国家体育场(鸟巢)工程钢结构支撑塔架设计(DOC14页)cxpi.doc

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1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.国家体育育场（鸟鸟巢）工工程钢结结构支撑撑塔架设设计封叶剑曹峰崔明芝魏义进进摘要要：本文文主要是是对国家家体育场场主桁架架安装过过程中所所使用的的支撑塔塔架的设设计过程程进行介介绍，并并对支撑撑塔架卸卸载过程程中监测测到的支支撑塔架架应力情情况进行行分析，从从而总结结出大吨吨位支撑撑体系设设计时应应注意的的问题。关键词：支撑塔架、抗侧力体系、空间排架、格构式柱、应力比国家体育育场为20008年北京京奥运会会的主体体育场，建建筑顶面面呈马鞍鞍型，大大跨度屋屋盖

2、支撑撑于周边边24根桁架架柱上。主主桁架围围绕屋盖盖中间开开口呈放放射形布布置，与与桁架柱柱、顶面面及立面面次结构构一起形形成了“鸟巢”的特殊殊建筑造造型。主主桁架尽尽可能直直通或接接近直通通，并在在中部形形成由分分段直线线构成的的内环，构构件截面面均为箱箱形截面面，其空空间位置置复杂多多变，形形体宏大大、美观观。1支撑撑布置及及设计技技术条件件国家体体育场屋屋盖钢结结构属大大跨度空空间巨型型桁架结结构，构构架自重重产生的的内力所所占比例例较大。根根据钢结结构安装装施工组组织设计计，钢结结构总体体安装采采用分段段吊装高高空对接接的方法法（也简简称散装装法）施施工，在在结构施施工过程程中设置置了

3、78个支撑撑点，支支撑点设设置在主主桁架下下弦交叉叉节点的的位置，如如下图所所示。支撑塔架架设计的的技术条条件来源源于支撑撑卸载分分析的结结果，它它给出了了整体、分分级同步步的卸载载过程中中，各个个支撑点点在各个个卸载子子步的反反力情况况。统计计其中每每个点在在所有步步骤中的的最大反反力就是是施加在在支撑塔塔架上的的使用荷荷载。同同时，在在桁架的的安装过过程中，虽虽然支撑撑塔架所所受的竖竖向力没没有在卸卸载过程程中相应应支撑点点最大反反力大，但但先内环环、后外外环的安安装顺序序使得施施工过程程主桁架架独立承承受的风风荷载很很大，并并作为一一个水平平集中荷荷载施加加在塔架架的柱顶顶。因此此，主桁

4、桁架在安安装过程程中所受受的风荷荷载也是是支撑塔塔架受力力分析的的一个控控制工况况。国家家体育场场的建筑筑顶面呈呈双曲马马鞍形，最最高点高高度为669.11m，最最低点高高度为440.77m。这这样的屋屋盖外形形也决定定其安装装过程中中的支撑撑塔架的的顶面整整体外形形也呈马马鞍形、塔塔架高，这这是支撑撑设计的的又一技技术条件件。2体系系选型支支撑塔架架的柱身身选用33mm格构柱柱，为提提高支撑撑塔架的的整体刚刚度和稳稳定性，在在支撑塔塔架的顶顶部设置置水平支支撑体系系，支撑撑体系仍仍采用格格构式桁桁架结构构。为提提高水平平支撑体体系的抗抗扭刚度度，在其其角部区区域设置置隅撑，支支撑塔架架的柱脚

5、脚与基础础采用刚刚接。根根据主结结构的安安装方案案，将整整体支撑撑塔架分分成四大大块，长长短轴各各两个区区块，并并将这四四区块所所有支撑撑塔架连连成整体体。这个个方案符符合主桁桁架安装装、形成成自受力力体系的的过程，方方案如下下图所示示：21支撑塔塔架和柱柱顶系杆杆桁架为为方便现现场加工工、制作作和安装装，提高高其经济济性，支支撑塔架架和柱顶顶系杆桁桁架的设设计均采采用标准准段模数数化的方方式。支支撑塔架架的柱肢肢采用螺螺旋焊管管，水平平腹杆采采用双角角钢十字字形布置置。为节节约钢材材支撑塔塔架的斜斜腹杆采采用X形交叉叉体系腹腹杆，设设计时只只考虑其其受拉不不考虑其其受压，其其截面型型式采用用

6、角钢。为为提高支支撑塔架架的柱身身的抗扭扭刚度，在在每节标标准段的的两端和和中间区区域设置置交叉横横隔，交交叉横隔隔的截面面采用角角钢。柱柱顶系杆杆桁架的的设计方方式与支支撑塔架架基本相相同。222抗侧侧力体系系的形成成本支撑撑塔架主主要考虑虑的水平平侧力为为风荷载载。除支支撑塔架架自身及及柱顶系系杆桁架架需抵抗抗风荷载载外，主主要考虑虑支撑于于塔架塔塔身上的的主桁架架受风作作用。主主桁架轴轴线高112m，上上、下弦弦杆多为为10000110000mm的的箱形梁梁，腹杆杆为60006000mmm的箱形形梁。主主桁架受受风面大大，处在在高空，受受风作用用敏感。为为增强各各支撑塔塔架整体体协同抗抗

7、风的能能力，在在各支撑撑塔架顶顶部设置置格构式式柱顶系系杆作为为水平支支撑体系系。另外外，为提提高整体体结构柱柱顶平面面支撑系系统的抗抗扭刚度度，在角角部区域域设置隅隅撑。计计算分析析表明，上上述结构构的整体体工作接接近于空空间排架架结构，支支撑塔架架的受力力与悬臂臂柱类似似，为提提高整体体结构的的抗侧能能力，单单方面增增加支撑撑塔架强强度和刚刚度是远远远不够够的，也也是极不不经济的的，因此此，为传传递侧向向风载，需需进一步步采取其其他措施施，形成成整体结结构的抗抗力体系系。根据据现场条条件，施施工时可可在中圈圈和外圈圈的支撑撑塔架顶顶部设置置双向缆缆风用以以传递屋屋盖主桁桁架所受受风载，内内

8、圈支撑撑塔架所所受屋盖盖主桁架架的风载载由整体体结构传传递，此此为方案案一。另另外，根根据现场场条件在在支撑塔塔架的部部分位置置与主体体看台结结构进行行连接，借借主体看看台结构构的水平平刚度提提高支撑撑塔架的的整体抗抗侧能力力，此为为方案二二。具体体实施时时也可将将两方案案结合起起来，增增加额外外的安全全储备。3设计计计算报报告综上上所述，上上述整体体结构中中，支撑撑塔架柱柱的计算算和设计计是关键键中的关关键，为为此计算算时采取取两种计计算方案案。方案案一，支支撑塔架架作为单单根悬臂臂柱进行行计算分分析，作作为强化化支撑塔塔架设计计的手段段。方案案二，按按上述两两种抗侧侧力体系系进行有有限元的

9、的整体计计算分析析。31支撑撑塔架按按单根悬悬臂柱的的计算分分析311荷载载工况根根据对支支撑设计计技术条条件的分分析，支支撑设计计、分析析主要分分两个施施工阶段段来考虑虑：主桁桁架安装装阶段、主主桁架合合拢后的的卸载阶阶段，两两个阶段段的控制制荷载各各不相同同。考虑虑到支撑撑塔架实实际工作作中的复复杂性，偏偏安全考考虑计算算模型选选用单根根悬臂格格构柱模模式，其其余部分分的构造造措施作作为整体体支撑塔塔架系统统的附加加安全储储备。支支撑塔架架为四肢肢组合格格构式柱柱，截面面尺寸为为3m3m，柱柱高为448.3380mm。（1）竖向向荷载作作用于支支撑塔架架柱顶的的最大垂垂直荷载载设计值值P：

10、30000.00kN（取安安装过程程和卸载载阶段各各步骤中中的最大大值），作作用点沿沿格构柱柱对角线线方向距距中心最最大偏心心距为5539mmm，按按活荷载载考虑。设设计时考考虑由施施工过程程中实际际位置的的偏差，偏偏心距增增加100%。支撑塔塔架自重重力设计计值D：5800.4220kNN（2）温度度荷载由由于支撑撑塔架体体系不是是温度敏敏感结构构，塔架架设计不不考虑温温度效应应；（3）地震震荷载由由于施工工过程持持续的时时间短暂暂，故支支撑塔架架设计不不考虑地地震作用用；方案一：缆风抗抗侧力体体系，计计算时外外圈和中中圈主桁桁架所受受风载由由缆风绳绳承受，内内圈由支支撑塔架架整体体体系承受

11、受。方案案二：借借助看台台抗侧力力体系，根根据现场场条件在在支撑塔塔架的部部分位置置与主体体看台结结构进行行连接，提提高支撑撑塔架的的整体抗抗侧力能能力。外外圈、中中圈及内内圈主桁桁架所受受风载均均由支撑撑塔架整整体体系系传递至至塔基和和看台。（2）方方案一计计算分析析分析计计算结果果，可以以得出以以下结论论：整体体塔架结结构是安安全的，其其主体重重要杆件件材料应应力比约约为50%700%（图中0.5处所示示），局局部次要要杆件材材料应力力比约为为70%900%（图中0.7处所示示），少少部分杆杆件材料料应力比比超过90%（图中0.9处所示示）。其其中超应应力比部部分的杆杆件主要要是支撑撑塔架

12、和和柱顶系系杆X型交叉叉腹杆，按按结构退退化理论论，受压压的斜腹腹杆在其其压应力力达到临临界应力力后退出出工作，剩剩余水平平力由拉拉杆继续续承受。根根据上述述MODDEA区杆件件材料应应力比的的情况，不不但说明明塔架整整体结构构是安全全的，同同时也说说明了其其设计的的经济合合理性。安装阶段和卸载阶段其水平变位的规律基本相同，但安装阶段的变位相对较大，究其原因，卸载阶段屋盖钢构已形成整体结构，其本身已具有抗风能力，主桁架的风载不再由支撑塔架承受和传递。安装阶段柱顶X向水平最大变位约为33.4mm，Y向水平最大变位约为33.7mm，约为支撑塔架高度1/1436，符合设计预期要求。这里需要说明的是在

13、实际的结构中，实际变形要比计算值大。原因之一，计算时柱脚按三向约束固定铰接考虑，而实际上柱脚与塔基部分通过螺栓连接，部分通过预埋件的锚筋与塔基连接，此两者的截面与柱脚截面相比小得很多，柱脚与塔基连接实际上为弹性约束，因此柱顶实际位移较计算值会有所增大。原因之二，支撑塔架和柱顶系杆X型交叉腹杆中受压的斜腹杆在其压应力达到临界应力后退出工作，也会使柱顶实际位移较计算值会有所增大。另外，X向和Y向得水平变位基本相同，说明支撑塔架和柱顶系杆形成的整体结构的框架作用并不明显，支撑塔架在两个方向的受力更接近于悬臂柱的工作方式，结构的整体工作更接近于空间排架结构。杆件轴力表明，安装阶段轴力的变化梯度相对较大

14、，局部支撑塔架柱肢有拉力出现，究其原因，一方面安装阶段主桁架的风载需由支撑塔架承受和传递，另一方面卸载阶段竖向轴力也相对较大。另外，计算结果也表明支撑塔架柱顶系杆的弦杆轴力很小，这就从另一方面说明支撑塔架和柱顶系杆形成的整体结构的框架作用并不明显。究其根本的原因在于设计时柱顶系杆的弦杆截面相对较小，在柱顶节点区域的弯矩分配中分得弯矩也小许多，整体框架结构更类似于排架结构进行工作。综上所述，柱脚的设计和计算显得格外重要。抗拔验算时，竖向荷载偏安全考虑按900kN取值，即竖向荷载中的D3工况，荷载分向系数按1.0取值。柱脚最大抗拔力为715kN，柱脚最大压力为1380kN，据此可对现有柱脚的埋件和

15、地脚螺栓进行强度复核和加固处理。（3）方案二计算结果（4）方方案二计计算分析析分析计计算结果果，可以以得出以以下结论论：整体体塔架结结构是安安全的，其其杆件材材料应力力比的规规律与方方案一基基本相似似的。安安装阶段段和卸载载阶段其其水平变变位与方方案一有有所不同同，其主主要特点点是外圈圈支撑塔塔架柱顶顶变位较较为集中中。安装装阶段柱柱顶X向水平平最大变变位约为为32.2mmm，Y向水平平最大变变位约为为35.2mmm，约为为支撑塔塔架高度度1/113744。杆件轴轴力表明明，外圈圈支撑塔塔架轴力力分布的的规律变变化较大大，其原原因在于于外圈支支撑塔架架与看台台连接后后形成新新的水平平荷载传传递

16、途径径，其柱柱肢轴力力出现拉拉压变换换现象，伴伴有反弯弯点出现现。柱脚脚最大抗抗拔力为为7477kN，柱脚脚最大压压力为14779kNN。据此此可对现现有柱脚脚的埋件件和地脚脚螺栓进进行强度度复核和和加固处处理。333方案案二增加加的水平平约束支支座反力力分析设设计时，在在标高为为16.4000m处的的外圈4个支撑撑塔架格格构柱的的分肢与与看台连连接位置置设置X、Y两个方方向的水水平约束束。分别别取抗拔拔验算荷荷载组合合X、Y两个方方向（COMM5和COMM6）的荷荷载作用用下的支支座反力力进行分分析：通通过比较较分析，可可得出如如下结论论：（1）抗拔拔验算X正向荷荷载组合合（COMM5）作用

17、用下新增增支座的的反力占占全部支支座反力力的比值值-40037.7-446811.71000%=886.22%，增加加的支座座承受和和传递了了大部分分的水平平荷载，新新增支座座得效用用较高；（2）抗拔拔验算Y正向荷荷载组合合（COMM6）作用用下新增增支座的的反力占占全部支支座反力力的比值值-26629.9-338788.31000%=667.88%，增加加的支座座在Y方向承承受和传传递得水水平力的的效用相相对于X方向的的效率较较低，其其原因在在于增加加的水平平约束处处于外圈圈支撑塔塔架，而而外圈支支撑塔架架位于支支撑塔架架区块的的边缘。4支撑典型部位设计图41支撑标准节设计图由于外圈、中圈的

18、支撑塔架柱肢采用D52912钢管，支撑标准节共分三种：内圈12m长D60912，中圈12m长D52912，外圈6m长D52912，在此仅介绍D60912标准节塔架，其他作法类似。12m塔架柱肢两头钢管对接采用法兰连接，接头根据等强原则设计，采用20M22高强螺栓连接，每间隔两颗法兰螺栓设置一块节点加劲板。为增强其惯性矩，水平、交叉腹杆采用L1258的双角钢，且呈十字布置，标准节两端设置交叉横隔（见33）。为减少水平腹杆与斜腹杆相交处节点板大小，腹杆相交点往内偏心150mm。42支撑柱柱头设计计图在支支撑卸载载过程，支支撑点的的单点受受力较大大，最大大达3000t。因此此，支撑撑柱头的的设计非非

19、常关键键。43支撑柱柱脚节点点设计图图柱脚先先期埋设设的螺杆杆间距偏偏小，数数量少，考考虑到主主桁架安安装过程程中所受受的水平平荷载大大，柱脚脚抗拔要要求高，支支撑塔架架每根柱柱肢在外外围增加加4颗化学学锚栓，带带底板和和十字形形插板的的底座先先和8颗螺栓栓拔紧后后，再将将支撑塔塔架柱肢肢插进，最最后和底底板及十十字插板板焊接成成整体。44连系桁桁架设计计图格构构式连系系桁架的的水平轴轴线尺寸寸为3mm，竖向向轴线尺尺寸根据据塔架标标准节的的尺寸取取2.8875mm。连系系桁架长长度方向向的标准准段模数数为3mm一挡，即即桁架长长度方向向每隔33m设置置一根竖竖向腹杆杆。由于于连系桁桁架长短短

20、不一，加加上桁架架与支撑撑塔架柱柱肢对接接角度不不一，每每榀连系系桁架减减标准段段后的遗遗留长度度不一，通通过调整整连系桁桁架端头头的节点点板及过过渡弦杆杆长度，可可保证连连系桁架架的规格格满足要要求。连连系桁架架标准模模数段部部分端头头用D322588封边，同同时也加加强端头头与塔架架柱肢的的连接。5卸载载时支撑撑塔架应应力监测测卸载时时，为保保证安全全采用DGK40000系列振振弦测量量设备对对支撑塔塔架进行行了应力力监测，根根据卸载载的施工工过程模模拟计算算，选择择了3个最不不利支撑撑塔架进进行了应应力实时时监测。振振弦式应应变计布布置在支支撑塔架架的底部部，距离离支座5500mmm的位

21、位置，在在格构柱柱每个柱柱肢各布布一个测测点。对对主结构构负载联联调时和和支撑塔塔架卸载载过程中中支撑塔塔架柱肢肢的应力力实施了了实时数数据采集集，下图图为每5分钟一一个采样样点的柱柱肢应力力时程曲曲线。由图中可可以看出出，支撑撑塔架的的应力较较小，基基本在60MMPa以下，由由于卸载载过程中中垫片和和千斤顶顶交替受受力，导导致支撑撑塔架应应力变化化较大，但但逐渐减减少。66小结结（1）国家家体育场场大跨度度空间桁桁架支撑撑体系的的选型及及设计主主要重、难难点在于于：大跨度度支撑体体系选型型及设计计；支撑体体系抗侧侧力体系系的选取取；支撑结结构与看看台结构构的交叉叉情况处处理；大跨度度支撑体体系的经经济性分分析及临临时工程程用量的的资源落落实；（2）支撑撑塔架的的设计充充分考虑虑并满足足了卸载载方案的的实施和和要求，使“鸟巢”钢结构于2006年9月17日实现了主结构支撑塔架整体卸载成功，宣告了钢结构主体工程顺利完成。【参考文献】（1）钢结构设计规范，北京：中国计划出版社，2003.10。（2）建筑结构荷载规范，北京：中国建筑工业出版社，2002.20。20