国家体育场鸟巢工程钢结构支撑塔架设计

PAGEPAGE14国家体育场（鸟鸟巢）工程程钢结构支支撑塔架设设计封叶剑

曹峰

崔明芝

魏义进摘

要：本文文主要要是对国国家体育育场主主桁架安安装过过程中所所使用用的支撑撑塔架架的设计计过程程进行介介绍，并并对支撑撑塔架架卸载过过程中中监测到到的支支撑塔架架应力力情况进进行分分析，从从而总总结出大大吨位位支撑体体系设设计时应应注意意的问题题。关关键词：：支撑撑塔架、抗抗侧侧力体系系、空空间排架架、格格构式柱柱、应应力比国家体育场为222008年北京奥奥运运会的主主体育育场，建建筑顶顶面呈马马鞍型型，大跨跨度屋屋盖支撑撑于周周边24根桁架柱柱上上。主桁桁架围围绕屋盖盖中间间开口呈呈放射射形布置置，与与桁架柱柱、顶顶面及立立面次次结构一一起形形成了“鸟巢”的特殊建建筑筑造型。主主桁桁架尽可可能直直通或接接近直直通，并并在中中部形成成由分分段直线线构成成的内环环，构构件截面面均为为箱形截截面，其其空间位位置复复杂多变变，形形体宏大大、美美观。1．支撑布布置置及设计计技术术条件国国家体体育场屋屋盖钢钢结构属属大跨跨度空间间巨型型桁架结结构，构构架自重重产生生的内力力所占占比例较较大。根根据钢结结构安安装施工工组织织设计，钢钢结结构总体体安装装采用分分段吊吊装高空空对接接的方法法（也也简称散散装法法）施工工，在在结构施施工过过程中设设置了了78个支撑点点，支支撑点设设置在在主桁架架下弦弦交叉节节点的的位置，如如下下图所示示。支撑塔架设计的的的技术条条件来来源于支支撑卸卸载分析析的结结果，它它给出出了整体体、分分级同步步的卸卸载过程程中，各各个支撑撑点在在各个卸卸载子子步的反反力情情况。统统计其其中每个个点在在所有步步骤中中的最大大反力力就是施施加在在支撑塔塔架上上的使用用荷载载。同时时，在在桁架的的安装装过程中中，虽虽然支撑撑塔架架所受的的竖向向力没有有在卸卸载过程程中相相应支撑撑点最最大反力力大，但但先内环环、后后外环的的安装装顺序使使得施施工过程程主桁桁架独立立承受受的风荷荷载很很大，并并作为为一个水水平集集中荷载载施加加在塔架架的柱柱顶。因因此，主主桁架在在安装装过程中中所受受的风荷荷载也也是支撑撑塔架架受力分分析的的一个控控制工工况。国国家体体育场的的建筑筑顶面呈呈双曲曲马鞍形形，最最高点高高度为为69.11m，最低点点高高度为40.77m。这样的的屋屋盖外形形也决决定其安安装过过程中的的支撑撑塔架的的顶面面整体外外形也也呈马鞍鞍形、塔塔架高，这这是是支撑设设计的的又一技技术条条件。2．体系选选型型支撑塔塔架的的柱身选选用3×3m格构柱，为为为提高支支撑塔塔架的整整体刚刚度和稳稳定性性，在支支撑塔塔架的顶顶部设设置水平平支撑撑体系，支支撑撑体系仍仍采用用格构式式桁架架结构。为为提提高水平平支撑撑体系的的抗扭扭刚度，在在其其角部区区域设设置隅撑撑，支支撑塔架架的柱柱脚与基基础采采用刚接接。根根据主结结构的的安装方方案，将将整体支支撑塔塔架分成成四大大块，长长短轴轴各两个个区块块，并将将这四四区块所所有支支撑塔架架连成成整体。这这个个方案符符合主主桁架安安装、形形成自受受力体体系的过过程，方方案如下下图所所示：2．1支撑塔塔架和和柱顶系系杆桁架架为方方便现场场加工工、制作作和安安装，提提高其其经济性性，支支撑塔架架和柱柱顶系杆杆桁架架的设计计均采采用标准准段模模数化的的方式式。支撑撑塔架架的柱肢肢采用用螺旋焊焊管，水水平腹杆杆采用用双角钢钢十字字形布置置。为为节约钢钢材支支撑塔架架的斜斜腹杆采采用X形交叉体体系系腹杆，设设计计时只考考虑其其受拉不不考虑虑其受压压，其其截面型型式采采用角钢钢。为为提高支支撑塔塔架的柱柱身的的抗扭刚刚度，在在每节标标准段段的两端端和中中间区域域设置置交叉横横隔，交交叉横隔隔的截截面采用用角钢钢。柱顶顶系杆杆桁架的的设计计方式与与支撑撑塔架基基本相相同。2．2抗侧力力体体系的形形成本本支撑塔塔架主主要考虑虑的水水平侧力力为风风荷载。除除支支撑塔架架自身身及柱顶顶系杆杆桁架需需抵抗抗风荷载载外，主主要考虑虑支撑撑于塔架架塔身身上的主主桁架架受风作作用。主主桁架轴轴线高高12m，上、下下弦弦杆多为10000××10000mmm的箱形梁梁，腹腹杆为600××6600mmm的箱形梁梁。主主桁架受受风面面大，处处在高高空，受受风作作用敏感感。为为增强各各支撑撑塔架整整体协协同抗风风的能能力，在在各支支撑塔架架顶部部设置格格构式式柱顶系系杆作作为水平平支撑撑体系。另另外外，为提提高整整体结构构柱顶顶平面支支撑系系统的抗抗扭刚刚度，在在角部部区域设设置隅隅撑。计计算分分析表明明，上上述结构构的整整体工作作接近近于空间间排架架结构，支支撑撑塔架的的受力力与悬臂臂柱类类似，为为提高高整体结结构的的抗侧能能力，单单方面增增加支支撑塔架架强度度和刚度度是远远远不够够的，也也是极不不经济济的，因因此，为为传递侧侧向风风载，需需进一一步采取取其他他措施，形形成成整体结结构的的抗力体体系。根根据现场场条件件，施工工时可可在中圈圈和外外圈的支支撑塔塔架顶部部设置置双向缆缆风用用以传递递屋盖盖主桁架架所受受风载，内内圈圈支撑塔塔架所所受屋盖盖主桁桁架的风风载由由整体结结构传传递，此此为方方案一。另另外外，根据据现场场条件在在支撑撑塔架的的部分分位置与与主体体看台结结构进进行连接接，借借主体看看台结结构的水水平刚刚度提高高支撑撑塔架的的整体体抗侧能能力，此此为方案案二。具具体实施施时也也可将两两方案案结合起起来，增增加额外外的安安全储备备。3．设计计算报报报告综上所所述述，上述述整体体结构中中，支支撑塔架架柱的的计算和和设计计是关键键中的的关键，为为此此计算时时采取取两种计计算方方案。方方案一一，支撑撑塔架架作为单单根悬悬臂柱进进行计计算分析析，作作为强化化支撑撑塔架设设计的的手段。方方案案二，按按上述述两种抗抗侧力力体系进进行有有限元的的整体体计算分分析。3．1支撑塔塔架架按单根根悬臂臂柱的计计算分分析3．1．1荷载工工况况根据对对支撑撑设计技技术条条件的分分析，支支撑设计计、分分析主要要分两两个施工工阶段段来考虑虑：主主桁架安安装阶阶段、主主桁架架合拢后后的卸卸载阶段段，两两个阶段段的控控制荷载载各不不相同。考考虑虑到支撑撑塔架架实际工工作中中的复杂杂性，偏偏安全考考虑计计算模型型选用用单根悬悬臂格格构柱模模式，其其余部分分的构构造措施施作为为整体支支撑塔塔架系统统的附附加安全全储备备。支撑撑塔架架为四肢肢组合合格构式式柱，截截面尺寸寸为3m×33m，柱高为48.33880m。（1）竖向荷荷载载作用于于支撑撑塔架柱柱顶的的最大垂垂直荷荷载设计计值P：30000..0kN（取安装装过过程和卸卸载阶阶段各步步骤中中的最大大值），作作作用点沿沿格构构柱对角角线方方向距中中心最最大偏心心距为为539mmm，按活荷荷载载考虑。设设计计时考虑虑由施施工过程程中实实际位置置的偏偏差，偏偏心距距增加±10%。支撑塔塔架架自重力力设计计值D：580..4420kkN（2）温度荷荷载载由于支支撑塔塔架体系系不是是温度敏敏感结结构，塔塔架设设计不考考虑温温度效应应；（3）地震荷荷载载由于施施工过过程持续续的时时间短暂暂，故故支撑塔塔架设设计不考考虑地地震作用用；方案一：缆风抗抗抗侧力体体系，计计算时外外圈和和中圈主主桁架架所受风风载由由缆风绳绳承受受，内圈圈由支支撑塔架架整体体体系承承受。方方案二：：借助助看台抗抗侧力力体系，根根据据现场条条件在在支撑塔塔架的的部分位位置与与主体看看台结结构进行行连接接，提高高支撑撑塔架的的整体体抗侧力力能力力。外圈圈、中中圈及内内圈主主桁架所所受风风载均由由支撑撑塔架整整体体体系传递递至塔塔基和看看台。（2）方案一计计算算分析分析析析计算结结果，可可以得出出以下下结论：：整体体塔架结结构是是安全的的，其其主体重重要杆杆件材料料应力力比约为50%~~770%（图中0.5处所示），局局部次要杆件件材料应力比比约为70%~990%（图中0.7处所示），少少部分杆件材材料应力比超超过90%（图中0.9处所示）。其其中超应力比比部分的杆件件主要是支撑撑塔架和柱顶顶系杆X型交叉腹杆杆，按结构退退化理论，受受压的斜腹杆杆在其压应力力达到临界应应力后退出工工作，剩余水水平力由拉杆杆继续承受。根根据上述MODE—A区杆件材料料应力比的情情况，不但说说明塔架整体体结构是安全全的，同时也也说明了其设设计的经济合合理性。安装装阶段和卸载载阶段其水平平变位的规律律基本相同，但但安装阶段的的变位相对较较大，究其原原因，卸载阶阶段屋盖钢构构已形成整体体结构，其本本身已具有抗抗风能力，主主桁架的风载载不再由支撑撑塔架承受和和传递。安装装阶段柱顶X向水平最大大变位约为33.4mmm，Y向水平最大大变位约为33.7mmm，约为支撑撑塔架高度1/14336，符合设计计预期要求。这这里需要说明明的是在实际际的结构中，实实际变形要比比计算值大。原原因之一，计计算时柱脚按按三向约束固固定铰接考虑虑，而实际上上柱脚与塔基基部分通过螺螺栓连接，部部分通过预埋埋件的锚筋与与塔基连接，此此两者的截面面与柱脚截面面相比小得很很多，柱脚与与塔基连接实实际上为弹性性约束，因此此柱顶实际位位移较计算值值会有所增大大。原因之二二，支撑塔架架和柱顶系杆杆X型交叉腹杆杆中受压的斜斜腹杆在其压压应力达到临临界应力后退退出工作，也也会使柱顶实实际位移较计计算值会有所所增大。另外外，X向和Y向得水平变变位基本相同同，说明支撑撑塔架和柱顶顶系杆形成的的整体结构的的框架作用并并不明显，支支撑塔架在两两个方向的受受力更接近于于悬臂柱的工工作方式，结结构的整体工工作更接近于于空间排架结结构。杆件轴轴力表明，安安装阶段轴力力的变化梯度度相对较大，局局部支撑塔架架柱肢有拉力力出现，究其其原因，一方方面安装阶段段主桁架的风风载需由支撑撑塔架承受和和传递，另一一方面卸载阶阶段竖向轴力力也相对较大大。另外，计计算结果也表表明支撑塔架架柱顶系杆的的弦杆轴力很很小，这就从从另一方面说说明支撑塔架架和柱顶系杆杆形成的整体体结构的框架架作用并不明明显。究其根根本的原因在在于设计时柱柱顶系杆的弦弦杆截面相对对较小，在柱柱顶节点区域域的弯矩分配配中分得弯矩矩也小许多，整整体框架结构构更类似于排排架结构进行行工作。综上上所述，柱脚脚的设计和计计算显得格外外重要。抗拔拔验算时，竖竖向荷载偏安安全考虑按900kN取值，即竖竖向荷载中的的D3工况，荷载载分向系数按按1.0取值。柱脚脚最大抗拔力力为715kN，柱脚最大大压力为1380kkN，据此可对对现有柱脚的的埋件和地脚脚螺栓进行强强度复核和加加固处理。（3）方案二计计算结果（4）方案二计计算算分析分析析析计算结结果，可可以得出出以下下结论：：整体体塔架结结构是是安全的的，其其杆件材材料应应力比的的规律律与方案案一基基本相似似的。安安装阶段段和卸卸载阶段段其水水平变位位与方方案一有有所不不同，其其主要要特点是是外圈圈支撑塔塔架柱柱顶变位位较为为集中。安安装装阶段柱柱顶X向水平最最大大变位约约为32.22mmm，Y向水平最最大大变位约约为35.22mmm，约为支支撑撑塔架高高度1/133774。杆件轴轴力力表明，外外圈圈支撑塔塔架轴轴力分布布的规规律变化化较大大，其原原因在在于外圈圈支撑撑塔架与与看台台连接后后形成成新的水水平荷荷载传递递途径径，其柱柱肢轴轴力出现现拉压压变换现现象，伴伴有反弯弯点出出现。柱柱脚最最大抗拔拔力为为747kkN，柱脚最最大大压力为14799kkN。据此可可对对现有柱柱脚的的埋件和和地脚脚螺栓进进行强强度复核核和加加固处理理。3．3方案二二增增加的水水平约约束支座座反力力分析设设计时时，在标标高为为16.44000m处的外圈4个支撑塔塔架架格构柱柱的分分肢与看看台连连接位置置设置置X、Y两个方向向的的水平约约束。分分别取抗抗拔验验算荷载载组合合X、Y两个方向向（COM5和COM6）的荷载载作作用下的的支座座反力进进行分分析：通通过比比较分析析，可可得出如如下结结论：（1）抗拔验验算X正向荷载载组组合（COM5）作用下下新新增支座座的反反力占全全部支支座反力力的比比值-403377.7--46681..7××1000%==86..2%%，增加的的支支座承受受和传传递了大大部分分的水平平荷载载，新增增支座座得效用用较高高；（2）抗拔验验算Y正向荷载载组组合（COM6）作用下下新新增支座座的反反力占全全部支支座反力力的比比值-262299.9--38878..3××1000%==67..8%%，增加的的支支座在Y方向承受受和和传递得得水平平力的效效用相相对于X方向的效效率率较低，其其原原因在于于增加加的水平平约束束处于外外圈支支撑塔架架，而而外圈支支撑塔塔架位于于支撑撑塔架区区块的的边缘。4．支撑典典型型部位设设计图图4．1支撑标标准准节设计计图由由于外圈圈、中中圈的支支撑塔塔架柱肢肢采用用D5299××12钢管，支支撑撑标准节节共分分三种：：内圈圈12m长D6099××12，中圈12m长D5299××12，外圈6m长D5299××12，在此仅仅介介绍D6099××12标准节塔塔架架，其他他作法法类似。12m塔架柱肢肢两两头钢管管对接接采用法法兰连连接，接接头根根据等强强原则则设计，采采用用20M222高强螺栓栓连连接，每每间隔隔两颗法法兰螺螺栓设置置一块块节点加加劲板板。为增增强其其惯性矩矩，水水平、交交叉腹腹杆采用L1255××8的双角钢钢，且且呈十字字布置置，标准准节两两端设置置交叉叉横隔（见见3—3）。为减减少少水平腹腹杆与与斜腹杆杆相交交处节点点板大大小，腹腹杆相相交点往往内偏偏心150mmm。4．2支撑柱柱头设设计图在在支撑卸卸载过过程，支支撑点点的单点点受力力较大，最最大大达300t。因此，支支支撑柱头头的设设计非常常关键键。4．3支撑柱柱脚节节点设计计图柱脚脚先期期埋设的的螺杆杆间距偏偏小，数数量少，考考虑虑到主桁桁架安安装过程程中所所受的水水平荷荷载大，柱柱脚脚抗拔要要求高高，支撑撑塔架架每根柱柱肢在在外围增增加4颗化学锚锚栓栓，带底底板和和十字形形插板板的底座座先和和8颗螺栓拔拔紧紧后，再再将支支撑塔架架柱肢肢插进，最最后后和底板板及十十字插板板焊接接成整体体。4．4连系桁桁架设设计图格格构式连连系桁桁架的水水平轴轴线尺寸寸为3m，竖向轴轴线线尺寸根根据塔塔架标准准节的的尺寸取2.87755m。连系桁桁架架长度方方向的的标准段段模数数为3m一挡，即即桁桁架长度度方向向每隔3m设置一根根竖竖向腹杆杆。由由于连系系桁架架长短不不一，加加上桁架架与支支撑塔架架柱肢肢对接角角度不不一，每每榀连连系桁架架减标标准段后后的遗遗留长度度不一一，通过过调整整连系桁桁架端端头的节节点板板及过渡渡弦杆杆长度，可可保保证连系系桁架架的规格格满足足要求。连连系系桁架标标准模模数段部部分端端头用D3255××8封边，同同时时也加强强端