【2019年整理】国家大剧院壳体钢结构工程

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）。
表一：整体稳定系数对照表
Buckling Mode 预变形方案（法方） 预变形方案（中方）
15m
E37
15中m段梁架堆场
下段梁架堆场
10.5m
36m
下段梁架立拼(2只)
35m
11.63t
R=122m,Q=17t
音乐厅
7m
5m
8m
8m 6.5m
厕所
人大用房
洗车池 2#-239.4KVA
6.32t
下段梁架立拼(2只) 中段梁架平拼(1只)
35m
场场
架架 堆堆
段段 梁梁
下段梁架预拼场地
下段梁架散件堆场 中 中
10m
6.53t
戏剧院
35m
5#-239.4KVA 下段梁架立拼(2只)
16m 5m
11.63t
12m中段梁架平拼(235m只)
7.4m 10m
800KVA箱变 8#-239.4KVA
梯道
W37
9m 7m
4.5m
7#-239.4KVA
35m
中段梁架平拼(1只)
试验办公
15m
中段梁架堆场
15m
中段梁架堆场
其变形分析如下： 壳体由中心环梁和148榀梁架组成。其中长轴梁架102榀，按短
轴对称分布在东、西两侧；短轴梁架46榀，相对于长轴，北边分布 32榀，南边分布16榀。由于短轴梁架及屋面覆盖自重均较长轴梁架 及覆盖层自重大。因而壳体结构按短轴对称分布，按长轴不对称分 布。按变形计算结果，结构自重引起的变形量比较大，并通过结构 安装过程逐步累积，是壳体变形的主要因素。结构自重引起的变形 见下面对照：
14.08t
10.40t
10.00t 10.00t
10.00t
A#-152KVA
36m
5.9121t.63t
35m
20m
5.1912.t12t
5.1912.t12t
歌剧院
R=50m,Q=11.36t
R=45m,Q=12.85t
R=40m,Q=14.71t
5.92t
R=35m,Q=17.14t R=30m,Q=20.00t
2.4 壳体预拼装和节点优化
2.4.1 壳体预拼装研究
北
4#出入口
9#-239.4KVA
10#-152KVA 人大锅炉房
人民大会
堂
西
侧
路
2#出入口
6#出入口
11#-239.4KVA 办公室
15m
10m 10m 15m
15m
35m
6m
上段梁架平拼(2只)
上上 段段
上段梁架平拼(2只)
梁梁 架架
堆堆
场场
上上上上上上 段段段段段段 梁梁梁梁梁梁 架源自架架架架 堆堆堆堆堆堆 场场场场场场
顶
环
辐射梁架
梁
系
A类梁架
主
要
构
件
图
解
箱梁
分段顶环梁
梁架 呈中心辐射状分布，共148榀，系 由两椭圆弧线构成的刚架，底宽约4米，顶宽约2 米，最大长度约98米。梁架分A、B两类。A类梁 架采用60mm厚钢板拼焊而成，B类梁架采用H型钢 焊接而成。梁架上端与顶环梁连接，下端坐落在 钢筋混凝土环梁上。
10
8.77t 5.92t 5.92t
5.9121t.63t
3#-239.4KVA
201
10m
36m
8.5m 10m
100m 13m 10m
R15
R20 CC2800
18m
10m
10
120° 10
2.8m
W01
E01
14.08t
10.40t
10.00t
13.87t 13.87t
10.20t 10.20t
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。
模型图
剖面图
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。
2. 施工工艺
2.1施工技术路线的确定
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
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170 mm。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。
第二步安装斜撑区
第三步安装梁架
第二
第三步安装梁架
工作区
第三步安装梁架
第三 工作区
第三步安装梁架
第二步安装斜撑区
第一
第一步安装顶环梁
工作区
第三步安装梁架
第五 工作区
第二步安装斜撑区
第三步安装梁架
第四 工作区
第三步安装梁架
第二步安装斜撑区
施工整体顺序流程图
2.2.3 施工机械选用
a. DEMAG CC2800（600t） 履带式起重机 1台
临2#-239.4KVA
8.77t 14.08t
中段梁架立拼(2只)
6m
中
30m
中段
中段梁
段 梁架
梁 架堆
架 堆场
堆场 场
3.5m
卡车通道
3.5m
3.5m
203
下段梁架立拼(2只)
下段梁架预拼场地
5.92t 8.77t
W61
10
6.32t
8.7175t.1t
中段梁架平拼(1只)
9m 下段梁架散件堆场
R=37.5m,Q=13.2t
上上上上上 中 中 段段段段段 段 段 梁梁梁梁梁 梁 梁 架架架架架 架 架 堆堆堆堆堆 堆 堆 场场场场场 场 场
3m 4m
10m
15m
5
15m
中
段
梁
架
4.5m
堆 场
上段梁架堆场 上段梁架平拼(2只)
上段梁架堆场 上段梁架堆场
上段梁架平拼(2只)
15m
35m
15m
35m
国家大剧院壳体钢结构施工关键技术
1.1 工程概况
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。
105..0902tt
150..9020tt
10.20t 10.00t
105..4902tt
14.08t 8.77t
30m
下段梁架预拼场地
卡车通道
下段梁架散件堆场 12m
14m 5m 5m 3m 5m
下段梁架立拼(2只)
上段梁架堆场 上段梁架堆场 上段梁架堆场
13.87t
上段梁架平拼(2只)
105..4902tt
1 3.42654 3.38917
2 3.57940 3.54033
3 3.71836 3.67817
表二：自振特性对照表
频率 (frequency) 预变形方案（法方） 预变形方案（中方）
1（Hz） 0.46559 0.46753
2（Hz） 0.55567 0.55886
3（Hz） 0.76054 0.76124
合理分段，减小构件长度。
中段梁架
上段梁架
下段梁架 梁架柱靴
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。
临时支撑（浪索）校正固定，保证梁架就位稳定。
拉索
拉索 混凝土圈梁
网架支撑
第一步
2.3 壳体预变形
2.3.1 壳体变形分析
壳体结构自重引起壳体变形是结构变形的主要矛盾。
a. 壳体在结构自重作用下：Z向（竖向）143 mm；X向83 mm；Y 向 20mm。与壳体结构分布状况对应，壳体顶部向南变形 83 mm。
b. 壳体在恒载作用下：Z向（竖向） 191mm；X向 98mm；Y向32 mm。与壳体结构分布状况对应，壳体顶部向南变形98mm。
2.3.2 壳体变形控制
18m
12#-239.4KVA
4.5m 5m 15m
20m
8m
8.771t5.1t
4m
6.53t
R=52.5m,Q=8.0t
E61
4m
4m 8.5m
5m
15m
中段梁架堆场
8m
35m
中段梁架平拼(1只)
15m
中段梁架堆场
15m
中段梁架堆场
1#-239.4KVA 8.5m 中段梁架平拼(2只)
35m
中段梁架堆场
A类梁架
B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
套筒节点
铸钢件节点
斜撑 分布在壳体平面正交轴的四个对角线上。 每个斜撑区分布范围为9个梁架节间。其作用是增 加壳体的稳定性。斜撑采用φ194×12mm钢管连接 节点采用插入钢板焊接。
6#-239.4KVA
2.4m
中段梁架堆场 中段梁架堆场 中段梁架堆场
15m
下段梁架预拼场地
下段梁架散件堆场
35m
5.5m
2#楼 停
1#楼 1600KVA 车 箱变 场
8.5m 4m
3#出入口
5#出入口
居
民
区
钢 结 构 分 部 堆 场
后
红
井 胡 同
居
民
区
2.2.2 吊装区域划分
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。
斜撑照片
斜
撑
节
斜撑区
点
北面 斜撑 变化
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。
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。
b. 行走式 M440D（600t·m）塔吊 二台
两台M440D(600t·m) 塔式起重机接55m起 重臂，位于壳体东、 西两侧行走，进行第 二、三、四作业区的 中、下段梁架节间及 柱靴吊装。
第二步安装斜撑区 第三步安装梁架 第三步安装梁架 第二步安装斜撑区
第三步安装梁架
第三步安装梁架
第二步安装斜撑区
第一步安装顶环梁 第三步安装梁架
第三步安装梁架 第三步安装梁架 第二步安装斜撑区
施工整体顺序流程图
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。
整个钢壳体的安装。
2.2 施工总体方案
2.2.1 施工总平面布置
施工总平面布置是以壳体为中心，分三块区域进行安排。 南、北两块，分别构件拼装区。其中北块设东、西二块拼装 地；南块设东、西、中三块拼装地。中间为吊装区。吊装区 及拼装区，分别在±0.000，-7.000，和-13.900的三个不同层 面上，最大高差达14m。在吊装区和拼装区周边地区，基坑7.000米标高处设置施工通道