国家大剧院壳体钢筋结构工程

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1、国家大剧院壳体钢结构施工关键技术 工程位于北京人民大会堂西侧 长安街南面 占地 面积约20万m2 总建筑面积15万m2 该工程中心建 筑为一超级椭圆形半球壳体 壳体四周环绕巨大水 池 使壳体犹如珍珠半浮于水面 壳体长轴为 212 20m 短轴为143 64m 半竖轴为46 285m 其 内部容纳了歌剧院 戏剧院 音乐厅三个独立的大 型建筑 壳体是一个独立的结构 支承于混凝土环 梁上 与其内的建筑没有结构上的联系 主体建筑 下部为三层地下建筑 1 1 工程概况 模型图 剖面图 壳体系全钢结构 其由顶环梁 梁架 斜撑和环 向连杆等结构件组成 通过节点连接 并同壳体坐 落的钢筋混凝土环梁连接固定 形

2、成稳定的空间结 构体系 壳体总重约6750t 顶环梁 位于壳体中心顶部 其平面为 折线椭圆形 长轴为53 82米 短轴为36 40米 顶环梁呈曲面状 曲面矢高2 5米 其由圆周环 梁 1117 6 25 4mm 两根纵向矩箱梁和其 它构件组成 辐射梁架 A类梁架 箱梁 分段顶环梁 顶 环 梁 系 主 要 构 件 图 解 梁架 呈中心辐射状分布 共148榀 系 由两椭圆弧线构成的刚架 底宽约4米 顶宽约2 米 最大长度约98米 梁架分A B两类 A类梁 架采用60mm厚钢板拼焊而成 B类梁架采用H型钢 焊接而成 梁架上端与顶环梁连接 下端坐落在 钢筋混凝土环梁上 B类梁架A类梁架 环向连杆 连接

3、梁架的主要构件 呈水平 环状布置 自梁架根部至上端共41 2道 采用 140 8mm 194 5mm钢管 连接形式为铸钢 件连接和套筒连接 环向连杆和连接节点 铸钢件节点套筒节点 斜撑 分布在壳体平面正交轴的四个对角线上 每个斜撑区分布范围为 9个梁架节间 其作用是 增加壳体的稳定性 斜撑采用 194 12mm钢管连 接节点采用插入钢板焊接 斜撑区 斜撑照片 北面 斜撑 变化 斜 撑 节 点 1 2 工程难点和特点 a 体量巨大 该壳体系超大型空间结构 其结构投影面积约2 5万m2 结构包容的空间约87 3万m3 体量大 b 结构稳定 该壳体须待整个结构完全形成并连接固定后方为稳定的 空间结构

4、 如何保证施工阶段的结构稳定至关重要 c 变形控制 该壳体为非正椭圆形半球体 几何形体特殊 结构自身 变形复杂 施工过程的变形控制难度大 1 2 工程难点和特点 d 构件单薄 壳体的主要结构构件梁架厚度仅60mm 平面外刚度极差 因而梁架的起板 搬运 吊装和校正必须采取特殊的 技术措施 e 环境复杂 壳体内包容了三个建筑物 且整个壳体结构坐落在多层 地下结构之上 周围区域正在进行土建施工 场地标高 差异大 施工方案的选择和施工平面布置受到很多限制 f 难以通视 壳体外形弧线上拱量较大 周边可退视距离较小 用常 规的测量方法 无法解决通视问题 构件分段跨外综合对称安装 即将构件在工厂按部件制作后

5、运输至现场 组 合成吊装单元 东 西 南 北各设一条作业线 按中心对称的施工顺序 先中心环梁 后梁架 再 环向杆件进行逐件节间安装 安装前 根据控制结 构变形 确保安装精度的原则 设置可调节的临时 支撑系统 作为各构件支承和施工阶段结构稳定的 依托 待结构形成整体 完成全部节点连接后 再 根据变形协调 卸载均衡的原则 按一定顺序拆除 临时支撑 完成整个钢壳体的安装 2 施工工艺 2 1施工技术路线的确定 施工总平面布置是以壳体为中心 分三块区域进行 安排 南 北两块 分别构件拼装区 其中北块设东 西二块拼装地 南块设东 西 中三块拼装地 中间为 吊装区 吊装区及拼装区 分别在 0 000 7

6、000 和 13 900的三个不同层面上 最大高差达14m 在吊装区 和拼装区周边地区 基坑 7 000米标高处设置施工通道 2 2 施工总体方案 2 2 1 施工总平面布置 吊装区域以中心环梁为中心 以壳体斜撑区为分界 划分为中心环梁 四个梁架节间等五个吊装作业区 分块按序对称进行壳体结构安装 2 2 2 吊装区域划分 第一 工作区 第二 工作区 第三 工作区 第四 工作区 第五 工作区 a DEMAG CC2800 600t 履带式起重机 1台 先选用超起工况 接60m主臂 84m 副臂 定位北面进 行中心环梁吊装 然后选用常规工况 接60m主臂 84m副臂 在北面 进行第二 三 四 作业

7、区的上段梁架 节间吊装 2 2 3 施工机械选用 b 行走式 M440D 600t m 塔吊 二台 两台M440D 600t m 塔式起重机接55m起 重臂 位于壳体东 西两侧行走 进行第 二 三 四作业区的 中 下段梁架节间及 柱靴吊装 c SK560 600t m 固定式塔吊 1台 SK560 600t m 塔 式起重机定位于壳 体南面 接50 8m 起重臂 进行第五 作业区的吊装 2 2 4 施工总流程 施工流程安排对于壳体施工阶段的结构稳定和壳体变 形控制至关重要 在满足对称安装总原则的前提下 遵循 以下三个原则 先中心结构 后周边结构 先结构加强区 域 后一般结构区域 先安装固定 后

8、结构荷载转换 2 3 主要构件吊装工艺 本壳体主要结构件梁架构件细长 平面外刚度较差 其起 板和安装难度极大 因此 在梁架起板和安装时采用了如 下施工工艺 合理分段 减小构件长度 下段梁架 中段梁架 上段梁架 梁架柱靴 u 利用悬挂脚手架 进行侧向加固 增加构件刚度 u 合理选择 吊点吊具 减少构件吊装附加荷载 u 临时 支撑 揽索 校正固定 保证梁架就位稳定 2 3 1 壳体变形分析 壳体结构自重引起壳体变形是结构变形的主要矛盾 2 3 壳体预变形 其变形分析如下 壳体由中心环梁和148榀梁架组成 其中长轴梁架102榀 按短 轴对称分布在东 西两侧 短轴梁架46榀 相对于长轴 北边分布 32

9、榀 南边分布16榀 由于短轴梁架及屋面覆盖自重均较长轴梁架 及覆盖层自重大 因而壳体结构按短轴对称分布 按长轴不对称分 布 按变形计算结果 结构自重引起的变形量比较大 并通过结构 安装过程逐步累积 是壳体变形的主要因素 结构自重引起的变形 见下面对照 a 壳体在结构自重作用下 Z向 竖向 143 mm X向83 mm Y 向 20mm 与壳体结构分布状况对应 壳体顶部向南变形 83 mm b 壳体在恒载作用下 Z向 竖向 191mm X向 98mm Y向32 mm 与壳体结构分布状况对应 壳体顶部向南变形98mm 2 3 2 壳体变形控制 根据变形分析 对壳体变形控制的思路是针对壳体变形 主要

10、矛盾 简化变形关系 将空间关系转化为平面关系 通 过多向 多环节的平面变形控制措施控制和减少壳体变形 确保壳体结构安装精度 这一思路通过以下的环节实施 一是上段梁架在竖向 平面内做竖向预变形 根据壳体顶部最大下挠值 竖向变 形为170 mm 这样解决了竖向变形的主要问题 使大部分 节点的变形接近或控制在允许偏差范围内 二是通过梁架 上段的屋面支座作适当调整 解决径向变形和局部竖向变 形 竖向预变形示意图 通过梁架上段的屋面支座作适当调整 解决径向变形 和局部竖向变形示意图 为验证预变形方案可能导致的结构初始偏差对壳体整 体稳定性的影响 进行反复分析验算 验算结果证明其整 体稳定性与法国设计方的

11、方案相当 验算结果如下表一 二 Buckling Mode123 预变形方案 法方 3 426543 579403 71836 预变形方案 中方 3 389173 540333 67817 表二 自振特性对照表 频率 frequency 1 Hz 2 Hz 3 Hz 预变形方案 法方 0 465590 555670 76054 预变形方案 中方 0 467530 558860 76124 表一 整体稳定系数对照表 2 4 壳体预拼装和节点优化 对壳体预拼装方案研究的基本思路是从节点构造优化 着手 将壳体整体预拼装化为局部结构整体预拼装和主要 构件单件平面预拼装 并通过壳体制作安装过程的控制以

12、及过程数据的传递 以达到整体预拼装的效果 2 4 1 壳体预拼装研究 u 中心环梁整体空间预拼装 u 梁架平面预拼装 为实施上述壳体预拼装方案 必须对原设计的梁架 与环向水平连杆的连接节点构造进行优化 2 4 2 节点构造优化 u 双铸钢件高强螺栓摩擦连接改为单铸钢焊接节点 u 法兰螺栓连接改为套筒焊接节点 l 避免了连接段定位必须的壳体空间预拼装 l 节点形式简化 受力更为明确合理 l 节点安装调节余量大 方便安装 l 节点加工成本降低 2 5 壳体定位与测量 2 5 1 测量难点 l 壳体结构形体庞大 其安装测量控制点众多 测量精 度要求高 l 壳体为非椭圆形半球体 其曲面方程为 因而壳体

13、外形弧线上拱量较大 结构上下通视较差 l 壳体周边测量可退视的距离较小 也无测量制高点可 供选择 2 5 2 测量方案 通过对壳体结构组成及外形和周边环境进行了多次 深入分析 踏勘和研究 在壳体定位测量研究的思路 上不就事论事 而是从根本上先把问题简化 然后再 采用简单有效的方案解决壳体的定位测量 环梁平面 148榀梁架平面 具体做法 先把复杂的空 间结构转化为平面结构 把壳 体按其结构组成分解为150个 平面 即中心环梁和混凝土底 环梁各一个水平面 梁架148 个竖直平面 然后采用常规的 测量工艺有效的解决壳体的定 位测量 u 在中心支撑 S0 顶面设置平面和高程控制点 作为 顶环梁安装的控

14、制依据 2 5 3 实施方案 u 建立平面和高程控制网 选用高精度全站仪和经纬仪 将 148榀梁架的投影标示在混凝土结构面层上 作为平面控制网 u 选用高精度水准仪确定分段梁架支撑点标高 考虑支 撑的压缩变形 支撑点标高比理论值高10 20mm u 选用T2经纬仪 根据平面控制网从场内或场外确定相应 梁架平面 解决通视难题 u 梁架上 下弦均设测量标尺 通过浪索及专用工具 进行梁架竖平面内的校正定位 2 6 安装用支撑选型和设计 采用螺栓球节点网架作支撑体系 其特点 l 支撑整体性好 水平与竖向刚度大 l 对荷载的扩散明显 单个支点荷载小 避免或简化 了下部结构加固 l 安装和拆除方便 不需要

15、机械配合 l 80 杆件采用标准杆件 可重复使用 2 6 1 支撑选型 2 6 2 支撑设计 u 支撑布置 根据壳体结构特点和壳体安装施工工况要求 整个支撑系统布 置三道 其中 S0为中心支撑 主要支撑中心环梁 S1为外圈支撑 支撑下段和中段梁架的连接点 S2为内圈支撑 支撑中段和上段梁架 的连接点 u S0网架支撑 坐落在歌剧院屋顶上 系高低不一的平板式网架 高差8m 平 面为60 42m的多边形 顶层为 正放四角锥网架 下层为排架式网架 网架中间作抽空处理 u S1 S2网架支撑 支撑落点从地下 7 00m至地上33m结构屋面 高差达40m 支撑平面 为拟合椭圆的多边形 顶层采用四角锥网架

16、单元 其立柱位置均与楼层 下的隔墙位置相对应 砼结构不作加固处理 又便于施工时人流 物流 的通行 u 转换层 为了将结构的集中荷载扩散至网架支撑的节点上 专门设置了由 型钢组成的转换层 45 S0转换层 S1 S2 转换层 2 7 壳体结构荷载转换 临时支撑卸载 2 7 1 卸载工艺 卸载工艺制定原则 以结构计算为依据 以结 构和支撑安全为宗旨 以变形协调为核心 以实时 监控为保障 卸载工艺 利用设置支撑转换层上的可调节支 撑装置 即螺旋千斤顶 按多次循环 微量下降 的原则 逐步实现荷载平稳转换 卸载前提条件 壳体结构全部安装完毕 所有节 点全部连接并验收合格 梁架底部的钢锲及侧向限 位全部拆除 以实现支座转换 卸载用支架及螺栓 千斤顶安装到位并顶紧 2 7 2 卸载步骤及计算依据 壳体安装时共有3道临时支撑 其S1为外环支撑 S2 为内环支撑 S0为中心支撑 卸载步骤分为整体步骤和每 一步骤的子过程 整体步骤分为13步 按先S1 后S0 S2循环下降 每步下降值5 10mm 每一步骤的子过程 通过分布在三道支撑上的148个点逐步分轮下降 每次下 降1 4mm 这样通过多步骤循环下降