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南京奥林匹克体育中心主体育场钢屋盖工程

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
工程简介
    工程简介
    1. 工程概况
    1.1工程规模
    南京奥林匹克体育中心是2005年江苏省举行第十届全国综合性运动会的主场馆和举行国际单项最高级别运动会的硬件设施，是江苏省政府“十五”计划的重点工程，也是南京市规划中的城市副中心的重要组成部分。主体育场位于奥体中心的中心位置，俯视平面为242m直径的圆，共六层，无地下室。一层设有专家入口媒体、赛事工作、运动员和设备用房等，二、四、六层为看台和商业用房，三、五层为贵宾包厢，建筑面积达13634m2，6万多个席位，屋盖中国建筑金属结构信息网总用量12153t（含附属中国建筑金属结构信息网：檩条、天沟、马道、拱腹梁等）。
    1.2结构形式与特点
    主体育场屋盖结构体系是由与水平面成45°倾斜的、跨度为372.4m的三角形变断面钢桁架拱和由104条钢箱型梁形成的中空马鞍形空间罩棚结构屋面系统组成，罩棚的径向长度为68.14m～27m，覆盖面积3.792万平方米，主拱南北方向对称布置，主体中国建筑金属结构信息网用量10739t。整个屋盖结构体系在各种不同荷载组合情况下，分别由主拱和钢箱型梁外端的“V”型支撑将荷载传至下部结构。结构体系造型美观新颖，体现了建筑师的设计意图，45°倾斜主拱线条简明，宛如飘带，但是，倾斜主拱和屋面箱型梁互相依托，其传力体系异常复杂。
    主拱为空间结构管桁架，跨度372.4m，拱身弧线长度415m，最高点为拱顶，标高为64.72m，单榀主拱重量为1606t。主拱断面为斜等腰三角形，4根主弦管布置于等腰三角形的三个顶点和底边的中点上，三角形断面的底边与地面的夹角为45°，腰与底边夹角为33°，最大三角形断面底边上主弦管的中心距为15m，高4.085m。主弦管采用φ1000和φ500的钢管，壁厚有12、16、20、34、44、54和60共七种，腹杆的直径为φ299～φ450。主拱节点采用铸钢节点、压制球节点及相贯节点。两榀主拱分别向东、西方向倾斜，支承在屋面箱型梁和拱脚上。
    屋面系统由箱型梁、环型梁、连系梁、屋面支撑及檩条等组成，屋面最高点标高为52.81m（东西方向外檐口），最低点标高为24.049m（南北方向外檐口）。作为屋面系统的主要受力构件，箱型梁采用不同的断面组合，最多为5个断面组合，断面宽度均为500mm，高度有1100、1400、1600、1800、2100五种，腹板厚度有10、12、14、16四种，翼缘板厚度有20、25、32、65、85五种。箱型梁的一端支承在V形支撑柱上，另一端则通过箱型梁中间位置的M杆与主拱的主弦管相连。箱型梁之间设有钢管连系梁，两端及中间位置设有环型梁。
    连接主拱与屋面箱型梁的M杆由前吊杆、后撑杆及2根辅助杆组成，四根杆件形成“M”形，故称“M”杆。M杆规格有φ299*12、φ351*12、φ450*24三种，其下端与箱型梁上翼缘铰接，上端则焊接在主拱主弦管上。
    支承屋面箱型梁的V形支撑柱设置在两榀箱型梁之间，每个V形支撑有四根支撑钢管，分为前支撑柱和后支撑柱，由一根前支撑柱和一根后支撑柱支承一榀箱型梁。支撑钢管分φ500*24、φ500*34两种，四根钢管柱下端通过销轴连接在铸钢平板支座上，形成一个倒锥形，故称V形支座或锥形支座，前支撑柱上端与镶嵌在箱型梁中H型钢铸钢件底板相贯，后支撑柱则与镶嵌在箱型梁当中的铸钢球的支管相接。
    主体育场工程构件材质：V型支撑柱采用Q345C；箱形梁翼缘板采用Q345C、腹板和劲板采用Q235B；环形梁采用Q345C、Q235B；悬索钢管采用Q345C；主拱采用Q345C；M杆采用Q345C；拱腹桁架、檩条、马道等采用Q235B；铸钢件采用Gs20Mn5N。
    1.3建设、设计、监理、施工单位
    主体育场工程由南京龙江体育中心建设经营管理有限公司投资建设，澳大利亚HOK公司和江苏省建筑设计研究院联合设计，浙江江南监理有限公司负责监理，体育场中国建筑金属结构信息网由上海宝冶建设有限公司总承包。
    2. 工程难点、亮点、重点
    2.1工程难点
    由于南京奥体中心主体育场屋盖结构体系的特殊性，倾斜主拱通过前吊杆、辅助杆及后撑杆与屋面箱型梁相连，主拱通过前吊杆为箱型梁悬臂端提供竖向约束，而箱型梁通过后撑杆则为主拱提供平面外的侧向约束，两者互相依托。在整个结构体系未形成之前，屋面系统与主拱皆非独立的结构静定体系。为保证安装过程中结构的稳定性，屋面和主拱安装时必须设立临时支撑系统，安装完成后屋面临时支撑需进行卸载和拆除，卸载过程中结构体系逐步转换，稳步成型。但是，杆件内力和临时支撑的受力在卸载过程中发生变化，工况分析相当困难，变形控制难度大。施工过程中，不但要考虑吊装方案、吊装顺序、支撑系统布置方案、铸钢件焊接方案、温度和焊接变形控制方案、主拱组装和翻身方案、主拱合拢方案，而且还要考虑吊装完成后的整体卸载方法和顺序，施工技术难度相当大。该组合结构国内尚无先例，国际上也实属罕见。所以，无论是设计还是施工，本工程都具有相当大的难度。总体而言，本工程主要有以下十大难点：
    难点一：结构体系复杂，设计难度大
    南京奥林匹克体育中心主体育场屋顶结构体系是由钢桁架拱、吊杆、马鞍型屋面网格及支撑柱组成的复合结构，与纯拱结构、壳体结构具有不同的受力特点和失稳模式。倾斜主拱和屋面箱型梁互相依托，其传力体系异常复杂，国内尚该结构的理论分析计算软件，设计难度相当大。为此，江苏省院用国际上的先进软件程序进行了理论分析计算作为施工图设计的依据。为保证结构的可靠性，设计方案经过了三番五次修改，前后论证会议不下于十次，结构验算也分别由同济大学和东南大学采用四套不同的计算软件进行。
    本屋盖结构体系的节点构造复杂、承力大，为避免以往惯用的焊接连接节点存在的焊接残余应力、多次热影响使节点钢材变脆以及次弯矩对节点的影响等等一些难以定量分析的问题，本工程的关键节点设计采用了大量的铸钢节点。虽然国内已经在铸钢技术上解决了以往存在的缺陷，但是国内对铸钢节点研究尚少，无现成标准可循，设计难度较大。
    难点二：材料规格多样、种类繁多，采购与质量控制难度大
    本工程中既含有最小规格为φ50*4薄壁无缝钢管、有缝钢管，又含有最大规格为φ1000*60厚壁压制钢管；既含有最薄为6mm的薄板，又含有最厚达85mm的厚板；既含有角钢，又含有方钢；既含有铸钢件，又含有销轴。材料规格齐全、种类繁多，采购与质量控制难度相当大。加之，钢材的涨价更加大了材料采购难度。
    难度三：构件种类、数量多，管理难度大
    本工程既含有主体结构件——主拱、M杆、箱型梁、环型梁、连系梁、悬索管、屋面支撑、V形支撑，又含有辅助结构件——屋面檩条、拱腹桁架、拱腹檩条、屋面马道、主拱马道等，构件种类、数量多（见杆件统计一览表），且每个构件均不一样，加工制作和现场管理难度大。

    难点四：铸钢节点种类、数量多，造型奇特，铸造难度大
    本工程的主要受力部位——主拱、M杆、箱型梁、悬索管、V形支撑、V形支座采用了大量的铸钢节点，铸钢节点共有8种，814件，合计1643.3t，其中最大铸钢件重量为7.578t（见铸钢件统计一览表）。从形状上看既有板式铸钢支座、锥形铸钢连接件，又有圆柱形铸钢节点和球形铸钢节点，还有H型钢铸钢节点。圆柱形铸钢节点和球形铸钢节点上支管数量多（最多达11根支管），且大部分铸钢节点外形、尺寸均不一样，其木模制作与铸造难度巨大。同时，因铸钢节点承力大、构造复杂、造型奇特、材质高（材质为Gs20Mn5N），铸钢件的内在质量（主要是S、P含量和机械力学性能指标）和外形尺寸要求高，这些更加大了铸钢件的铸造工艺、后处理难度及质量检查难度。

    难点五：工程焊接量大，焊接难度大
    本工程中既含有φ1000*60进口厚壁压制钢管、最大断面为2100*500及钢板厚度达85mm的变断面箱型梁，又有铸钢球及各种铸钢节点，结构类型多样，造型奇特。整个屋盖系统除局部位置（V形支撑柱与V形支座之间、M杆与箱型梁之间）采用销轴连接外，其余部位均采用焊接连接。工厂制作及现场安装焊接工作量相当大，一级焊缝焊口总数达8656道，焊缝总长76公里，焊材用量360余吨（见焊接工程量一览表）。现场大量的高空焊接（最高达64.712m）、厚壁钢管焊接（主拱中φ1000*60的钢管）、厚板焊接（分段箱型梁对接）及铸钢件的焊接（铸钢件用量达1643.5t）更加大了焊接难度。

    难点六：箱型梁与主拱节点复杂，制作难度大
    作为屋面系统的主要受力构件，箱型梁采用不同的断面组合，最多为5个断面组合，断面高度有1100、1400、1600、1800、2100几种，但断面宽度却只有500mm，因此无法内外同时进行主焊缝的焊接，而只能采用单面熔透焊缝，增加了焊接难度和焊接工作量。箱型梁的腹板厚度最薄只有10mm，而翼缘板厚度最厚达到85mm，两者相差悬殊，组装、焊接困难。同时，箱型梁最长达71.332米、最重达59.409吨，造成侧向弯曲变形和挠度控制难度大。
    本工程中的箱型梁节点构造相当复杂，既含有与前支撑柱连接的H型钢铸钢件，又含有与后支撑柱相接的铸钢球，既含有与环型梁、连系梁相接的短管，又含有与M杆销接的耳板，并且各箱型梁中连接节点的空间方位均不相同，箱型梁组装时，连接节点的空间定位难度极大、定位精度要求极高。同时，节点区域大量的隐蔽焊缝的存在，加大了箱型梁的组装及焊接工艺的难度，必须制订严格的组装、焊接顺序，避免隐蔽焊缝出现无法施焊的现象。
    主拱为空间结构管桁架，其断面为斜等腰三角形，最大三角形断面底边上主弦管的中心距为15m，高4.085m，体型庞大。主拱主弦管采用φ1000和φ500的钢管，壁厚最厚达60mm，组装焊接困难。同时主拱节点采用铸钢节点、压制球节点及相贯节点，铸钢节点体型大、重量重、支管数量多（都在8根以上，最多达11根）、空间角度变化多样，空间定位困难，组装难度大。相贯焊缝局部存在二次相贯现象，不可见焊缝的焊接必须采取合理的组装焊接顺序和组装方法，才能保证焊口的组装与焊接质量，因此，组装、焊接难度大。
    难点七：构件重量大、吊点高，吊装难度大
    近年来，各国在研究大跨度空间结构的结构形式的同时，也在不断地研究和提高大跨度空间结构的施工技术。目前，国内外已有很多先进的空间结构施工技术，但是，为了体现建筑美学和设计师理念，大跨度空间结构往往是一个个性化的变异设计，无统一标准化可言，因此，各种施工技术都有其一定的针对性。不同的结构形式、场地条件及工程实际情况，所采用的施工技术也会有所不同。对于南京奥林匹克体育中心主体育场钢屋盖此类大跨度空间结构，主拱和屋面箱型梁互相依托，形成稳定的空间结构体系，国内外却无先例，更无成熟的类似施工技术，施工方案选择难度大。在整个结构体系未形成之前，屋面系统与主拱皆非独立的结构静定体系，安装时，结构稳定性差，吊装各阶段的工况分析难度大。
    同时，箱型梁长度长、重量重、迎风面大，吊装过程中容易产生变形，就位时定位困难，就位后容易产生侧向失稳。而主拱更是跨度大、体型庞大、节点复杂，分段吊装时提升高度高，工作半径大，主拱翻身与吊装难度大。
    难点八：结构体系复杂，支撑体系布置与设计难度大
    为保证安装过程中结构的稳定性与施工的可操作性，屋面和主拱安装时必须设立临时支撑系统，支撑系统的布置既要满足施工阶段结构的受力性能，符合设计要求，又不能对下部混凝土看台结构产生过大的影响，造成破坏，还要方便施工（包括安装阶段和卸载阶段），保证安全。故支撑的布置、计算及设计十分复杂。
    难点九：支撑胎架数量多，卸载难度大
    本工程支撑系统的卸载过程既是拆除支撑胎架的过程，又是结构体系逐步转换成型的过程。由于空间结构体系平面外的刚度相对较小且各部位的强度和刚度均不相同，相邻支撑在卸载过程中互相影响。卸载过程中，结构本身的杆件内力和临时支撑的受力均会产生相应的变化。由于本工程屋盖支撑胎架数量众多，不可能同时一起卸载，也不可能逐个进行拆除，必须分批、分级、同步进行。卸载的先后顺序、卸载方法及工艺都会对结构本身和支撑胎架产生一定的影响，卸载难度大。
    难点十：主拱跨度大，变形控制难度大
    由于主拱跨度大，施工时间长，温差对主拱变形的影响较大。地面分段拼装时的温度和合拢时的温度存在温差。加之，是从两端往中间对称进行主拱安装的，如果按照常规的施工方法，则在中间位置势必出现错口、错边及尺寸偏差现象，造成主拱无法顺利对接。同时，主拱安装是直接在屋面系统上进行的，屋面系统的变形也会对主拱变形产生很大的影响，主拱变形控制难度大。
    2.2工程亮点
    本工程屋盖结构形式独特、造型新颖，除了存在十大工程难点外，更显示了三大工程亮点：
    亮点一：主拱跨度大，创世界第一斜拱
    作为整个屋盖结构的灵魂——主拱，其跨度 为372.4m，弧线长度415m，且向外倾斜45°，堪称“世界第一斜拱”。同时，主拱拱脚之间设有预应力混凝土地梁，拱身与地梁形成弓状，更有“世界第一弓”之美誉。
    亮点二：铸钢节点构造复杂，数量多，居全国同类建筑用量第一
    本工程的主要受力部位——主拱、M杆、箱型梁、悬索管、V形支撑、V形支座采用了大量的铸钢节点，铸钢节点构造复杂，造型奇特，既有板式铸钢支座、锥形铸钢连接件，又有圆柱形铸钢节点和球形铸钢节点，还有H型钢铸钢节点，圆柱形铸钢节点和球形铸钢节点支管数量多（最多达11根支管），且大部分铸钢节点外形、尺寸均不一样。铸钢节点数量多达814个，居全国同类建筑用量第一。
    亮点三：大量试验研究，国内实属罕见
    为了论证南京奥体中心体育场屋顶挑蓬结构体系的设计理论分析的正确性和可靠度，确保体育场屋顶结构体系既安全可靠、技术先进，又经济合理，为工程设计提供非常有价值的参考数据和依据。工程开始前，进行了1:20实体模型试验，在安装阶段和正常荷载承力情况下，对实体结构的主要杆件节点和支座均进行了应力、应变、挠度测试，获得的数据与理论数据分析比较，同时作为实体结构验收的依据。为今后我国大型、大跨度空间结构提供了有价值的指导性数据，为新结构的推广作出一定的贡献。
    对于大跨度罩棚结构，风荷载往往是较大的，但风压值和风载系数的取值却很难确定，为此，针对工程地理位置情况和结构特征，同济大学和北京大学分别进行了风洞试验，通过风洞试验结果确定风载系数。
    在同一工程中，进行如此多的试验研究，在国内实属罕见。
    2.3工程重点
    主体育场中国建筑金属结构信息网工程量大，构造复杂，工期紧，其施工重点主要有以下几点：
    （1）箱型梁及主拱的加工制作：箱型梁长度长、变断面，节点构造复杂，加工制作难度大。而主拱断面大，含有大量铸钢节点，组装难度大。
    （2）支撑胎架的设置：由于本工程中屋面梁与主拱互相依托，在主拱和屋面构件全部安装完成并形成结构体系前，主拱和屋面构件均为不稳定体系，必须设置临时支撑胎架，支撑体系的设置必须经过严格的工况分析和受力计算。
    （3）大跨重型结构的吊装：主拱跨度大，节点复杂，拼装精度要求高，分段吊装时吊装高度高，工作半径大。同时，主拱吊装时间长，会受温度变化而产生收缩变形，施工困难，必须重点研究分析。
    （4）现场焊接：本工程中既含有φ1000*60厚壁钢管、最大断面为2100*500及钢板厚度达85mm的箱型梁，又有铸钢球及各种铸钢节点，结构类型多样。整个屋盖系统除局部位置采用销接外，其余部位均采用焊接连接，现场焊接工作量相当大。而高空焊接、厚壁钢管焊接及铸钢件的焊接更加大了焊接难度。
    （5）钢屋盖系统整体卸载：安装时，屋面和主拱荷载由临时支撑系统承担，安装完成后，屋面临时支撑胎架需进行拆除，主拱和屋面形成整体稳定体系。
    3. 施工工期
    2003年11月15日开始加工制作，2004年2月15日加工完毕；2003年12月30日开始吊装第一根箱型梁，2004年4月6日吊装完最后一根箱型梁；2004年3月6日开始吊装第一段主拱，2004年5月17日东区主拱合拢，5月27日西区主拱合拢；2004年6月25日开始卸载，26日卸载完毕，总安装工期148天。
    4. 施工技术
    （1）总体方案
    在总体施工思路的选择上，根据南京奥体主体育场钢屋盖系统的结构形式、构件类型、尺寸、重量和变形、工期要求、现场场地条件及其他实际情况，通过经济对比分析、工况分析，同时考虑到设计要求、施工安全，最终选用“一套支撑胎架，两组吊机”的作业方案，“分区安装、齐头并进”的施工原则。
    在吊装方案选择上，根据构件单体重、作业半径大、起吊高度高的特点，选用600t和300t履带吊作为主吊机，150t履带吊和M440塔吊作为辅助吊机分区安装、齐头并进的施工方法。由于本结构为空间马鞍型组合结构，构件的空间方位、角度及重心均不相同，为保证吊装及就位准确、平稳，所有箱型梁和主拱吊装前均要根据三维模型通过平衡滑轮和倒链来进行角度调节，并根据计算机准确计算得出的重心确定吊点的位置。吊装顺序为：V形支座预埋件——屋面支撑胎架——V形支撑前支撑柱——箱型梁——V形支撑后支撑柱、环型梁、连系梁——屋面支撑——M杆——主拱——檩条、天沟梁、马道，屋面系统与主拱的安装顺序均由低往高进行，保证了屋面体系和支撑胎架体系的整体稳定性。
    （2）主拱安装
    主拱组装完成后，分段吊装就位。吊装顺序为：从两端向中间。由于主拱采用卧式连续拼装法，所以吊装前要进行翻身，翻身时采用双门滑轮，以减少翻身过程中的冲击。吊装前通过葫芦来调节主拱的空间角度，确保高空对口就位准确无误。
    对于大跨度拱，其温度变形和温度应力是较大的，故设置合拢段，合拢段的长度根据合拢时的实际测量尺寸来进行下料。在从两端往中间安装主拱的过程中，逐段消除安装误差，合拢前要进行连续观测，确定温差对拱身的影响，选择合适的时间及合拢温度，低温安装就位，符合合拢温度时定位焊接，焊接时两人对称连续施焊。
    （3）钢屋盖系统整体卸载
    本工程的卸载过程既是拆除支撑胎架的过程，又是结构体系逐步转换过程，在卸载过程中，结构本身的杆件内力和临时支撑的受力均会产生变化。卸载时，既要确保安全、方便施工，又不能改变设计意图，对构件的力学性能产生较大的影响。为了保证卸载时相邻支撑胎架的受力不会产生过大的变化，同时保证结构体系的杆件内力不超出规定的容许应力，避免支撑胎架内力或结构体系的杆件内力过大而出现破坏现象，保证结构体系可靠、稳步形成。 根据支撑胎架的布置及结构本身与支撑胎架的受力情况，将支撑胎架分为9个区，每区分级同步卸载。卸载的分级大小和卸载顺序根据结构计算和工况分析得出的结果进行，先小后大，先拆主拱支撑胎架，然后拆屋面支撑胎架，由高到低、由内到外、东、西同步、共分20步进行。卸载时，通过可调节支承装置（螺旋式千斤顶），按多次循环、反力控制与位移控制相结合的原则，来实现荷载平稳转移。
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