2022年建筑行业国家体育场鸟巢)工程钢结构支撑塔架设计.docx

国度运动场〔鸟巢〕工程钢构造支持塔架打算封叶剑 曹峰 崔明芝 魏义进摘  要：本文要紧是对国度运动场主桁架装置进程中所运用的支持塔架的打算进程进展引见，并对支持塔架卸载进程中监测到的支持塔架应力情况进展剖析，从而总结出年夜吨位支持系统打算时应留意的征询题要害词：支持塔架、抗侧力系统、空间排架、格构式柱、应力比国度运动场为北京奥运会的主运动场，修建顶面呈马鞍型，年夜跨度屋盖支持于周边24根桁架柱上主桁架缭绕屋盖中间启齿呈喷射形安排，与桁架柱、顶面及破面次构造一同构成了“鸟巢〞的特别修建外型主桁架尽可以纵贯或濒临纵贯，并在中部构成由分段直线构成的内环，构件截面均为箱形截面，其空间地位庞杂多变，形体庞年夜、雅不雅1．支持安排及打算技巧前提国度运动场屋盖钢构造属年夜跨度空间巨型桁架构造，构架自重发生的内力所占比例较年夜按照钢构造装置施工构造打算，钢构造总体装置采纳分段吊装地面对接的方法〔也简称散装法〕施工，在构造施工进程中设置了78个支持点，支持点设置在主桁架上弦穿插节点的地位，如以下列图所示支持塔架打算的技巧前提起源于支持卸载剖析的后果，它给出了全体、分级同步的卸载进程中，各个支持点在各个卸载子步的反力情况。

统计此中每个点在一切步调中的最年夜反力确实是施加在支持塔架上的运用荷载同时，在桁架的装置进程中，尽管支持塔架所受的竖向力不在卸载进程中响应支持点最年夜反力年夜，但先内环、后外环的装置次序使得施工进程主桁架独破接受的风荷载特别年夜，并作为一个程度会合荷载施加在塔架的柱顶因此，主桁架在装置进程中所受的风荷载也是支持塔架受力剖析的一个操纵工况国度运动场的修建顶面呈双曲马鞍形，最高点高度为，最低点高度为如此的屋盖形状也决议其装置进程中的支持塔架的顶面全体形状也呈马鞍形、塔架高，这是支持打算的又一技巧前提2．系统选型支持塔架的柱身选用3×3m格构柱，为进步支持塔架的全体刚度跟波动性，在支持塔架的顶部设置程度支持系统，支持系统仍采纳格构式桁架构造为进步程度支持系统的抗扭刚度，在其角部地区设置隅撑，支持塔架的柱足与根底采纳刚接按照主构造的装置打算，将全体支持塔架分红四年夜块，是非轴各两个区块，并将这四区块一切支持塔架连成全体那个打算契合主桁架装置、构成自受力系统的进程，打算如以下列图所示：2．1　支持塔架跟柱顶系杆桁架为便利现场加工、制造跟装置，进步其经济性，支持塔架跟柱顶系杆桁架的打算均采纳标准段模数化的方法。

支持塔架的柱肢采纳螺旋焊管，程度腹杆采纳双角钢十字形安排为浪费钢材支持塔架的歪腹杆采纳X形穿插系统腹杆，打算时只思索其受拉不思索其受压，其截面型式采纳角钢为进步支持塔架的柱身的抗扭刚度，在每节标准段的两头跟中间地区设置穿插横隔，穿插横隔的截面采纳角钢柱顶系杆桁架的打算方法与支持塔架全然一样2．2　抗侧力系统的构成本支持塔架要紧思索的程度侧力为风荷载除支持塔架本身及柱顶系杆桁架需抵御风荷载外，要紧思索支持于塔架塔身上的主桁架受风感化主桁架轴线高12m，上、上弦杆多为1000×1000mm的箱形梁，腹杆为600×600mm的箱形梁主桁架受风面年夜，处在地面，受风感化敏感为加强各支持塔架全体协同抗风的才能，在各支持塔架顶部设置格构式柱顶系杆作为程度支持系统别的，为进步全体构造柱顶破体支持零碎的抗扭刚度，在角部地区设置隅撑盘算剖析说明，上述构造的全体任务濒临于空间排架构造，支持塔架的受力与悬臂柱类似，为进步全体构造的抗侧才能，双方面添加支持塔架强度跟刚度是远远不敷的，也是极不经济的，因此，为通报侧向风载，需进一步采纳其余方法，构成全体构造的抗力系统按照现场前提，施工时可在中圈跟外圈的支持塔架顶部设置双向缆风用以通报屋盖主桁架所受风载，内圈支持塔架所受屋盖主桁架的风载由全体构造通报，此为打算一。

别的，按照现场前提在支持塔架的局部地位与主体看台构造进展衔接，债主体看台构造的程度刚度进步支持塔架的全体抗侧才能，此为打算二详细施行时也可将两打算结合起来，添加额定的平安储藏3．打算盘算讲演综上所述，上述全体构造中，支持塔架柱的盘算跟打算是要害中的要害，为此盘算时采纳两种盘算打算打算一，支持塔架作为单根悬臂柱进展盘算剖析，作为强化支持塔架打算的手腕打算二，按上述两种抗侧力系统进展无限元的全体盘算剖析3．1　支持塔架按单根悬臂柱的盘算剖析3．1．1　荷载工况按照对支持打算技巧前提的剖析，支持打算、剖析要紧分两个施工阶段来思索：主桁架装置阶段、主桁架合拢后的卸载阶段，两个阶段的操纵荷载各纷歧样思索到支持塔架实践任务中的庞杂性，偏平安思索盘算模子选用单根悬臂格构柱方式，其余局部的构造方法作为全体支持塔架零碎的附加平安储藏支持塔架为四肢组及格构式柱，截面尺寸为3m×3m，柱高为〔1〕竖向荷载感化于支持塔架柱顶的最年夜垂直荷载打算值P：3000.0kN〔取装置进程跟卸载阶段各步调中的最年夜值〕，感化点沿格构柱对角线偏向距核心最年夜公平距为539mm，按活荷载思索打算时思索由施工进程中实践地位的偏向，公平距添加±10%。

支持塔架自重力打算值D：580.420kN〔2〕温度荷载由于支持塔架系统不是温度敏感构造，塔架打算不思索温度效应；〔3〕地动荷载由于施工进程接着的时刻长久，故支持塔架打算不思索地动感化；打算一：缆风抗侧力系统，盘算时外圈跟中圈主桁架所受风载由缆风绳接受，内圈由支持塔架全体系统接受打算二：借助看台抗侧力系统，按照现场前提在支持塔架的局部地位与主体看台构造进展衔接，进步支持塔架的全体抗侧力才能外圈、中圈及内圈主桁架所受风载均由支持塔架全体系统通报至塔基跟看台〔2〕打算一盘算剖析剖析盘算后果，可以得出以下论断：全体塔架构造是平安的，其主体主要杆件材料应力比约为50%~70%〔图中0.5地点示〕，局部主要杆件材料应力比约为70%~90%〔图中0.7地点示〕，少局部杆件材料应力比超越90%〔图中0.9地点示〕此中超应力比局部的杆件要紧是支持塔架跟柱顶系杆X型穿插腹杆，按构造退步实际，受压的歪腹杆在其压应力到达临界应力后参加任务，剩余程度力由拉杆接着接受按照上述MODE—A区杆件材料应力比的情况，岂但说明塔架全体构造是平安的，同时也说明白其打算的经济合感性装置阶段跟卸载阶段其程度变位的法那么全然一样，但装置阶段的变位绝对较年夜，究其缘故，卸载阶段屋盖钢构已构成全体构造，其本身已存在抗风才能，主桁架的风载不再由支持塔架接受跟通报。

装置阶段柱顶X向程度最年夜变位约为，Y向程度最年夜变位约为，约为支持塔架高度1/1436，契合打算预期恳求这里需求说明的是在实践的构造中，实践变形要比盘算值年夜缘故之一，盘算时柱足按三向束缚结实铰接思索，而实践上柱足与塔基局部通过螺栓衔接，局部通过预埋件的锚筋与塔基衔接，此两者的截面与柱足截面比拟小得特别多，柱足与塔基衔接实践上为弹性束缚，因此柱顶实践位移较盘算值会有所增年夜缘故之二，支持塔架跟柱顶系杆X型穿插腹杆中受压的歪腹杆在其压应力到达临界应力后参加任务，也会使柱顶实践位移较盘算值会有所增年夜别的，X向跟Y向得程度变位全然一样，说明支持塔架跟柱顶系杆构成的全体构造的框架感化并不清楚，支持塔架在两个偏向的受力更濒临于悬臂柱的任务方法，构造的全体任务更濒临于空间排架构造杆件轴力说明，装置阶段轴力的变更梯度绝对较年夜，局部支持塔架柱肢有拉力呈现，究其缘故，一方面装置阶段主桁架的风载需由支持塔架接受跟通报，另一方面卸载阶段竖向轴力也绝对较年夜别的，盘算后果也说明支持塔架柱顶系杆的弦杆轴力特别小，这就从另一方面说明支持塔架跟柱顶系杆构成的全体构造的框架感化并不清楚究其全然的缘故在于打算时柱顶系杆的弦杆截面绝对较小，在柱顶节点地区的弯矩调配平分得弯矩也小特别多，全体框架构造更类似于排架构造进展任务。

综上所述，柱足的打算跟盘算显得分外主要抗拔验算时，竖向荷载偏平安思索按900kN取值，即竖向荷载中的D3工况，荷载分向系数按1.0取值柱足最年夜抗拔力为715kN，柱足最年夜压力为1380kN，据此可对现有柱足的埋件跟地足螺栓进展强度复核跟加固处置〔3〕打算二盘算后果〔4〕打算二盘算剖析剖析盘算后果，可以得出以下论断：全体塔架构造是平安的，其杆件材料应力比的法那么与打算一全然类似的装置阶段跟卸载阶段其程度变位与打算一有所差异，其要紧特色是外圈支持塔架柱顶变位较为会合装置阶段柱顶X向程度最年夜变位约为，Y向程度最年夜变位约为，约为支持塔架高度1/1374杆件轴力说明，外圈支持塔架轴力散布的法那么变更较年夜，其缘故在于外圈支持塔架与看台衔接后构成新的程度荷载通报道路，其柱肢轴力呈现拉压变更景象，伴有反弯点呈现柱足最年夜抗拔力为747kN，柱足最年夜压力为1479kN据此可对现有柱足的埋件跟地足螺栓进展强度复核跟加固处置3．3　打算二添加的程度束缚支座反力剖析打算时，在标高为处的外圈4个支持塔架格构柱的分肢与看台衔接地位设置X、Y两个偏向的程度束缚分不取抗拔验算荷载组合X、Y两个偏向〔COM5跟COM6〕的荷载感化下的支座反力进展剖析：通过比拟剖析，可得出如下论断：〔1〕抗拔验算X正向荷载组合〔COM5〕感化下新增支座的反力占全体支座反力的比值-4037.7-4681.7×100%=86.2%，添加的支座接受跟通报了年夜局部的程度荷载，新增支座得成效较高；〔2〕抗拔验算Y正向荷载组合〔COM6〕感化下新增支座的反力占全体支座反力的比值-2629.9-3878.3×100%=67.8%，添加的支座在Y偏向接受跟通报得程度力的成效相关于X偏向的效力较低，其缘故在于添加的程度束缚处于外圈支持塔架，而外圈支持塔架位于支持塔架区块的边沿。

4．支持典范部位打算图4．1　支持标准节打算图由于外圈、中圈的支持塔架柱肢采纳D529×12钢管，支持标准节共分三种：内圈12m长D609×12，中圈12m长D529×12，外圈6m长D529×12，在此仅引见D609×12标准节塔架，其余作法类似12m塔架柱肢中间钢管对接采纳法兰衔接，讨论按照等强原那么打算，采纳20M22高强螺栓衔接，每间隔两颗法兰螺栓设置一块节点加劲板为加强其惯性矩，程度、穿插腹杆采纳L125×8的双角钢，且呈十字安排，标准节两头设置穿插横隔〔见3—3〕为增加程度腹杆与歪腹杆订交处节点板巨细，腹杆订交点往内公平150mm4．2　支持柱头打算图在支持卸载进程，支持点的单点受力较年夜，最年夜达300t因此，支持柱头的打算特不要害4．3　支持柱足节点打算图柱足先期埋设的螺杆间距偏小，数目少，思索到主桁架装置进程中所受的程度荷载年夜，柱足抗拔恳求高，支持塔架每根柱肢在核心添加4颗化学锚栓，带底板跟十字形插板的底座先跟8颗螺栓拔紧后，再将支持塔架柱肢插进，最初跟底板及十字插板焊接成全体4．4　连络桁架打算图格构式连络桁架的程度轴线尺寸为3m，竖向轴线尺寸按照塔架标准节的尺寸取。

连络桁架长度偏向的标准段模数为3m一挡，即桁架长度偏向每隔3m设置一根竖向腹杆由于连络桁架是非纷歧，加上桁架与支持塔架柱肢对接角度纷歧，每榀连络桁架减标准段后的遗留长度纷歧，通过调剂连络桁架端头的节点板及过渡弦杆长度，可保障连络桁架的规格满意恳求连络桁架标准模数段局部端头用D325×8封边，同时也加强端头与塔架柱肢的衔接5．卸载时支持塔架应力监测卸载时，为保障平安采纳DGK—4000系列振弦丈量装备对支持塔架进展了应力监测，按照卸载的施工进程模拟盘算，选择了3个最倒霉支持塔架进展了应力及时监测振弦式应变计安排在支持塔架的底部，间隔支座500mm。