国家大剧院壳体钢结构工程课件

国家大剧院壳体钢结构施工关键技术中国国家大剧院是国家重点文化设施。工程位于北京人民大会堂西侧，长安街南面，占地面积约20万m2，总建筑面积15万m2。该工程中心建筑为一超级椭圆形半球壳体，壳体四周环绕巨大水池，使壳体犹如珍珠半浮于水面。壳体长轴为212.20米，短轴为143.64米，半竖轴为46.285米。其内部容纳了歌剧院、戏剧院、音乐厅三个独立的大型建筑。壳体是一个独立的结构，支承于混凝土环梁上，与其内的建筑没有结构上的联系。主体建筑下部为三层地下建筑。

1.1工程概况模型图壳体系全钢结构，其由顶环梁、梁架、斜撑和环向连杆等结构件组成，通过节点连接，并同壳体坐落的钢筋混凝土环梁连接固定，形成稳定的空间结构体系,壳体总重约6750t。隔震支座顶环梁位于壳体中心顶部。其平面为折线椭圆形，长轴为53.82米，短轴为36.40米。顶环梁呈曲面状，曲面矢高2.5米。其由圆周环梁（φ1117.6×25.4mm），两根纵向矩箱梁和其它构件组成。

辐射梁架A类梁架箱梁分段顶环梁顶环梁系主要构件图解B类梁架A类梁架环向连杆连接梁架的主要构件，呈水平环状布置，自梁架根部至上端共41×2道。采用φ140×8mm～φ194×5mm钢管。连接形式为铸钢件连接和套筒连接。

环向连杆和连接节点铸钢件节点套筒节点斜撑区斜撑照片北面斜撑变化斜撑节点1.2工程难点和特点a.

体量巨大

该壳体系超大型空间结构，其结构投影面积约2.5万m2，结构包容的空间约87.3万m3,体量大。b.

结构稳定

该壳体须待整个结构完全形成并连接固定后方为稳定的空间结构。如何保证施工阶段的结构稳定至关重要。c.

变形控制

该壳体为非正椭圆形半球体，几何形体特殊，结构自身变形复杂，施工过程的变形控制难度大。d.

构件单薄

壳体的主要结构构件梁架厚度仅60mm，平面外刚度极差，因而梁架的起板、搬运、吊装和校正必须采取特殊的技术措施。e.

环境复杂

壳体内包容了三个建筑物，且整个壳体结构坐落在多层地下结构之上。周围区域正在进行土建施工，场地标高差异大，施工方案的选择和施工平面布置受到很多限制。f.难以通视壳体外形弧线上拱量较大，周边可退视距离较小。用常规的测量方法，无法解决通视问题。构件分段跨外综合对称安装即将构件在工厂按部件制作后运输至现场，组合成吊装单元，东、西、南、北各设一条作业线，按中心对称的施工顺序，先中心环梁，后梁架，再环向杆件进行逐件节间安装。安装前，根据控制结构变形，确保安装精度的原则，设置可调节的临时支撑系统，作为各构件支承和施工阶段结构稳定的依托。待结构形成整体，完成全部节点连接后，再根据变形协调、卸载均衡的原则，按一定顺序拆除临时支撑，完成整个钢壳体的安装。

2.施工工艺2.1施工技术路线的确定吊装区域以中心环梁为中心，以壳体斜撑区为分界，划分为中心环梁，四个梁架节间等五个吊装作业区，分块按序对称进行壳体结构安装。2.2.2吊装区域划分

第一工作区第二工作区第三工作区第四工作区第五工作区a.DEMAGCC2800（600t）履带式起重机1台

先选用超起工况，接60m主臂，84m副臂，定位北面进行中心环梁吊装；然后选用常规工况，接60m主臂，84m副臂，在北面进行第二、三、四作业区的上段梁架节间吊装。

2.2.3施工机械选用

c.SK560（600t·m）固定式塔吊1台SK560(600t·m)塔式起重机定位于壳体南面，接50.8m起重臂，进行第五作业区的吊装。

2.2.4施工总流程施工流程安排对于壳体施工阶段的结构稳定和壳体变形控制至关重要。在满足对称安装总原则的前提下，遵循以下三个原则：先中心结构，后周边结构；先结构加强区域，后一般结构区域；先安装固定，后结构荷载转换。2.3主要构件吊装工艺

本壳体主要结构件梁架构件细长，平面外刚度较差，其起板和安装难度极大。因此，在梁架起板和安装时采用了如下施工工艺。利用悬挂脚手架，进行侧向加固，增加构件刚度。

合理选择吊点吊具，减少构件吊装附加荷载。

2.3.2壳体变形控制

根据变形分析，对壳体变形控制的思路是针对壳体变形主要矛盾，简化变形关系，将空间关系转化为平面关系。通过多向、多环节的平面变形控制措施控制和减少壳体变形，确保壳体结构安装精度。这一思路通过以下的环节实施，一是上段梁架在竖向平面内做竖向预变形。根据壳体顶部最大下挠值，竖向变形为170mm。这样解决了竖向变形的主要问题，使大部分节点的变形接近或控制在允许偏差范围内；二是通过梁架上段的屋面支座作适当调整，解决径向变形和局部竖向变形。竖向预变形示意图通过梁架上段的屋面支座作适当调整，解决径向变形和局部竖向变形示意图为验证预变形方案可能导致的结构初始偏差对壳体整体稳定性的影响，进行反复分析验算。验算结果证明其整体稳定性与法国设计方的方案相当（验算结果如下表一、二）。BucklingMode123预变形方案（法方）3.426543.579403.71836预变形方案（中方）3.389173.540333.67817表二：自振特性对照表频率(frequency)1（Hz）2（Hz）3（Hz）预变形方案（法方）0.465590.555670.76054预变形方案（中方）0.467530.558860.76124表一：整体稳定系数对照表2.4壳体预拼装和节点优化对壳体预拼装方案研究的基本思路是从节点构造优化着手，将壳体整体预拼装化为局部结构整体预拼装和主要构件单件平面预拼装，并通过壳体制作安装过程的控制以及过程数据的传递，以达到整体预拼装的效果。2.4.1壳体预拼装研究

中心环梁整体空间预拼装。

梁架平面预拼装

为实施上述壳体预拼装方案，必须对原设计的梁架与环向水平连杆的连接节点构造进行优化。2.4.2节点构造优化

双铸钢件高强螺栓摩擦连接改为单铸钢焊接节点法兰螺栓连接改为套筒焊接节点避免了连接段定位必须的壳体空间预拼装节点形式简化，受力更为明确合理

节点安装调节余量大，方便安装节点加工成本降低2.5壳体定位与测量2.5.1测量难点

壳体结构形体庞大，其安装测量控制点众多，测量精度要求高；壳体为非椭圆形半球体，其曲面方程为：因而壳体外形弧线上拱量较大，结构上下通视较差壳体周边测量可退视的距离较小，也无测量制高点可供选择。2.5.2测量方案通过对壳体结构组成及外形和周边环境进行了多次深入分析、踏勘和研究，在壳体定位测量研究的思路上不就事论事，而是从根本上先把问题简化，然后再采用简单有效的方案解决壳体的定位测量。环梁平面148榀梁架平面具体做法：先把复杂的空间结构转化为平面结构，把壳体按其结构组成分解为150个平面，即中心环梁和混凝土底环梁各一个水平面，梁架148个竖直平面，然后采用常规的测量工艺有效的解决壳体的定位测量。

在中心支撑（S0）顶面设置平面和高程控制点，作为顶环梁安装的控制依据。2.5.3实施方案建立平面和高程控制网。选用高精度全站仪和经纬仪，将148榀梁架的投影标示在混凝土结构面层上，作为平面控制网。选用高精度水准仪确定分段梁架支撑点标高。考虑支撑的压缩变形，支撑点标高比理论值高10-20mm。选用T2经纬仪，根据平面控制网从场内或场外确定相应梁架平面，解决通视难题。梁架上、下弦均设测量标尺，通过浪索及专用工具进行梁架竖平面内的校正定位。2.6安装用支撑选型和设计

采用螺栓球节点网架作支撑体系，其特点：支撑整体性好，水平与竖向刚度大。对荷载的扩散明显，单个支点荷载小，避免或简化了下部结构加固。安装和拆除方便，不需要机械配合。

80%杆件采用标准杆件，可重复使用。

2.6.1支撑选型2.6.2支撑设计支撑布置

根据壳体结构特点和壳体安装施工工况要求，整个支撑系统布置三道。其中：S0为中心支撑，主要支撑中心环梁；S1为外圈支撑，支撑下段和中段梁架的连接点；S2为内圈支撑，支撑中段和上段梁架的连接点。

S0网架支撑:

坐落在歌剧院屋顶上。系高低不一的平板式网架（高差8m），平面为60×42m的多边形。顶层为正放四角锥网架，下层为排架式网架，网架中间作抽空处理。

S1、S2网架支撑：

支撑落点从地下-7.00m至地上33m结构屋面，高差达40m。支撑平面为拟合椭圆的多边形。顶层采用四角锥网架单元。其立柱位置均与楼层下的隔墙位置相对应，砼结构不作加固处理，又便于施工时人流、物流的通行。

转换层

为了将结构的集中荷载扩散至网架支撑的节点上，专门设置了由型钢组成的转换层。45S0转换层S1、S2转换层2.7壳体结构荷载转换（临时支撑卸载）

2.7.1卸载工艺卸载工艺制定原则：以结构计算为依据，以结构和支撑安全为宗旨，以变形协调为核心，以实时监控为保障。卸载工艺：利用设置支撑转换层上的可调节支撑装置（即螺旋千斤顶），按多次循环、微量下降的原则、逐步实现荷载平稳转换。卸载前提条件:壳体结构全部安装完毕，所有节点全部连接并验收合格；梁架底部的钢锲及侧向限位全部拆除，以实现支座转换；卸载用支架及螺栓千斤顶安装到位并顶紧。

2.7.2卸载步骤及计算依据

壳体安装时共有3道临时支撑，其S1为外环支撑，S2为内环支撑,S0为中心支撑。卸载步骤分为整体步骤和每一步骤的子过程。整体步骤分为13步，按先S1，后S0、S2循环下降，每步下降值5---10mm。每一步骤的子过程通过分布在三道支撑上的148个点逐步分轮下降，每次下降1---4mm。这样通过多步骤循环下降，实施支撑卸载。每一步骤的卸载次序和下降量，都采用计算机建模，模拟计算加以确定。计算过程中，将支撑系统的刚度引入计算模型，使卸载量值的控制更为精确。卸载步骤及每一步的下降量

单位（mm）

S1S2S0S1（累计）S2（累计）S0（累计）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箱梁中间支点去除第11步

去除（30）

6140第12步

30

6170第13步

去除（60）

130各卸载工况对应荷载转移的计算结果汇总卸载步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卸载实施及监测

卸载是一项组织性、协调性极高的操作。实施前对卸载设备记录、操作人员、设备、通讯指挥设置、卸载过程协调统一指导，都进行缜密安排和严格规定。卸载中还进行了卸载监测。卸载监测包括变形监测和内力监测两部分。变形采用全站仪动态实时监测和部分监测，既包括对主体结构的监测也包括对临时支撑系统的监测。

卸载照片壳体各测点变形值与理论值对比。顶环梁单位：mm测点Y向位移X向位移Z向位移计算实测Δ计算实测Δ计算实测Δ正北点向南36向南342向西1向东34向下151向下1429正南点向南36向南297向西1向东34向下97向下898正东点向南36向南351向西4向西51向下77向下725正西点向南36向南360向东4向东73向下78向下735

S1支撑处单位：mm轴线号(Y向)向南位移(Z向)向下位移

计算值实测值│Δ│计算值实测值│Δ│1轴-37-14231-3410轴-21-9124-3719轴-48128-81656轴412912-81965轴615011-16-61075轴