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國家體育館鋼屋蓋工程支撐架設計

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    黃明鑫 徐建設 婁衛(wèi)校 崔嵬

    摘要：國家體育館是2008北京奧運中心區(qū)三大主場館之一，受高空拼裝、雙向索穿索、累積滑移等施工工藝影響，其支撐架體系的設計具有一定特色，本文對該工程的拼裝平臺支撐架、滑道支撐架和滑移胎架的設計進行介紹。
    關鍵詞：支撐架；標準支撐架；滑移；拼裝
    1. 引言
    1.1 工程概況
    國家體育館位于北京奧林匹克公園南部，與國家體育場(鳥巢)、國家游泳中心(水立方)共同組成奧運中心區(qū)三大主場館?？偨ㄖ娣e約為81000平方米，是奧運會體操、手球，殘奧會輪椅籃球的比賽館，是一座具有國際先進水平的大型多功能體育館。

    本工程鋼屋蓋分比賽區(qū)和熱身區(qū)兩部分，見圖1，本文僅討論比賽區(qū)部分，其平面布置如圖2。本工程的支撐架體系在設計方面存在著如下特點：
    ⑴荷載較大：鋼屋蓋總重約2500噸，一個支撐架承受的豎向荷載超過1000kN；
    ⑵影響因素多：高空拼裝、滑移、穿索、張拉等施工工藝對支撐架體系的設計都有較大影響；
    ⑶與下部混凝土看臺混凝土結構聯系密切，支撐架與看臺混凝土梁、板、柱均有聯系。
    1.2 支撐架體系的組成
    支撐架體系的總體布局見圖3。在東側看臺Q~P軸對應縱向桁架設計位置8.5m寬，搭設兩榀桁架拼裝平臺支撐架，在P~N軸設8.5m寬的輔助平臺，因此共計在Q~N軸間共搭設合計為17m的拼裝平臺，平臺下部為滿堂腳手架。在10、13、16、19和22軸設置五個短滑道，撐桿和索在M軸位置附近安裝?？v向支撐架中心位置分別為Q、P、N軸線往西偏2.0m。
    在南北7軸和24軸框架梁和框架柱上鋪設滑道，滑道頂面與支痤頂面相平；在縱向跨中16軸處搭建滑道支撐架，高度24.5m。滑道支撐架上部為兩條滑道，間距3m。滑道上部為滑移胎架，高度12m。縱向桁架下弦節(jié)點置于滑移胎架上進行滑移。在10軸、13軸、16軸、19軸和22軸的拼裝平臺支撐架頂部鋪設長17m短滑道。

    由上述介紹可以看出，本工程支撐架體系由四大部分組成：拼裝平臺支撐架；滑道支撐架；滑移胎架；腳手架。限于篇幅，本文僅介紹前三部分。這三個部分在設計時均考慮采用標準支撐架，以每6m為一標準節(jié)，全部采用螺栓和法蘭連接。基本截面為2m×2m，可在施工中根據需要隨意組合，任意擴展。支撐架所有組件均由圓管構成。需要拼接時在高空采用法蘭連接，逐層加高。
    2. 拼裝平臺支撐架設計
    2.1 拼裝平臺支撐架的組成

    拼裝平臺支撐架的平面布置圖見圖4，剖面見圖5。支撐架全部采用2m×2m標準支撐架，橫向支撐架間距均為8.5m，縱向支撐架間距25.5m，部分與下部看臺混凝土柱或梁對應，柱頂埋設預埋件，另一部分直接由地面支撐。支撐架之間在縱向設聯系桁架，在橫向設連梁進行拉結，整個拼裝平臺支撐架形成一空間桁架結構。

    2.2 計算分析及結果
    按空間桿系結構，采用Sap2000進行有限元分析，支撐架、水平聯系桁架和聯系梁、頂部短滑道均建入模型。約束情況為：支撐架底部視為固定鉸支座，支撐架頂部與勁性混凝土柱連接處施加水平約束，支撐架與混凝土梁板連接處亦施加約束。
    模型中考慮如下荷載：
    恒載：各桿件自重由程序自動考慮；
    活載：
    ⑴拼裝平臺支撐架頂部的集中荷載按滑移過程中各支撐架可能出現的最大豎向力考慮；
    ⑵水平聯系桁架和聯系梁處考慮一定的施工或荷載(施工活荷載一般通過滿堂腳手架傳遞，不傳給支撐架體系)；
    風荷載：基本風壓w0=0.3kN/m2，其余按荷載規(guī)范予以考慮；
    不考慮地震作用。

    模型簡圖見圖6，由圖7的計算結果表明91％的桿件的綜合應力比小于0.5，其余桿件應力比亦一般超過0.7，超過0.7的有12根，但均小于0.85，完全滿足強度要求。
    變形計算亦表明拼裝平臺支撐架體系可以滿足剛度要求。
    3. 滑道支撐架設計
    3.1 滑道支撐架的組成
    滑道支撐架位于16軸，滑移過程中上部結構通過滑靴把力傳到滑道軌道，然后傳到滑道支撐架?；啦捎肏800×500×16×20型鋼組成的平面桁架軌道，其下部的滑道支撐架采用2m×4m(由兩個2m×2m基本單元橫向拼接組成)標準支撐架。
    由于軌道支撐架比較高，最高為24.5m，所以在兩榀支撐架中間部位增加一道聯系桁架，同時采用交叉拉桿連接。此外，在面外方向設置纜風繩，以增加整個支撐架的穩(wěn)定性。
    3.2 滑道支撐架的計算分析
    有限元模型見圖8，分析時考慮如下荷載：
    （1）恒載：滑道桁架和滑道支撐架的自重由程序自動考慮；
    （2）活載：
    豎向力：滑移過程中滑靴傳到軌道梁的集中荷載。通過滑移過程的計算分析可以求出滑移過程中各個步驟從滑靴傳到軌道梁的豎向集中荷載。
    水平力：由于在滑移過程中，滑靴與軌道接觸面存在滑動摩擦力（摩擦系數為0.2），所以在滑移過程中滑靴除了給軌道豎向力，還會由于之間的摩擦產生水平力，水平力的大小根據豎向力的大小乘以系數0.2得到。另外再考慮滑移啟動或剎車時由水平加速度引起的水平力，取豎向力的0.1倍。由于滑移施工中可能的各種不可預知因素，軌道梁也將承受垂直滑移方向的水平力，計算分析中將豎向力的5％作為垂直軌道梁方向的水平力作用于滑道上。
    施工活荷載：軌道梁施工活荷載大部分傳給下部腳手架，僅部分傳給滑道桁架，按2kN/m2考慮。
    （3）風荷載
    基本風壓w0=0.3kN/m2，風載體型系數、高度系數等按荷載規(guī)范取值。

    從圖9的計算結果可知，滑道支撐架在滑移施工過程中，79％桿件綜合應力小于0.5，桿件綜合應力比過0.8的占1％，但都小于0.9，整個結構在滑移施工過程處于安全狀態(tài)，可以保證施工的安全進行。
    4. 滑移胎架設計
    4.1 滑移胎架的組成

    滑移胎架采用2m×2m標準支撐架，與其他支撐架的位置關系見圖10，為加強各榀滑移胎架之間的聯系，在胎架中部、上部和下部各設置通常聯系桁架以及交叉支撐。
    4.2 滑移胎架的計算分析

    計算模型見圖11(圖中僅表示了滑出前四榀滑移胎架的情況，其余情況未在圖中表示)，模型包括圖中同時給出了其豎向荷載簡圖?；铺ゼ芩惺艿呢Q向荷載為滑移桁架傳給胎架的豎向力，此外，本模型在滑移胎架頂部還考慮了以下水平荷載：
    ⑴滑移方向的水平荷載：滑移胎架頂部與桁架下弦節(jié)點間在滑移開始時因水平加速度引起的水平力，取豎向荷載的0.1倍(水平加速度按0.1g考慮)；
    ⑵垂直于滑移方向的水平荷載：考慮滑移過程中的各種不可預知因素，在該方向考慮的水平力為豎向荷載的0.05倍；
    ⑶風荷載
    由圖12的計算結果可知，滑移胎架在滑移施工過程中，89%的桿件綜合應力比小于0.5，其余桿件應力比基本小于0.8(僅一根桿件超過0.8，但小于0.9)，整個滑移胎架結構在滑移施工過程有足夠的安全余量，可以保證施工的安全進行。
    同時變形計算表明，胎架頂部的最大水平位移為15.0mm，由此引起的位移角為15.0/12000=1/800，滿足規(guī)范要求。
    5. 結論
    通過對國家體育館鋼結構工程支撐架體系的設計，可以得出以下結論：
    ⑴所有支撐架采用了本公司自行設計的標準支撐架體系，在本工程完成后可在以后的工程中重復利用，這樣一來不僅可以最大限度的節(jié)省社會資源，而且可以充分發(fā)揮資源優(yōu)勢，達到對資源的最佳利用，同時這也是“綠色奧運”精神的體現；
    ⑵有限元分析結果表明拼裝平臺支撐架、滑道支撐架和滑移胎架體系均滿足滑移施工過程中強度、剛度和穩(wěn)定要求；
    ⑶對滑移胎架的剛度和穩(wěn)定性進行了適當加強；
    ⑷本工程支撐架體系的設計施工具有一定特色，可參考應用于其他滑移施工項目。

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