撐體系選型及設計；
    ②支撐體系抗側力體系的選??；
    ③支撐結構與看臺結構的交叉情況處理；
    ④大跨度支撐體系的經(jīng)濟性分析及臨時(shí)工程用量的資源落實(shí)；
    （2）支撐塔架的設計充分考慮并滿(mǎn)足了卸載方案的實(shí)施和要求，使“鳥(niǎo)巢”鋼結構于2006年9月17日實(shí)現了主結構支撐塔架整體卸載成功，宣告了鋼結構主體工程順利完成。
    【參考文獻】
    （1）鋼結構設計規范，北京：中國計劃出版社，2003.10。
    （2）建筑結構荷載規范，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.20。
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