大跨钢结构合拢与卸载研究
太原理工大学
硕士学位论文
大跨钢结构合拢与卸载研究
姓名：杜秀丽
申请学位级别：硕士
专业：结构工程
指导教师：张永胜
20070501
太原理工大学硕士研究生学位论文
第１章绪论
１．１引言
国家体育场屋盖钢结构属大跨度空间巨型钢桁架工程，建筑顶面呈马鞍型，长轴为３３２．３ｍ，短轴为２９７．３ｍ，最高点高度为６８．５ｍ，最低高度为４０．１ｍ。屋盖中间开洞长度为１８５．３ｍ，宽度为１２７：５ｍ。主要由４８榀主桁架围绕屋盖中间的开口放射型布置而成，主桁架与立面结构及顶面次结构一起形成了特殊建筑造型，大跨度空间钢屋盖支撑在周边的２４根桁架柱之上，并将荷载传至基础【”。图卜１为国家体育场主桁架施工现场。
图１－１国家体育场主桁架施工现场
主桁架尽可能直通或接近直通，并在中部形成由分段直线构成的内环洞口。为了避免出现过于复杂的节点，４榀主桁架在内环附近截断，用分段直线代替主桁架空间弯扭弦杆，以减少构件的加工难度。
国家体育场的形象完美纯净，外观即为建筑的结构，立面与结构达到了完美的统一。结构的组件相互支撑，形成了网络状的构架，它就像树枝编织的鸟巢。体育场的空间效果既具有前所未有的独创性，却又简洁而典雅【２】。为达到预定的视觉效果，编织鸟巢用的杆件均为箱型构件，其中，主桁架断面高度为１２ｍ，上弦杆截面为１２００ｒｍｎＸ１２００ｍｍ～ｌＯＯＯｍｍ×１０００姗，下弦杆截面为１０００衄ｘ１２００ｍｍ～８００ｍｍ×８００ｍｍ，腹杆截面基本为６００ｍｍＸ６００哪。桁架柱为三角形格构柱，每根格构柱由两根１２００ｍＸ１２００ｍｍ箱型外柱和一根１２００ｍＸ１２００ｎｌｎ菱形内柱组成，腹杆截面为１０００ｎ－ｄⅡＸ１２００ｍ。立面次结构的截面为１２００珈ｎＸ１２００ｍｍ，顶面次结构的截面主要为１０００ｍｍＸ１０００衄。主桁架中钢板的最大厚度为７０ｍｍ：当钢板厚度≤３４ｍｍ时，采用Ｑ３４５Ｄ钢材；当钢板厚度为３６ｒｍ～ｌＯＯｍｍ之间时，采用Ｑ３４５ＧＪＤ钢材。立面次结构板厚集中在１２～１６ｍｍ之间，部分截面板厚达３０珊１３１。
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根据国家体育场工程结构形式特点，整个屋盖钢结构的安装选用散装方案，即所有构件分成吊装单元分段进行安装，下设支撑塔架，高空对接，结构形成后进行卸载。为此，主桁架共分为１８２段，其中平面桁架共１６６段，立体桁架共１６段，分三个阶段六个步骤进行安装，先南北，后东西，内外同时进行。立面次结构共分为４１８个吊装分段，并随主结构的安装进度对称进行安装【４】。图１—２为国家体育场主桁架安装图。
图卜２国家体育场主桁架安装图
国家体育场钢结构工程结构体系复杂，跨度大，结构本身的温度变形和温度应力较大，结构使用过程中，温度变化对结构内部杆件的受力影响较大，为保证使用过程中的安全，特别是北京地区极限最高温度和极限最低温度时的安全，必须选择合适的合拢温度，以减少结构使用过程中的温度变形和温度应力。根据原设计要求，主桁架的合拢温度为１４℃±４℃，立面结构与顶面次结构的合拢温度为１４℃±８℃。
国家体育场屋盖钢结构属于特大型大跨度钢结构，双榀主桁架贯通最大跨度２５８．３６５ｍ［５１。由于“鸟巢”结构的钢构件直接暴露于室外，冬季时，钢构件的温度与室外气温基本相同。夏季时，室外气温最高，同时太阳照射强度也最大，太阳照射将引起构件温度显著升高。屋架上、下弦膜材之间的空气流动性较差，屋架内部温度明显高于室外气温，形成“温箱”效应。另外，结构在迎光面与背光面的温差，以及屋面、立面钢构件的温差将形成梯度较大的温度场分布。加之国家体育场大跨度钢结构的平面尺度很大，结构形成过程和使用过程存在较大的温差，温度变化将在结构中引起很大的内力和变形１６】，对结构的安全性与用钢量将产生显著的影响。
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主体钢结构采用７８个ｌ｜缶时支撑点分段高空散装门的安装方法，同时明确了同主结构同期安装的立面次结构的范围，在主体钢结构安装完成，并完成所有的焊接工作后，需要对已经形成的主结构和立面次结构进行整体的卸载。对于部分未能在主结构安装时，随主结构同期安装的屋面天沟、各专业吊挂件等，将同样需要在卸载前按设计要求完成高空的安装和焊接工作【剐。
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，是南京市规划中的城市副中心的重要组成部分。该工程是江苏省政府“十五”计划的重点工程，也是“十五”期间开工建设最大的社会事业项目，是标志性建设工程。其中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。一层设有新闻媒体、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１２７９８２ｍ２，６万多个席位即。图卜３为奥体中心主体育场效果图。
图ｌ一３南京奥体中心体育场效果图
奥体中心主体育场的钢结构屋盖包括Ｖ形支撑、南北走向跨度为３６０．０６ｍ的主拱、由多道平行的箱型梁形成的马鞍形屋面罩棚等。罩棚的径向长度为６６Ⅲ～２８ｍ，覆盖面积３２０００ｍ２左右。主拱南北方向对称布置，最高点为拱顶，标高达６５ｍ。屋面系统东西及南北对称，钢结构总重量约为１２０００ｔ。其中主拱为空间管桁架结构，其支座间距离为３６０．０６ｍ，弧线长度约４００ｍ，单榀主拱重量达１６６４ｔ。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。主弦管为由１０００和巾５００的钢管，壁厚有１２、１６、２０、３４、４４、５４和６０珊七种，腹杆的直径为中３００～由６００。主拱节点采用铸钢节点和相贯节点，两榀主拱分别向东、西方向倾斜，支承在屋面箱型梁上。屋面系统由箱型梁、环梁、连系梁、屋面支撑及檩条等组成【Ⅲ。每根
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