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国家体育馆钢屋盖工程支撑架设计

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    黄明鑫 徐建设 娄卫校 崔嵬

    摘要：国家体育馆是2008北京奥运中心区三大主场馆之一，受高空拼装、双向索穿索、累积滑移等施工工艺影响，其支撑架体系的设计具有一定特色，本文对该工程的拼装平台支撑架、滑道支撑架和滑移胎架的设计进行介绍。
    关键词：支撑架；标准支撑架；滑移；拼装
    1. 引言
    1.1 工程概况
    国家体育馆位于北京奥林匹克公园南部，与国家体育场(鸟巢)、国家游泳中心(水立方)共同组成奥运中心区三大主场馆。总建筑面积约为81000平方米，是奥运会体操、手球，残奥会轮椅篮球的比赛馆，是一座具有国际先进水平的大型多功能体育馆。

    本工程钢屋盖分比赛区和热身区两部分，见图1，本文仅讨论比赛区部分，其平面布置如图2。本工程的支撑架体系在设计方面存在着如下特点：
    ⑴荷载较大：钢屋盖总重约2500吨，一个支撑架承受的竖向荷载超过1000kN；
    ⑵影响因素多：高空拼装、滑移、穿索、张拉等施工工艺对支撑架体系的设计都有较大影响；
    ⑶与下部混凝土看台混凝土结构联系密切，支撑架与看台混凝土梁、板、柱均有联系。
    1.2 支撑架体系的组成
    支撑架体系的总体布局见图3。在东侧看台Q~P轴对应纵向桁架设计位置8.5m宽，搭设两榀桁架拼装平台支撑架，在P~N轴设8.5m宽的辅助平台，因此共计在Q~N轴间共搭设合计为17m的拼装平台，平台下部为满堂脚手架。在10、13、16、19和22轴设置五个短滑道，撑杆和索在M轴位置附近安装。纵向支撑架中心位置分别为Q、P、N轴线往西偏2.0m。
    在南北7轴和24轴框架梁和框架柱上铺设滑道，滑道顶面与支痤顶面相平；在纵向跨中16轴处搭建滑道支撑架，高度24.5m。滑道支撑架上部为两条滑道，间距3m。滑道上部为滑移胎架，高度12m。纵向桁架下弦节点置于滑移胎架上进行滑移。在10轴、13轴、16轴、19轴和22轴的拼装平台支撑架顶部铺设长17m短滑道。

    由上述介绍可以看出，本工程支撑架体系由四大部分组成：拼装平台支撑架；滑道支撑架；滑移胎架；脚手架。限于篇幅，本文仅介绍前三部分。这三个部分在设计时均考虑采用标准支撑架，以每6m为一标准节，全部采用螺栓和法兰连接。基本截面为2m×2m，可在施工中根据需要随意组合，任意扩展。支撑架所有组件均由圆管构成。需要拼接时在高空采用法兰连接，逐层加高。
    2. 拼装平台支撑架设计
    2.1 拼装平台支撑架的组成

    拼装平台支撑架的平面布置图见图4，剖面见图5。支撑架全部采用2m×2m标准支撑架，横向支撑架间距均为8.5m，纵向支撑架间距25.5m，部分与下部看台混凝土柱或梁对应，柱顶埋设预埋件，另一部分直接由地面支撑。支撑架之间在纵向设联系桁架，在横向设连梁进行拉结，整个拼装平台支撑架形成一空间桁架结构。

    2.2 计算分析及结果
    按空间杆系结构，采用Sap2000进行有限元分析，支撑架、水平联系桁架和联系梁、顶部短滑道均建入模型。约束情况为：支撑架底部视为固定铰支座，支撑架顶部与劲性混凝土柱连接处施加水平约束，支撑架与混凝土梁板连接处亦施加约束。
    模型中考虑如下荷载：
    恒载：各杆件自重由程序自动考虑；
    活载：
    ⑴拼装平台支撑架顶部的集中荷载按滑移过程中各支撑架可能出现的最大竖向力考虑；
    ⑵水平联系桁架和联系梁处考虑一定的施工或荷载(施工活荷载一般通过满堂脚手架传递，不传给支撑架体系)；
    风荷载：基本风压w0=0.3kN/m2，其余按荷载规范予以考虑；
    不考虑地震作用。

    模型简图见图6，由图7的计算结果表明91％的杆件的综合应力比小于0.5，其余杆件应力比亦一般超过0.7，超过0.7的有12根，但均小于0.85，完全满足强度要求。
    变形计算亦表明拼装平台支撑架体系可以满足刚度要求。
    3. 滑道支撑架设计
    3.1 滑道支撑架的组成
    滑道支撑架位于16轴，滑移过程中上部结构通过滑靴把力传到滑道轨道，然后传到滑道支撑架。滑道采用H800×500×16×20型钢组成的平面桁架轨道，其下部的滑道支撑架采用2m×4m(由两个2m×2m基本单元横向拼接组成)标准支撑架。
    由于轨道支撑架比较高，最高为24.5m，所以在两榀支撑架中间部位增加一道联系桁架，同时采用交叉拉杆连接。此外，在面外方向设置缆风绳，以增加整个支撑架的稳定性。
    3.2 滑道支撑架的计算分析
    有限元模型见图8，分析时考虑如下荷载：
    （1）恒载：滑道桁架和滑道支撑架的自重由程序自动考虑；
    （2）活载：
    竖向力：滑移过程中滑靴传到轨道梁的集中荷载。通过滑移过程的计算分析可以求出滑移过程中各个步骤从滑靴传到轨道梁的竖向集中荷载。
    水平力：由于在滑移过程中，滑靴与轨道接触面存在滑动摩擦力（摩擦系数为0.2），所以在滑移过程中滑靴除了给轨道竖向力，还会由于之间的摩擦产生水平力，水平力的大小根据竖向力的大小乘以系数0.2得到。另外再考虑滑移启动或刹车时由水平加速度引起的水平力，取竖向力的0.1倍。由于滑移施工中可能的各种不可预知因素，轨道梁也将承受垂直滑移方向的水平力，计算分析中将竖向力的5％作为垂直轨道梁方向的水平力作用于滑道上。
    施工活荷载：轨道梁施工活荷载大部分传给下部脚手架，仅部分传给滑道桁架，按2kN/m2考虑。
    （3）风荷载
    基本风压w0=0.3kN/m2，风载体型系数、高度系数等按荷载规范取值。

    从图9的计算结果可知，滑道支撑架在滑移施工过程中，79％杆件综合应力小于0.5，杆件综合应力比过0.8的占1％，但都小于0.9，整个结构在滑移施工过程处于安全状态，可以保证施工的安全进行。
    4. 滑移胎架设计
    4.1 滑移胎架的组成

    滑移胎架采用2m×2m标准支撑架，与其他支撑架的位置关系见图10，为加强各榀滑移胎架之间的联系，在胎架中部、上部和下部各设置通常联系桁架以及交叉支撑。
    4.2 滑移胎架的计算分析

    计算模型见图11(图中仅表示了滑出前四榀滑移胎架的情况，其余情况未在图中表示)，模型包括图中同时给出了其竖向荷载简图。滑移胎架所承受的竖向荷载为滑移桁架传给胎架的竖向力，此外，本模型在滑移胎架顶部还考虑了以下水平荷载：
    ⑴滑移方向的水平荷载：滑移胎架顶部与桁架下弦节点间在滑移开始时因水平加速度引起的水平力，取竖向荷载的0.1倍(水平加速度按0.1g考虑)；
    ⑵垂直于滑移方向的水平荷载：考虑滑移过程中的各种不可预知因素，在该方向考虑的水平力为竖向荷载的0.05倍；
    ⑶风荷载
    由图12的计算结果可知，滑移胎架在滑移施工过程中，89%的杆件综合应力比小于0.5，其余杆件应力比基本小于0.8(仅一根杆件超过0.8，但小于0.9)，整个滑移胎架结构在滑移施工过程有足够的安全余量，可以保证施工的安全进行。
    同时变形计算表明，胎架顶部的最大水平位移为15.0mm，由此引起的位移角为15.0/12000=1/800，满足规范要求。
    5. 结论
    通过对国家体育馆钢结构工程支撑架体系的设计，可以得出以下结论：
    ⑴所有支撑架采用了本公司自行设计的标准支撑架体系，在本工程完成后可在以后的工程中重复利用，这样一来不仅可以最大限度的节省社会资源，而且可以充分发挥资源优势，达到对资源的最佳利用，同时这也是“绿色奥运”精神的体现；
    ⑵有限元分析结果表明拼装平台支撑架、滑道支撑架和滑移胎架体系均满足滑移施工过程中强度、刚度和稳定要求；
    ⑶对滑移胎架的刚度和稳定性进行了适当加强；
    ⑷本工程支撑架体系的设计施工具有一定特色，可参考应用于其他滑移施工项目。

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