PAGEPAGE14國家體育場（鳥巢）工程鋼結構支撐塔架設計封葉劍

曹峰

崔明芝

魏義進摘

要：本文主要是對國家體育場主桁架安裝過程中所使用的支撐塔架的設計過程進行介紹，并對支撐塔架卸載過程中監(jiān)測到的支撐塔架應力情況進行分析，從而總結出大噸位支撐體系設計時應注意的問題。

關鍵詞：支撐塔架、抗側力體系、空間排架、格構式柱、應力比國家體育場為2008年北京奧運會的主體育場，建筑頂面呈馬鞍型，大跨度屋蓋支撐于周邊24根桁架柱上。主桁架圍繞屋蓋中間開口呈放射形布置，與桁架柱、頂面及立面次結構一起形成了“鳥巢”的特殊建筑造型。主桁架盡可能直通或接近直通，并在中部形成由分段直線構成的內環(huán)，構件截面均為箱形截面，其空間位置復雜多變，形體宏大、美觀。

1．支撐布置及設計技術條件

國家體育場屋蓋鋼結構屬大跨度空間巨型桁架結構，構架自重產生的內力所占比例較大。根據(jù)鋼結構安裝施工組織設計，鋼結構總體安裝采用分段吊裝高空對接的方法（也簡稱散裝法）施工，在結構施工過程中設置了78個支撐點，支撐點設置在主桁架下弦交叉節(jié)點的位置，如下圖所示。

支撐塔架設計的技術條件來源于支撐卸載分析的結果，它給出了整體、分級同步的卸載過程中，各個支撐點在各個卸載子步的反力情況。統(tǒng)計其中每個點在所有步驟中的最大反力就是施加在支撐塔架上的使用荷載。

同時，在桁架的安裝過程中，雖然支撐塔架所受的豎向力沒有在卸載過程中相應支撐點最大反力大，但先內環(huán)、后外環(huán)的安裝順序使得施工過程主桁架獨立承受的風荷載很大，并作為一個水平集中荷載施加在塔架的柱頂。因此，主桁架在安裝過程中所受的風荷載也是支撐塔架受力分析的一個控制工況。

國家體育場的建筑頂面呈雙曲馬鞍形，最高點高度為69.1m，最低點高度為40.7m。這樣的屋蓋外形也決定其安裝過程中的支撐塔架的頂面整體外形也呈馬鞍形、塔架高，這是支撐設計的又一技術條件。

2．體系選型

支撐塔架的柱身選用3×3m格構柱，為提高支撐塔架的整體剛度和穩(wěn)定性，在支撐塔架的頂部設置水平支撐體系，支撐體系仍采用格構式桁架結構。為提高水平支撐體系的抗扭剛度，在其角部區(qū)域設置隅撐，支撐塔架的柱腳與基礎采用剛接。根據(jù)主結構的安裝方案，將整體支撐塔架分成四大塊，長短軸各兩個區(qū)塊，并將這四區(qū)塊所有支撐塔架連成整體。這個方案符合主桁架安裝、形成自受力體系的過程，方案如下圖所示：

2．1支撐塔架和柱頂系桿桁架

為方便現(xiàn)場加工、制作和安裝，提高其經(jīng)濟性，支撐塔架和柱頂系桿桁架的設計均采用標準段模數(shù)化的方式。支撐塔架的柱肢采用螺旋焊管，水平腹桿采用雙角鋼十字形布置。為節(jié)約鋼材支撐塔架的斜腹桿采用X形交叉體系腹桿，設計時只考慮其受拉不考慮其受壓，其截面型式采用角鋼。為提高支撐塔架的柱身的抗扭剛度，在每節(jié)標準段的兩端和中間區(qū)域設置交叉橫隔，交叉橫隔的截面采用角鋼。柱頂系桿桁架的設計方式與支撐塔架基本相同。

2．2抗側力體系的形成

本支撐塔架主要考慮的水平側力為風荷載。除支撐塔架自身及柱頂系桿桁架需抵抗風荷載外，主要考慮支撐于塔架塔身上的主桁架受風作用。主桁架軸線高12m，上、下弦桿多為1000×1000mm的箱形梁，腹桿為600×600mm的箱形梁。主桁架受風面大，處在高空，受風作用敏感。為增強各支撐塔架整體協(xié)同抗風的能力，在各支撐塔架頂部設置格構式柱頂系桿作為水平支撐體系。另外，為提高整體結構柱頂平面支撐系統(tǒng)的抗扭剛度，在角部區(qū)域設置隅撐。計算分析表明，上述結構的整體工作接近于空間排架結構，支撐塔架的受力與懸臂柱類似，為提高整體結構的抗側能力，單方面增加支撐塔架強度和剛度是遠遠不夠的，也是極不經(jīng)濟的，因此，為傳遞側向風載，需進一步采取其他措施，形成整體結構的抗力體系。

根據(jù)現(xiàn)場條件，施工時可在中圈和外圈的支撐塔架頂部設置雙向纜風用以傳遞屋蓋主桁架所受風載，內圈支撐塔架所受屋蓋主桁架的風載由整體結構傳遞，此為方案一。另外，根據(jù)現(xiàn)場條件在支撐塔架的部分位置與主體看臺結構進行連接，借主體看臺結構的水平剛度提高支撐塔架的整體抗側能力，此為方案二。具體實施時也可將兩方案結合起來，增加額外的安全儲備。

3．設計計算報告

綜上所述，上述整體結構中，支撐塔架柱的計算和設計是關鍵中的關鍵，為此計算時采取兩種計算方案。方案一，支撐塔架作為單根懸臂柱進行計算分析，作為強化支撐塔架設計的手段。方案二，按上述兩種抗側力體系進行有限元的整體計算分析。

3．1支撐塔架按單根懸臂柱的計算分析

3．1．1荷載工況

根據(jù)對支撐設計技術條件的分析，支撐設計、分析主要分兩個施工階段來考慮：主桁架安裝階段、主桁架合攏后的卸載階段，兩個階段的控制荷載各不相同?？紤]到支撐塔架實際工作中的復雜性，偏安全考慮計算模型選用單根懸臂格構柱模式，其余部分的構造措施作為整體支撐塔架系統(tǒng)的附加安全儲備。支撐塔架為四肢組合格構式柱，截面尺寸為3m×3m，柱高為48.380m。

（1）豎向荷載

作用于支撐塔架柱頂?shù)淖畲蟠怪焙奢d設計值P：3000.0kN（取安裝過程和卸載階段各步驟中的最大值），作用點沿格構柱對角線方向距中心最大偏心距為539mm，按活荷載考慮。設計時考慮由施工過程中實際位置的偏差，偏心距增加±10%。

支撐塔架自重力設計值D：580.420kN

（2）溫度荷載

由于支撐塔架體系不是溫度敏感結構，塔架設計不考慮溫度效應；

（3）地震荷載

由于施工過程持續(xù)的時間短暫，故支撐塔架設計不考慮地震作用；

方案一：纜風抗側力體系，計算時外圈和中圈主桁架所受風載由纜風繩承受，內圈由支撐塔架整體體系承受。

方案二：借助看臺抗側力體系，根據(jù)現(xiàn)場條件在支撐塔架的部分位置與主體看臺結構進行連接，提高支撐塔架的整體抗側力能力。外圈、中圈及內圈主桁架所受風載均由支撐塔架整體體系傳遞至塔基和看臺。

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