國(guó)家體育館雙向張弦鋼屋蓋施工技術(shù)

1、國(guó)家體育館雙向張弦鋼屋蓋施工技術(shù)郡1 , 王2 ,成會(huì)斌3 ,崔嵬4 ,秦杰5楊(11 北京城建集團(tuán)國(guó)家體育館工程總承包部 ,北京 100101 ;21 北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司 ,北京 100101 ;31 國(guó)奧投資發(fā)展有限公司 ,北京 100101 ;41 浙江精工鋼結(jié)構(gòu)公司 ,浙江 紹興 312030 ;51 北京建筑工程研究院 ,北京 100039) 摘要 國(guó)家體育館鋼屋蓋為雙向張弦桁架結(jié)構(gòu) ,桁架跨度 114m ×14415m 。經(jīng)過(guò) 110 模型試驗(yàn)及大量的仿真分析和方案論證 ,施工中采用了地面分段組裝 ,高空整榀拼裝 ,縱向桁架橫向帶索累積滑移 ,滑移到位后進(jìn)行雙向預(yù)應(yīng)

2、 力索分級(jí)對(duì)稱張拉的施工工藝 。 關(guān)鍵詞 國(guó)家體育館 ;雙向張弦桁架 ;滑移 ;預(yù)應(yīng)力 ;張拉 中圖分類號(hào) TU758111 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 100228498 (2006) 1220020203Construction Technology of Two- way Chord- tension SteelRoof in National Sta diumYAN G J un1 , WAN G Su2 , CHEN G Hui- bin3 , CUI Wei4 , Q IN J ie5(1. N ational Stadium General Project Management D

3、epartment , Beijing Urban ConstructionGroup Co. , Ltd . , Beijing 100101 , China ; 2. Beijing Urban Construction Group Co. , Ltd. , Beijing 100088 , China ;3. Guoao Investment Developing Co. , Ltd . , Beijing 100101 , China ;4. Zhejiang Jinggong Steel Structure Company , S haoxing , Zhejiang 312030

4、, China ;5. Beijing B uilding Engineering Institute , Beijing 100039 , China)Abstract : The National Stadium roof is a two2way chord2tension truss structure , whichs span is 114 meters ×144 . 5 meters. By the 110 model test and a lot of emulation analyses and plan demonstration , engineers adop

5、t some construction methods those are segment assembly on the floor , overhead spliced truss , longitudinal truss with cable lateral sliding , and two2way prestressed cable tensioned gradely and symmetrically after the truss is on2site during the construction. of the National Stadium.Key words :Nati

6、onal Stadium ; two2way chord2tension truss ; sliding ; prestress ; tension國(guó)家體育館是北京 2008 年奧運(yùn)會(huì)三大主場(chǎng)館之一 ,奧運(yùn)期間將主要進(jìn)行體操比賽、手球決賽 , 殘奧會(huì) 進(jìn)行輪椅籃球比賽。其建筑由比賽館、熱身館組成 ,比賽館可容納觀眾約 118 萬(wàn)人 ,總建筑面積 80 890m2 ,地 下 1 層、地上 4 層。屋蓋平面投影為 2 個(gè)矩形 ,縱向長(zhǎng) 19515m ,橫向?qū)?14m ,分別覆蓋比賽館和熱身館 , 其中比賽館尺寸為114m ×14415m ,熱身館尺寸為 51m ×63m ,屋面

7、呈南高北 低的波浪形曲線 ,結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)標(biāo)高 421454m( 見(jiàn)圖 1) 。比賽館鋼屋蓋結(jié)構(gòu)形式為單曲面雙向張弦桁架鋼結(jié)構(gòu) ,其上層為正交正放的平面桁架( 橫向 18 榀 ,縱向14 榀) , 網(wǎng)格間距 815m , 結(jié)構(gòu)高度為 11518 31973m。 其中上弦、腹桿采用無(wú)縫圓鋼管 , 節(jié)點(diǎn)為焊接球 , 下弦采用矩形管 ,鑄鋼節(jié)點(diǎn)連接 , 桁架材質(zhì)為 Q345C。下層為鋼撐桿及雙向預(yù)應(yīng)力空間張拉索網(wǎng) , 橫向 14 榀 , 縱 向 8 榀帶索 ,橫向?yàn)殡p索 , 縱向?yàn)閱嗡?, 鋼索采用擠包雙護(hù)層大節(jié)距扭絞型纜索 , 強(qiáng)度等級(jí) 1 670MPa , <5 ×109 <5

8、 ×367 ; 撐桿為 <219mm ×12mm 的鋼管 , 最長(zhǎng)91248m。桁架通過(guò) 6 個(gè)三向固定球鉸支座和 54 個(gè)單 向滑動(dòng)球鉸支座支承在周邊勁性鋼筋混凝土柱頂。鋼 屋蓋( 包括熱身館) 投影面積 22 788m2 , 重約3 000t 。鋼屋蓋典型剖面如圖 2 所示。 收稿日期 2006209212 作者簡(jiǎn)介 楊 郡(1965 ) ,女 ,北京人 ,北京城建集團(tuán)國(guó)家體育館工程總承包部副總工程師 ,高級(jí)工程師 ,北京市海淀區(qū)北太 平莊路 18 號(hào) 100088 ,電話 : (010) 64842976圖 1 國(guó)家體育館示意楊郡等 :國(guó)家體育館雙向張弦鋼屋蓋施

9、工技術(shù)2006 No . 1221縮小了高空作業(yè)范圍 ,安全性也較好 ,且能最大限度地減少對(duì)屋蓋下面施工作業(yè)面的影響 , 為交叉施工創(chuàng)造 有利條件。但滑移方法因本工程的特殊性而有兩種方 法可選擇 :1) 縱向滑移組拼的滑移單元跨度小 , 附屬工作 所占比例小 , 效益好。但本工程因?yàn)榭v向支座標(biāo)高呈豎曲線分布 ,所以沿縱向滑移就變成了曲線滑移 ,如此只能是單榀滑移 ,由于該屋蓋是雙向結(jié)構(gòu) ,所以滑移到 位后另一方向的結(jié)構(gòu)補(bǔ)拼也將是非常困難的。所以此 方法難以實(shí)施。2) 橫向滑移 即以縱向 ( 14415m) 為跨度方向組 裝、滑移?；瓶缍却?, 滑移次數(shù)少 , 附屬工作所占比 例高 ,從效益上

10、看似乎不合算 ,但可以解決本工程遇到 的特殊情況 ,滑移軌道變成了水平、直線 , 可以由逐條 滑移改為累積滑移。在平臺(tái)上能先組成雙向結(jié)構(gòu) , 滑 移時(shí)更接近設(shè)計(jì)狀態(tài) ;減少了滑移后的高空作業(yè)量 ,達(dá) 到了減少對(duì)其他工序的影響 ,能組織交叉施工的目的。3 技術(shù)路線確定綜合分析體育館結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)條件及工期、成本 等因素 ,經(jīng)過(guò)反復(fù)論證 ,多方案比較 ,最終選定了縱向桁架沿橫向累積滑移 ,然后張拉的技術(shù)路線。即: 縱向桁架先在地面分段拼裝 , 然后在高空組裝平臺(tái)上拼成整 榀 ;組拼 2 榀后開(kāi)始拼裝節(jié)間橫向桁架構(gòu)成滑移單元; 向前滑移一個(gè)柱距。依次往復(fù) ,逐跨組裝縱、橫向桁架 , 逐跨推進(jìn) ,直至

11、滑移到位。最后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力索張拉。4 主要分項(xiàng)技術(shù)方案411高空拼裝平臺(tái)設(shè)計(jì) 本拼裝平臺(tái)有兩點(diǎn)別于通常作法 : 拼裝平臺(tái)放在了結(jié)構(gòu)內(nèi)部( 東側(cè)) ; 平臺(tái)寬 21m ,能滿足 3 榀縱向 屋蓋的拼裝要求。其設(shè)計(jì)思路為 :1) 盡管在結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)搭設(shè)平臺(tái)難度大 ,但因?yàn)殍旒艿念A(yù)應(yīng)力索撐桿最長(zhǎng)達(dá)91248m ,其底標(biāo)高低于框架結(jié)構(gòu)框 架梁 ,如在結(jié)構(gòu)外側(cè)拼裝則混凝土結(jié)構(gòu)滑移前不能施工 到位 ,需在滑移后補(bǔ)做 ,如此互相制約影響工期。2) 為保證橫向桁架拼裝質(zhì)量需要加寬平臺(tái)。本工 程桁架在高空拼裝平臺(tái)上組拼時(shí)是七點(diǎn)支撐 , 滑移時(shí) 是三點(diǎn)支撐。橫向桁架不象縱向桁架那樣可以在拼裝 平臺(tái)一次拼裝成型 , 而是

12、在滑移過(guò)程中逐節(jié)間逐步拼 裝而成。如果出現(xiàn)橫向桁架前節(jié)間已受力變形 , 后節(jié) 間再拼裝的狀況 , 橫向桁架 ( 且為主跨) 的拼裝質(zhì)量不 能保證。增加平臺(tái)寬度保證 3 榀縱向桁架同時(shí)在平臺(tái) 上 ,可以使橫向桁架在前一節(jié)間沒(méi)有發(fā)生變位時(shí)拼裝 后一節(jié)間 , 如此能較好地提高橫向桁架的整體質(zhì)量。 高空拼裝平面如圖 3 所示。412 帶索滑移圖 2 鋼屋蓋典型剖面1 鋼屋蓋特點(diǎn)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)為雙向張弦預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系 ,具有 用材省 ,承載力高 ,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好等特點(diǎn) ,但在國(guó)內(nèi)是首 次應(yīng)用。因?yàn)槲菝鏋榍嬖煨?,使桁架下弦縱向支座呈 豎曲線狀布置 ; 桁架節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜、種類多 ,除球節(jié)點(diǎn)、 相貫節(jié)點(diǎn)外

13、,下弦采用了大量復(fù)雜的鑄鋼節(jié)點(diǎn); 撐桿上 端與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的下弦采用萬(wàn)向球鉸節(jié)點(diǎn)連接、下端與索 采用帶鋼球的夾板節(jié)點(diǎn)連接。萬(wàn)向球鉸節(jié)點(diǎn)為機(jī)加工 件 ,索夾節(jié)點(diǎn)為鍛件 ,索端節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼件。2 施工方案比選鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性 , 為安裝帶來(lái)新的課題。工 程的具體情況是比賽館四周有多層看臺(tái) , 看臺(tái)結(jié)構(gòu)是 主體勁性鋼筋混凝土框架的一部分 ,已先期施工 ; 另外 工期緊 ,施工總體安排需要組織立體交叉施工 ,因此要 求屋蓋、屋面施工方案必須能最大限度地減少對(duì)其他 后續(xù)分項(xiàng)工程的影響。為此 ,對(duì) 3 種方案進(jìn)行比選。211高空散裝方案 在屋蓋高度搭設(shè)支撐及操作腳手架 , 根據(jù)吊裝設(shè)備能力將屋蓋結(jié)構(gòu)分成小榀

14、單元 , 吊至高空拼裝的方法施工簡(jiǎn)單 ,質(zhì)量容易保證 ,尤其對(duì)于雙向結(jié)構(gòu)更易保 證各向桁架的拼裝精度和質(zhì)量。但由于本工程有地下 室 ,空間高度大 ,四周有看臺(tái) ,所以架子的搭設(shè)、樓板的 支頂不僅很困難 ,而且工程量龐大 ;滿堂腳手架也不利 于交叉施工 ,高空散裝方案會(huì)嚴(yán)重影響工期和成本。212 整體提升方案整體提升與散裝方法相比 , 可以減少腳手架及拼 裝平臺(tái)的高度 , 減少高空作業(yè)量 , 加快施工進(jìn)度 , 提高 安全度。但地面低拼裝平臺(tái)的搭設(shè)同樣因周邊看臺(tái)結(jié) 構(gòu)的存在而受限制變得很困難 , 且很難做到一次拼裝 到位提升 ,于是需要較多的高空補(bǔ)拼。此方案腳手架 照常存在 ,同時(shí)仍需要部分高空拼

15、裝。213 高空滑移方案在跨端設(shè)高空拼裝平臺(tái) , 然后將屋蓋逐步滑移到 位的方案 ,對(duì)吊裝設(shè)備要求不高 , 不需要滿堂腳手架 ,施工技術(shù)第 35 卷22圖 4§軸支撐體系縱剖面示意內(nèi)是首次應(yīng)用 , 且國(guó)內(nèi)在這方面的相關(guān)試驗(yàn)研究很少,所以不僅缺少可借鑒的類似工程也缺少參考資料。因 此需要對(duì)桁架結(jié)構(gòu)靜力力學(xué)性能和基本動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)承載力、張拉對(duì)結(jié)構(gòu)形態(tài)變化的影響及控制方 法 , 對(duì)在不能雙向各索同時(shí)張拉的情況下, 分步張拉索 間相互影響及補(bǔ)償方法等進(jìn)行模型試驗(yàn)研究。通過(guò) 110 模型試驗(yàn) , 對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證 , 對(duì) 幾個(gè)不同預(yù)應(yīng)力張拉方案進(jìn)行了對(duì)比篩選 , 確定了雙向索分級(jí)張拉

16、施工工藝 :預(yù)應(yīng)力施加分 3 級(jí) ,第 1 級(jí)施 加至設(shè)計(jì)值的 80 % ,第 2 級(jí)施加至設(shè)計(jì)值的 100 % ,并 超張拉至設(shè)計(jì)值的 105 % ( 每級(jí)還要細(xì)分若干個(gè)小級(jí)) ,第 3 級(jí)進(jìn)行微調(diào)。張拉時(shí)縱向和橫向拉索對(duì)稱同步張 拉 ,第 1 級(jí)張拉千斤頂由兩側(cè)軸線到中間軸線 ,第 2 級(jí) 張拉千斤頂由中間軸線到兩側(cè)軸線移動(dòng)。預(yù)應(yīng)力鋼索的張拉控制采用張拉力和伸長(zhǎng)值同時(shí)控制 , 其中張拉 力作為主要控制要素 , 伸長(zhǎng)值作為輔助控制要素。張 拉時(shí)最多需要同時(shí)張拉縱、橫向各兩個(gè)軸線的索( 6 根索、12 個(gè)千斤頂) 。 模型試驗(yàn)對(duì)特殊工況也進(jìn)行了研究 : 結(jié)構(gòu)超載試驗(yàn)表明 ,結(jié)構(gòu)有很好的安全儲(chǔ)備

17、 ;換索試驗(yàn)結(jié)果顯示雙向張弦結(jié)構(gòu)具有很好的抗突發(fā)事件能力 , 不會(huì)因個(gè)別 拉索出現(xiàn)緊急情況而影響整體結(jié)構(gòu)的安全。通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證 , 預(yù)應(yīng)力施加過(guò)程中桁架反拱是明顯的 ,接近理論分析值。即滑移用的中滑道在預(yù) 應(yīng)力施加完成后 ,能完全與桁架脫離 ,因此中滑道不需 要增加主動(dòng)卸載設(shè)施。5 結(jié)語(yǔ)國(guó)家體育館鋼屋蓋工程采用“帶索累積滑移”方 案 ,屋蓋施工期間其他工序按計(jì)劃實(shí)現(xiàn)了交叉 ,保證了施工總體部署的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)施工實(shí)踐證明方案是科學(xué) 合理的 ,所采取的一系列措施為施工提供了必要的技 術(shù)保證。特別是對(duì)于不等高、不對(duì)稱桁架的同步控制積累了有益的經(jīng)驗(yàn)。在鋼屋蓋施工過(guò)程中 , 為了控制 鋼結(jié)構(gòu)的施工精度和

18、施工安全 , 對(duì)結(jié)構(gòu)形態(tài)、就位精 度、應(yīng)力應(yīng)變等進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) ,已完成工序的監(jiān)測(cè)數(shù) 據(jù)顯示 ,監(jiān)測(cè)結(jié)果與理論分析基本吻合 ,處于預(yù)控范圍 之內(nèi) ,鋼屋蓋施工達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。圖 3 屋蓋支撐體系及滑道示意為最大限度減少屋蓋施工對(duì)其他工序的影響 , 桁 架滑移采取了帶索滑移的方法?？v向索適度張拉可提 高滑移時(shí)桁架的剛度 ,對(duì)滑移有利 ,但帶索給滑移增加 了難度和工作量。首先要增加安裝撐桿和穿索的操作 平臺(tái) ,本工程是在拼裝平臺(tái)的前面( 西側(cè)) 設(shè)置的 ,安裝 撐桿和穿索需在桁架滑移出拼裝平臺(tái)后進(jìn)行。因?yàn)閾?桿和索的存在 ,中間滑道要降低 ,所以又需要采用滑移 胎架。預(yù)應(yīng)力索撐桿最長(zhǎng)為 91248m ,滑移胎架的高度 定為 11m。這樣中間支撐變成了由 26m 高的滑道支撐 架和 11m 高的滑移胎架兩部分組成。此種狀態(tài)下的支 撐計(jì)算分析比較困難。最后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件