国家体育场(鸟巢)工程钢结构支撑塔架设计

国家体育场（鸟巢）工程钢结构支撑塔架设计

封叶剑曹峰崔明芝魏义进

摘要：本文主要是对国家体育场主桁架安装过程中所使用的支撑塔架的设计过程进行介绍,并对支撑塔架卸载过程中监测到的支撑塔架应力情况进行分析,从而总结出大吨位支撑体系设计时应注意的问题。

关键词：支撑塔架、抗侧力体系、空间排架、格构式柱、应力比

国家体育场为2020年北京奥运会的主体育场,建筑顶面呈马鞍型,大跨度屋盖支撑于周边24根桁架柱上。主桁架围绕屋盖中间开口呈放射形布置,与桁架柱、顶面及立面次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。主桁架尽可能直通或接近直通,并在中部形成由分段直线构成的内环,构件截面均为箱形截面,其空间位置复杂多变,形体宏大、美观。

1．支撑布置及设计技术条件

国家体育场屋盖钢结构属大跨度空间巨型桁架结构,构架自重产生的内力所占比例较大。根据钢结构安装施工组织设计,钢结构总体安装采用分段吊装高空对接的方法（也简称散装法）施工,在结构施工过程中设置了78个支撑点,支撑点设置在主桁架下弦交叉节点的位置,如下图所示。

支撑塔架设计的技术条件来源于支撑卸载分析的结果,它给出了整体、分级同步的卸载过程中,各个支撑点在各个卸载子步的反力情况。统计其中每个点在所有步骤中的最大反力就是施加在支撑塔架上的使用荷载。

同时,在桁架的安装过程中,虽然支撑塔架所受的竖向力没有在卸载过程中相应

支撑点最大反力大,但先内环、后外环的安装顺序使得施工过程主桁架独立承受的风荷载很大,并作为一个水平集中荷载施加在塔架的柱顶。因此,主桁架在安装过程中所受的风荷载也是支撑塔架受力分析的一个控制工况。

国家体育场的建筑顶面呈双曲马鞍形,最高点高度为69.1m,最低点高度为

40.7m。这样的屋盖外形也决定其安装过程中的支撑塔架的顶面整体外形也呈马鞍形、塔架高,这是支撑设计的又一技术条件。

2．体系选型

支撑塔架的柱身选用3×3m格构柱,为提高支撑塔架的整体刚度和稳定性,在支撑塔架的顶部设置水平支撑体系,支撑体系仍采用格构式桁架结构。为提高水平支撑体系的抗扭刚度,在其角部区域设置隅撑,支撑塔架的柱脚与基础采用刚接。根据主结构的安装方案,将整体支撑塔架分成四大块,长短轴各两个区块,并将这四区块所有支撑塔架连成整体。这个方案符合主桁架安装、形成自受力体系的过程,方案如下图所示：

2．1 支撑塔架和柱顶系杆桁架

为方便现场加工、制作和安装,提高其经济性,支撑塔架和柱顶系杆桁架的设计均采用标准段模数化的方式。支撑塔架的柱肢采用螺旋焊管,水平腹杆采用双角钢

十字形布置。为节约钢材支撑塔架的斜腹杆采用X形交叉体系腹杆,设计时只考虑其受拉不考虑其受压,其截面型式采用角钢。为提高支撑塔架的柱身的抗扭刚度,在每节标准段的两端和中间区域设置交叉横隔,交叉横隔的截面采用角钢。柱顶系杆桁架的设计方式与支撑塔架基本相同。

2．2 抗侧力体系的形成

本支撑塔架主要考虑的水平侧力为风荷载。除支撑塔架自身及柱顶系杆桁架需抵抗风荷载外,主要考虑支撑于塔架塔身上的主桁架受风作用。主桁架轴线高12m,上、下弦杆多为1000×1000mm的箱形梁,腹杆为600×600mm的箱形梁。主桁架受风面大,处在高空,受风作用敏感。为增强各支撑塔架整体协同抗风的能力,在各支撑塔架顶部设置格构式柱顶系杆作为水平支撑体系。另外,为提高整体结构柱顶平面支撑系统的抗扭刚度,在角部区域设置隅撑。计算分析表明,上述结构的整体工作接近于空间排架结构,支撑塔架的受力与悬臂柱类似,为提高整体结构的抗侧能力,单方面增加支撑塔架强度和刚度是远远不够的,也是极不经济的,因此,为传递侧向风载,需进一步采取其他措施,形成整体结构的抗力体系。

根据现场条件,施工时可在中圈和外圈的支撑塔架顶部设置双向缆风用以传递屋盖主桁架所受风载,内圈支撑塔架所受屋盖主桁架的风载由整体结构传递,此为方案一。另外,根据现场条件在支撑塔架的部分位置与主体看台结构进行连接,借主体看台结构的水平刚度提高支撑塔架的整体抗侧能力,此为方案二。具体实施时也可将两方案结合起来,增加额外的安全储备。

3．设计计算报告

综上所述,上述整体结构中,支撑塔架柱的计算和设计是关键中的关键,为此计算时采取两种计算方案。方案一,支撑塔架作为单根悬臂柱进行计算分析,作为强化支撑塔架设计的手段。方案二,按上述两种抗侧力体系进行有限元的整体计算分析。

3．1 支撑塔架按单根悬臂柱的计算分析

3．1．1 荷载工况

根据对支撑设计技术条件的分析,支撑设计、分析主要分两个施工阶段来考虑：主桁架安装阶段、主桁架合拢后的卸载阶段,两个阶段的控制荷载各不相同。考虑到支撑塔架实际工作中的复杂性,偏安全考虑计算模型选用单根悬臂格构柱模式,其余部分的构造措施作为整体支撑塔架系统的附加安全储备。支撑塔架为四肢组合格构式柱,截面尺寸为3m×3m,柱高为48.380m。

（1）竖向荷载

作用于支撑塔架柱顶的最大垂直荷载设计值P：3000.0kN（取安装过程和卸载阶段各步骤中的最大值）,作用点沿格构柱对角线方向距中心最大偏心距为539mm,按活荷载考虑。设计时考虑由施工过程中实际位置的偏差,偏心距增加±10%。支撑塔架自重力设计值D：580.420kN

（2）温度荷载

由于支撑塔架体系不是温度敏感结构,塔架设计不考虑温度效应；（3）地震荷载

由于施工过程持续的时间短暂,故支撑塔架设计不考虑地震作用；

方案一：缆风抗侧力体系,计算时外圈和中圈主桁架所受风载由缆风绳承受,内圈由支撑塔架整体体系承受。

方案二：借助看台抗侧力体系,根据现场条件在支撑塔架的部分位置与主体看台结构进行连接,提高支撑塔架的整体抗侧力能力。外圈、中圈及内圈主桁架所受风载均由支撑塔架整体体系传递至塔基和看台。

（2）方案一计算分析

分析计算结果,可以得出以下结论：

整体塔架结构是安全的,其主体重要杆件材料应力比约为50%~70%（图中0.5处所示）,局部次要杆件材料应力比约为70%~90%（图中0.7处所示）,少部分杆件材料应力比超过90%（图中0.9处所示）。其中超应力比部分的杆件主要是支撑塔架和柱顶系杆X型交叉腹杆,按结构退化理论,受压的斜腹杆在其压应力达到临界应力后退出工作,剩余水平力由拉杆继续承受。根据上述MODE—A区杆件材料应力比的情况,不但说明塔架整体结构是安全的,同时也说明了其设计的经济合理性。

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