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奥林匹克公园多功能演播塔工程异形构件加工制作方案简介

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-22 20:26:20 [收藏]

    提 要：本文介绍奥运转播塔的结构体系，中国建筑金属结构信息网的加工制作单元划分、部分节点处理方法及异形构件加工制作。
    关键词：嵌套节点 异形构件


    一、工程概况
    奥林匹克公园多功能演播塔位于奥林匹克公园中心区，用地西侧与中轴线景观大道相接，北临中一路、东侧和国家体育场的训练场相连。规划用地面积6270m²,建筑占地面积1100m²。
    奥林匹克公园多功能演播塔的主要功能为电视转播，在2008年奥运会期间，向特权转播商提供拍摄奥林匹克中心区，以奥运场馆为背景的演播室。
    演播塔总高度为128米，可上人的塔楼高度为99.6米。共分七层塔楼，每层塔楼之间的距离为13.6米。首层塔楼为休息大厅或大演播厅，二至六层塔楼为演播室，顶层塔楼暂定为VIP观光厅。
    多功能演播塔的设计吸取了中国传统建筑文化中“塔”的元素，用中国建筑金属结构信息网和玻璃幕墙等先进技术和现代手笔抽象表达出轻盈、玲珑、剔透、塔的特征。利用金属的色泽及玻璃的晶莹，营造出一种强烈的视觉冲击力,如图1所示。

    多功能演播塔平面为等边三角形，标准层塔楼平面边长为21米。三个角部为垂直交通核，其中两部为疏散楼梯，另一部为消防电梯。三个垂直交通核在首层扩大并延伸出三部大楼梯，使露天疏散楼梯由塔楼至塔下建筑屋顶，在不穿过建筑屋顶并在适当部位直通向地面的室外疏散楼梯。
    每层塔楼之间的垂直距离为13.6米，每个标准层塔楼设有两层，上层为电视演播室工作平台，建筑面积约为340平方米，最低点约为2.7米，最高点约为7.0米。下层除卫生间外其他为室外设备平台。
    首层大厅为扩大等边三角形，面积约为1000平方米，最低点约为3.0米，最高点约为10.0米。地下一层为设备层。平面布置图如图2所示。


    二、结构体系简介
    奥运转播塔首层及第一和第二演播室结构轴测图如图3所示。
    与一般的高层建筑不同，多功能演播塔为空间受力体系。演播塔主受力结构为位于结构三个角部的空间格构柱，此三根格构柱的内部空间为结构的楼梯间，三根格构柱承担结构全部竖向荷载。位于结构三个角部的格构柱通过楼层梁相互连接，形成竖放的空间空腹桁架，底部固定于混凝土基础，承受结构的侧向荷载，格构柱局部示意图如图4所示。
    演播塔结构共有七个演播厅。每个演播厅形状相似。演播厅由一个正放三棱锥和一个倒放三棱锥组成，如图5所示。演播塔棱锥结构直接承受结构的竖向荷载并通过水平楼层梁将竖向荷载传给角部的三根空间格构柱。




    三、结构加工和现场安装子结构单元的拆分
    奥运多功能演播塔总用钢量约为1800吨。单纯从吨位衡量，工程规模不大。但由于结构为空间受力结构，构件众多，大部分构件为焊接箱形截面构件，在杆件汇交位置节点处理复杂，且存在焊缝规避和合理安排板件组装顺序等难题。
    根据深化设计详图统计，全部结构由约11万块板件组成，工厂加工制作和现场焊接工作量十分巨大。如何将复杂的结构加以拆分，合理确定加工和安装分段，对结构合理进行简化处理是此工程中需要认真解决的问题。

    1.空间格构柱弦杆与演播室楼层梁及棱线钢梁汇交节点处理
    空间格构柱弦杆与演播室楼层梁及棱线钢梁汇交节点如图6所示。在此节点处共有水平楼层梁，棱线钢梁，楼梯间交叉支撑和楼梯梁共5根构件与格构柱弦杆相交。其中水平楼层梁为梯形截面构件，棱线斜梁为异形箱形截面构件，交叉支撑与楼梯梁为焊接箱形截面构件。
    如果此节点采用钢板焊接节点，节点区将存在大量的交叉焊缝，而且由于箱形截面构件中横隔板数量众多，又要求四面全熔透焊接，加工制作难度极大，基本无法实现。因此，此节点采用铸钢节点处理。每个铸钢节点单独加工完成后与格构柱弦杆焊接为一个安装分段运至现场。
    2.格构柱弦杆与交叉支撑连接子结构加工分段拆分
    格构柱弦杆与交叉支撑连接子结构模型如图7所示。一侧弦杆为箱形截面柱，另外一侧弦杆为三角形截面柱。弦杆与交叉支撑连接共有三种典型连接节点形式，分别为节点1、节点2和节点3。节点1、节点2和节点3均单独加工成型。
    为了加强支撑与弦杆之间的连接刚度，节点1侧面连接板整板下料，同时在构件端头作扩大处理，如图8所示。
    为便于现场安装，节点1加工完成后焊接于箱形截面或者三角形截面弦杆，随弦杆运至现场。节点2焊接于一侧箱形截面支撑，形成带牛腿的构件，运至现场时首先安装，另外一侧箱形截面支撑作为嵌补段现场安装。
    节点3为“米”字型节点，加工完成后焊接于横梁上运至现场首先安装，上下等截面箱形截面支撑作为嵌补段现场安装。
    3.格构柱弦杆与楼梯梁连接子结构加工分段拆分
    格构柱与楼梯梁连接子结构如图9所示。为加工和现场安装方便，楼梯梁被分为Y形构件和牛腿节点两部分。牛腿节点单独加工完成后焊接于楼梯间格构柱弦杆运至现场。Y形构件和位于Y形构件与牛腿之间的嵌补段单独运至现场，首先焊接Y形构件，最后安装嵌补段。



    4.演播室斜屋面子结构加工制作拆分
    演播室斜屋面子结构单元如图10所示。斜屋面子结构由屋面斜梁、牛腿节点、嵌补段、棱线钢梁和水平钢梁组成。
    斜屋面棱线钢梁为异形的焊接箱形截面构件，水平钢梁为梯形截面。在钢梁与屋面斜梁连接位置均设置了大量的内隔板和加劲肋。为保证焊接要求，棱线钢梁和水平钢梁必须分段制作，在工厂拼接为整根构件后运至现场，如图10所示。
    牛腿节点与屋面斜梁组成带牛腿的构件一起运至现场，两端与水平钢梁及棱线钢梁焊接。嵌补段为规则的箱形截面焊接管，在斜屋面成型过程中为最后一道安装工序。

    四、加工制作难点分析
    1.避免焊缝重叠处理
    演播塔构件大部分为箱形截面构件，在节点设计过程中经常遇到构件之间的连接焊缝与焊接箱形截面构件四块板件之间组装焊缝重叠的问题。为了避免此问题的出现，嵌套式节点在本工程中得到了大量的应用，如图11所示。
    图11为多功能演播室棱线钢梁与屋面斜梁连接节点。屋面斜梁上表面与棱线钢梁上表面重合。如果直接焊接，现场焊缝将会与棱线钢梁自身的组装焊缝重叠。因此将棱线钢梁上表面面板局部突出约100mm，嵌套入屋面斜梁翼缘板，可以避免焊缝重叠。

    2.大量内隔板的焊接
    由于本工程箱形截面构件众多，构件与构件连接节点位置大量设置了内隔板。由于本工程箱形截面构件截面尺寸很小，工人无法进入构件内部焊接，因此内隔板的焊接是一项非常困难的工作。针对这个问题主要从以下几个方面进行了简化：
    （1）在允许的情况下尽量将内隔板三面焊接，减少电渣焊的使用，避免电渣焊对小截面构件的损害。
    （2）合理对构件进行分段制作，将节点提取出来单独加工完成。并结合合理的板件组装顺序，采用带衬垫板的单面剖口焊缝实现对衬垫板的四面焊接。图9和图10中的构件均为分段制作之后组装完成。
    （3）在受力不大的节点位置，尽量采用“半肋”，即采用不填满箱形截面内部空间的横隔板，并采用三面焊接。这种“半肋”横隔板可以在箱形截面构件制作过程中实现三面焊接。
    3.异形构件的加工制作
    由于多功能演播塔钢构件全部为外露构件，且中国建筑金属结构信息网直接与结构外建筑轮廓重合，在结构构型过程中采用了大量的异形构件，给加工制作带来一定困难。
    （1）楼梯间格构柱三角形截面角柱
    楼梯间三角形截面钢柱如图12所示。钢柱的组装首先需要制作特殊的胎架。由于钢柱内部需要焊接三角形横隔板和矩形的半肋，三角形柱最后组装的一块盖板需要分割为几块组装，以保证内部三角形横隔板能实现三面焊接。
    （2）演播厅水平梯形截面钢梁

    梯形截面水平梁主要用于多功能演播厅的水平横梁，如图13所示。图中节点区与屋面斜梁焊接，为保证构件壁板的局部稳定及节点区刚度，在节点区内焊接横向及纵向隔板。为保证节点区内部隔板的焊接，所有节点区均单独制作成型，之后与梯形截面构件拼接完成整根构件的制作。
    （3）多功能演播厅棱线钢梁


    多功能演播厅棱线钢梁为异形箱形截面构件，如图14所示。由于演播厅结构建筑外形为锥形，锥形的两个锥面在棱线钢梁上汇交，为保持钢梁面板与棱锥面一致，钢梁在焊接箱形截面的基础上对面板进行弯折，形成如图13所示的翼缘板弯折的箱形截面构件。与其他构件相似，所有节点区均单独制作完成，以保证节点区内部隔板的焊接要求。组装时根据截面形状制作特殊的胎架进行组装。

    五、结论
    从演播塔工程的深化设计，加工制作和现场安装过程，可以得到以下结论。
    1.箱形截面构件的汇交节点一般内部有众多的横隔板和加劲板。在深化设计过程中要尽量简化隔板的设置，并合理规划隔板组装顺序，确保满足设计要求的焊接和构造要求。
    2.箱形截面构件节点应该合理规划连接板的设计，避免大量的焊缝重叠现象，以保证节点连接不但具有足够的刚度，还具有必要的延性，尽量减少地震荷载作用下节点区的脆性破坏发生。
    3.对复杂结构要合理进行拆分，确定的加工分段不但要便于加工制作，还需满足现场安装方便的要求。
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