國家體育場鋼屋蓋結(jié)構(gòu)制作與安裝

國家體育場鋼屋蓋結(jié)構(gòu)制作與安裝

1雙向張弦桁架結(jié)構(gòu)國家體育中心是北京奧運會中心的三個主要體育中心之一，占地面積約81000米。奧運會的體操和水平球的康樂以及奧賽比賽。這是一個國際先進的多功能體育中心。體育館屋蓋采用了造型新穎、結(jié)構(gòu)先進的超大跨度(114m×144.5m)空間結(jié)構(gòu)體系—雙向張弦空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系。為了充分體現(xiàn)節(jié)儉辦奧運的精神,在最大限度滿足建筑功能使用和造型要求的前提下,做到結(jié)構(gòu)體系先進合理、安全可靠、經(jīng)濟美觀。建成后將成為目前國內(nèi)外同類結(jié)構(gòu)中跨度最大的雙向張弦桁架結(jié)構(gòu),尚無國內(nèi)外的先例。鋼屋蓋結(jié)構(gòu)形式為單曲面、雙向張弦桁架鋼結(jié)構(gòu),上弦為正交正放的平面桁架;下弦預應力張拉索,穿過鋼撐桿下端的雙向索夾節(jié)點,形成雙向空間張拉索網(wǎng)。桁架兩端通過周邊較均勻分布的角部8個三向固定球鉸支座、6個兩向可動球鉸支座和70個單向滑動球鉸支座支承在鋼筋混凝土勁性柱頂。體育館由比賽區(qū)(主館)、熱身區(qū)(副館)、外圍附屬用房、地下車庫,四個功能區(qū)組合而成。結(jié)構(gòu)體系。比賽區(qū)屋蓋結(jié)構(gòu)的下弦每跨橫向(114rn)和大部分縱向(144.5m)布置鋼索,通過中間的撐桿與上層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)共同形成了具有一定豎向剛度和豎向承載能力的受力結(jié)構(gòu),以此構(gòu)成了屋蓋的整體空間結(jié)構(gòu)體系。屋蓋結(jié)構(gòu)的下弦橫向9～22軸共14榀和縱向E～M軸共8榀布置鋼索,縱向兩側(cè)邊5榀桁架不布索、橫向側(cè)邊各2榀不布索,索分為上下兩層,縱索在上采用單索,橫索在下為雙索。撐桿上端與桁架結(jié)構(gòu)的下弦采用萬向球鉸節(jié)點連接、下端與索采用夾板節(jié)點連接。撐桿為圓管,截面為219mm×12mm。撐桿的最大長度為9.248m。鋼索采用擠包雙護層大節(jié)距扭絞型纜索。索端與鋼結(jié)構(gòu)相連處設(shè)計為鑄鋼節(jié)點。受力特點。本工程雙向張弦桁架兼具雙向交叉桁架與預應力結(jié)構(gòu)的特征:桁架四邊支承,縱橫向邊長比為1.26,屬典型的空間雙向傳力體系,可比擬為雙向板結(jié)構(gòu)。內(nèi)力分布特點為:板跨中彎矩大,支座處彎矩小;短邊橫向傳力大,長邊縱向傳力小:角部及附近支座因整體結(jié)構(gòu)的位移協(xié)調(diào)而處于受拉狀態(tài)。鋼索預應力值從中央向兩邊逐步遞減,索截面及預應力值分布與正交正放桁架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布特點相吻合。張弦索縱向矢跨比為1/15.6,橫向矢跨比為1/12.3,張弦索對桁架整體結(jié)構(gòu)具有平衡結(jié)構(gòu)自重、增強抗彎能力,提高結(jié)構(gòu)剛度、減小結(jié)構(gòu)豎向變形的雙重作用。結(jié)構(gòu)性能大為改善,結(jié)構(gòu)角部支座拉力降低。結(jié)構(gòu)屬于具有負曲率的剛性屋蓋,張拉過程中索的面外恢復力大于干擾力,張拉過程索力的平衡是穩(wěn)定的,張拉過程安全可控。張弦桁架為受力自相平衡的空間結(jié)構(gòu),柱頂支座僅起到豎向支撐作用。在索張拉過程中,允許結(jié)構(gòu)在支座處有水平位移,避免預應力傳遞到混凝土柱頂。在預應力張拉結(jié)束后,為控制鋼結(jié)構(gòu)的整體扭轉(zhuǎn)剛體位移,8個支座轉(zhuǎn)變?yōu)槿蚬潭ㄇ蜚q支座。2工程重點和難點分析2.1節(jié)點連接構(gòu)造支座節(jié)點:為支撐頂部鋼屋蓋結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)的8個角點為三向固定球鉸支座,6個兩向滑動球鉸支座,其余邊界為單向滑動球鉸支座,共70個?？傆嬛ё鶠?4個。桁架上弦網(wǎng)格節(jié)點:桁架上弦網(wǎng)格多管相連的節(jié)點很多且形式復雜,上弦采用鋼管與焊接球相貫連接及鋼管與鋼管相貫連接。焊接球節(jié)點截面范圍為D500X18—D700X24之間,直徑大于600mm時采用碗形節(jié)點(球缺)。桁架下弦鑄鋼節(jié)點:下弦節(jié)點最多達11根桿件相連,8根下弦矩形管和5根圓鋼管腹桿相互連接,節(jié)點處內(nèi)力復雜,相應內(nèi)部構(gòu)造相當復雜,因此采用鑄鋼節(jié)點。索撐桿上下端節(jié)點:撐桿上端與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的下弦采用萬向球鉸節(jié)點連接、下端與索采用夾板節(jié)點連接。萬向球鉸節(jié)點為機加工件,索夾節(jié)點為鍛件,索端節(jié)點采用鑄鋼件。2.2裝配技術(shù)2.2.地面桁架拼裝根據(jù)本工程拼裝桁架高度近5m以及現(xiàn)場的施工條件,所有的地面桁架拼裝采用平臥拼裝,拼裝完后對整榀桁架的尺寸進行復核校正,然后進行焊接和UT檢測,符合要求后方可脫模。2.2.2縱向桁架下縱向桁架焊接為減少縱向桁架跨度大,變形過大造成的安裝誤差,在拼裝平臺上增設(shè)了五條短滑道,加上兩條邊滑道,共七個支點,保證縱向桁架的拼裝精度。為減少滑移出拼裝平臺后變?yōu)槿c支撐對后續(xù)次桁架拼裝精度的影響,拼裝平臺短滑道加上懸挑部分寬度近20m,保證滑移施工過程至少兩榀桁架在拼裝平臺上,保證次桁架的拼裝精度。2.3高空滑移胎架的安裝工程中采用的滑移胎架高度達12m;其單個滑移胎架承擔豎向荷載最大達1022kN;由于兩條邊滑道和滑移胎架所在的中滑道的頂標高不在同一水平面上,這樣滑移過程中,滑移胎架可能會有滑移方向平面外的水平分力,給滑移胎架的邊界條件的假定、計算分析、防側(cè)翻的構(gòu)造措施和連接節(jié)點處理帶來了困難。滑移施工過程中有8個滑移胎架的內(nèi)部同時有、縱橫向索從中穿過,這樣滑移胎架在高空組裝時必須散件拼裝;滑移胎架、縱橫索撐桿和索夾節(jié)點的安裝與桁架高空拼裝交叉作業(yè);滑移施工完成后,雙向索張拉使超高滑移胎架自動完成卸載;在滑移施工過程中,采用正弦式應變計進行應力監(jiān)控和全站儀進行變形雙控保證施工的安全。2.4縱橫索夾節(jié)點工程為114m×144.5m雙向超大跨度張弦桁架體系,在如此跨度的結(jié)構(gòu)體系中采用攜帶雙向索的滑移施工方法是首創(chuàng)。帶索滑移施工方法的特點如下:(1)累積滑移時既攜帶縱向索體,又攜帶橫向索體。(2)根據(jù)桁架整體剛度等情況可以選擇索體在滑移之前張拉或滑移之后張拉。在桁架整體剛度較差的情況下,可采用先張拉索或部分張拉索的方法,提高桁架在滑移施工過程中的剛度。(3)橫、縱向桁架的拼裝與索撐桿安裝、穿索工序同時進行,即撐桿和索體的安裝不單獨占用工期。(4)縱、橫索交叉處采用三段式雙向索夾節(jié)點。(5)撐桿頂端采用萬向轉(zhuǎn)動支座,撐桿安裝的雙向傾角需同時考慮張拉工序。2.5滑移施工過程的模擬模擬計算分析2.5.1結(jié)構(gòu)滑移分析屋蓋滑移過程結(jié)構(gòu)受力與設(shè)計狀態(tài)完全不一樣,整個結(jié)構(gòu)體系是個逐步建立的過程,存在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換,部分桿件受力特性可能發(fā)生改變,因此對施工過程中的若干關(guān)鍵工況需要進行計算,對可能發(fā)生的不利因素進行提前預警,以保證結(jié)構(gòu)施工的安全?；七^程中需要計算分析的內(nèi)容有:豎向變形計算分析;滑移過程側(cè)向位移計算分析;滑移過程桿件受力計算分析。2.5.2縱向索之間的滑動前四榀桁架滑移到位┅┅┅┅第十三步:滑移最后一步(按照上述步驟進行每榀桁架的滑移工作,當?shù)谒拈旒芑龆袒罆r穿縱向索,后面七榀有縱索的桁架同第四榀)。按照滑移方案的總體思路,采用有限元程序sAP2000(9.1.6版)的非線性階段施工對滑移過程作了上述的實時模擬,以便監(jiān)控滑移過程中結(jié)構(gòu)的變形情況、應力變化以及滑移過程中結(jié)構(gòu)對滑移軌道和拼裝胎架的影響。2.5.3主要結(jié)論與節(jié)點位移類似,桿件受力也是動態(tài)累積過程,下圖為結(jié)構(gòu)累積滑移過程中桿件綜合應力變化情況:2.6預測雙向過載張飛的雙重技術(shù)學校2.6.1拉索的安裝穿插作為雙向張弦結(jié)構(gòu)最重要的組成部分,預應力拉索張拉的技術(shù)工藝、雙向索分級張拉方案和應力與應變控制技術(shù)至關(guān)重要。預應力整體張拉方案:拉索的安裝穿插在鋼構(gòu)件的安裝過程中,縱、橫向拉索隨鋼結(jié)構(gòu)一起滑移,但拉索不張拉,僅預緊,預緊力為10%索張拉力。待比賽館屋蓋滑移就位,支座連接可靠,并與熱身館屋蓋連接后,開始張拉鋼索,對結(jié)構(gòu)施加預應力。預應力的施加分三級,第一級施加80%,第二級施加至設(shè)計應力,使預應力值及結(jié)構(gòu)的變形符合設(shè)計要求的狀態(tài),第三級根據(jù)張拉監(jiān)測結(jié)果對索體進行細微調(diào)整,調(diào)整到設(shè)計要求的索力。2.6.22.7區(qū)位和加載技術(shù)滑移采用直接就位,軌道通長布置,在滑移到位后,用液壓千斤項頂升支座。將滑動支座處軌道割除,安裝好滑動支座,桁架卸載就位。2.8變形測試與應力測試鑒于本工程的重要性及安裝施工過程的復雜性,施工全過程均進行應力變形測試。變形測試采用全站儀,應力測試采用振弦式應變傳感器,其輸出信息為頻率特征,不受導線長度的影響,靈敏度和穩(wěn)定性也較好,使用方便,而且所測數(shù)據(jù)為應變增量,特別適用于施工現(xiàn)場的跟蹤監(jiān)測。2.9滑移施工一體化設(shè)計由于當前國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)桁架質(zhì)量驗收標準主要是針對跨度小于60m的桁架制定的,由于本工程跨度為114m,遠大于規(guī)范制定時的標準,因此根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)專家、設(shè)計部門、總包單位、監(jiān)理單位和施工單位共