国家体育场钢结构施工过程模拟分析

转载自建筑结构-《国家体育场钢结构施工过程模拟分析》，作者：范忠、刘显明、胡天兵、范学伟、赵丽华

0 前言

国家体育场钢屋盖结构属于特大型大跨度空间结构[1-2]。 构件自重产生的内力占很大比例。 屋面钢结构施工顺序对构件在重力荷载作用下的内力有显着影响。 根据本项目总工期要求，首先施工看台大部分混凝土结构，随后施工屋顶钢结构。 协调屋顶钢结构安装与混凝土结构施工的关系，对于保证混凝土看台的连续施工和屋顶钢结构的顺利安装具有重要意义。 纵观整个国家体育场钢结构设计过程，通过与北京城建集团、中信隆基钢构等相关单位的密切合作，最终形成了施工图设计文件中使用的钢结构安装技术方案。

国家体育场设计中对大跨钢结构施工过程进行模拟分析的主要目的是在综合考虑总工期要求的基础上，对大跨钢结构施工顺序提出建议，现场安装条件和结构优化，并从结构设计的角度提出了钢结构现场安装的技术要求。

2006年9月13日至2006年9月17日，国家体育场主体钢结构支撑塔进行卸载工作。 卸货完成后，主体钢结构与78座临时支撑塔完全分离，实测顶板变形值与理论计算值非常接近。 此次成功卸荷过程是“鸟巢”钢结构建设的一个重要里程碑，对于整个2008年北京奥运会建设工程的进展具有重要的象征意义。

1 钢结构安装方案

1.1 确定钢结构安装方案的原则

大跨度钢结构常用的安装方案有整体吊装、分段滑移、分段吊装高空拼装（简称散装法）和局部吊装等。 如果采用整体吊装方案，混凝土看台无法提前施工，对总工期影响较大。 由于国家体育场建筑顶面呈马鞍形，分段滑动的使用受到限制。 设计中未采用初步设计修改前的“加大内环桁架整体吊装+外围主桁分段吊装”的安装方案。 主要原因是屋盖结构没有真正意义上的内环桁架。 设计调整后，各贯通桁架形成的内环长轴方向长度为185.3m，短轴方向长度为127.5m。 平面尺度大，高差大，整体刚度弱。 另外，内环桁架在地面的整体拼装也会对混凝土看台的施工产生较大的影响。 因此，在设计中，建议国家体育场屋面钢结构安装采用高空散装安装方式。

国家体育场屋面钢结构的施工顺序将对结构构件在重力荷载作用下的内力产生显着影响[3-4]。 根据总工期要求，首先施工看台大部分混凝土结构，随后施工屋顶钢结构。 在钢结构施工图设计中，施工顺序设计主要遵循以下原则：

（1）符合现场实际情况，满足总体施工进度要求。

(2)控制起重设备的重量，减少对超大起重设备的需求。

(3)通过控制施工顺序实现结构优化目标。

（4）考虑多个单位参与建设，尽量减少相互影响。

1.2 临时支撑塔布置

临时支撑塔的布置应尽可能均匀、对称。 临时支撑塔的数量不宜太少，以免对起重设备的起重能力要求过高。 起重机最大起重能力应控制在800t以下。 同时，临时支撑塔的数量不宜过多，否则会对下看台混凝土结构的施工产生较大影响。

临时支撑塔位于主桁架下弦交汇处。 主桁架建模时，在临时支撑塔设置的位置采用双K节点。 双向主桁架共有四个腹杆相交于主桁架的下弦节点。

屋盖结构内共安装临时支撑塔78座，分为外环（Z1～Z25）、中环（Z26～Z50）和内环（Z51～Z80），见图1。

1.3 钢结构安装顺序比较

国家体育场钢结构安装工程，根据主次结构安装顺序的不同，提出了不同的施工方案。 简要阐述了三种主要施工方案的技术特点。

（1）方案一——主次结构总体安装方案同时安装主体结构、立面次结构、肩部及顶面次结构。 主次结构全部安装完毕后，进行整体卸载。 其主要特点如下：

1）遵循传统施工惯例，路肩和顶部下部结构安装难度较小；

2）主次结构差异不明显，罕见地震时塑性铰很难以理想的顺序出现；

3）结构用钢量大，温度效应和地震效应相应增大；

4）临时支撑塔荷载大，支撑塔结构用钢量大；

5）临时支撑拆除较晚，对下部混凝土结构、室内装修工程、设备安装进度的最终完成造成较大影响。

(2)方案2——肩部及顶部下部结构后部装配图

首先，安装主体结构和立面下部结构。 主体结构卸载后，安装路肩和顶部下部结构。 其主要特点如下：

1）台肩、顶部二级结构构件内力显着减小，构件壁厚减薄，结构总用钢量减少，温度和地震作用的影响减小； 主次结构差异显着，能形成良好的抗震体系；

2）临时支撑塔荷载小，支撑塔结构用钢量少；

3）临时支撑拆除较早屋面钢结构施工方案，对下部混凝土结构最终完工、室内装修工程、设备安装进度影响较小；

4）主体结构卸载后，结构形态发生一定变化，增加了路肩和顶部下部结构安装的难度。

(3) 方案3——路肩与顶部下部结构临时搭接方案。 为了减少后期吊装工作量，所有立面下部结构（包括路肩）和顶部下部结构均在主体结构卸载前安装完毕。 但肩部和顶部下部结构与主体结构暂时重叠。 节点仅传递下部结构的重量，下部结构内部的节点是刚性连接的。 其主要特点如下：

1）提前完成后期吊装工作，减少起重机占用场地对各类交叉施工工程的影响；

2）下部结构构件数量较多，计算模型模拟边界条件复杂度较大；

3）主体结构卸载过程中，次要结构与主体结构连接点受力情况复杂，可能出现自由滑动、脱离或较大约束等多种情况；

4）卸货过程不确定性大，风险高。 经过对上述三种安装顺序的反复比较和论证，国家体育场钢结构安装过程中最终采用方案二。

1.4 钢结构主要安装步骤

国家体育场钢结构设计采用的主要施工步骤如下。

第一步：安装桁架柱底座、立面下部结构底座、楼梯柱底座； 搭建临时支撑塔78座。

第二步：分段吊装桁架柱、立面下部结构（倒角区域以下部分）、楼梯柱下部、立面楼梯。

第三步：开始主桁架分段吊装工作。

第四步：主桁架分段吊装工作完成。

第五步：进行主桁架隔板之间的整体合拢工作。

第六步：卸载主体钢结构，拆除临时支撑塔。

第七步：安装顶部下部结构、角区立面下部结构、楼梯柱上部。

第八步：安装马场及各种设备吊挂支架、屋顶ETFE膜结构及下弦PTFE吸声吊顶、灯光、音响、大屏幕等设备。

国家体育场钢结构施工图设计采用的主要安装步骤如图2a至图2h所示。

2 施工模拟计算方法

计算分析表明，安装顺序对大跨结构构件的内力和变形有显着影响。 因此，有必要对国家体育场大跨度钢结构的施工过程进行详细的施工模拟分析。

在大跨度结构设计中，采用有限元法计算程序中逐个激活“死”单元（不参与整体结构分析的构件）的技术来分析钢结构的整个施工过程。结构并在整个施工过程中模拟结构。 刚度和负载的变化。 建立整体结构分析模型时，包括结构的所有节点和单元。 整个施工过程分为几个主要阶段。 当进行第n阶段的结构应力分析时，后续阶段安装的单元被指定为“死”单元。 这些“死”单元没有刚度和自重。 在第n+1阶段施工的应力分析过程中，该阶段施工安装的“死”单元被激活，以恢复其应有的刚度和自重效应。 “激活”单元建立在结构变形后的几何配置上。 第n级“激活”部件的重力载荷产生的内力和位移叠加在前几级重力载荷产生的内力和位移上。 在后续施工阶段安装的装置仍然是“死”装置。 重复上述过程，可以模拟整个施工过程中结构构件的内力和变形的发展过程。

为了正确反映结构在施工过程中和施工后的受力状态，在整体结构分析模型中将上述8个主要安装步骤分为4个受控施工阶段。

第一阶段（相当于第四步）：24根桁架柱、立面二级结构、主桁架、立面楼梯已吊装。 主桁架上弦在临时支撑塔上方施工断面处断开，形成断面。 简支十字桁架。

第2阶段（相当于第5步）：主体结构成型，临时支撑塔卸荷。

第三阶段（相当于步骤7）：顶部下部结构、角区立面下部结构、楼梯柱上部安装。

第4阶段（相当于第8阶段）：膜结构、跑马场、音响设备

设备、灯具、排水管及各种管道均已安装完毕。

3 主要计算结果及分析

3.1 临时支撑塔反力及卸载变形分析

为配合国家体育场钢结构临时支撑塔的设计及卸货工作，根据总承包商提供的卸货时钢结构安装完成情况，计算临时支撑塔的反力及对钢结构的卸荷变形值进行了计算，作为国家体育场钢结构卸荷变形控制的参考依据[5]。

卸货期间，桁架柱、路肩以下立面下部结构及大楼梯、主桁架、维修马道、部分天沟及PTFE膜结构连接件安装已完成。 顶面主桁架施工荷载按​​0.10kN/m计算。 由于卸料时的温度与合模温度的差异对临时支撑塔的反作用力和钢结构的竖向变形有一定的影响，因此卸料时的温度也应尽可能与合模温度一致[ 6]。

临时支撑塔反力和钢结构卸载变形的估算值如表1和图3所示。

计算结构表明，内环临时支撑塔间距较小，支撑反力较小； 外环临时支撑塔间距较大，支撑反力较大，最大反力为2093kN。 钢结构卸载后，主桁架挠度内大外小。 内圈中部附近最大垂直变形量为286mm。

由于多种复杂因素的影响，大跨度钢结构的实际刚度很难与计算假设完全一致。 钢结构卸荷时实测变形与计算值一般存在一定差异。 大跨结构的卸荷过程是对结构计算假设和构件节点设计、施工加工生产、现场安装质量和焊接质量的综合检验。 卸载后实测顶板内环中部的平均最大挠度为271mm，与理论值286mm非常接近。 这说明设计中使用的计算模型非常准确，各种假设都非常接近实际情况。

3.2 各施工阶段构件内力变化

为了正确反映结构在施工过程中和施工完成后的情况，在结构整体分析中考虑了相应的四项控制措施。

施工阶段的计算模型及受力状态。 仅考虑结构自重效应时，主桁架T10A、p10轴桁架柱、p10~p11轴立面下部结构、顶面下部结构P各施工阶段典型单元的应力和跨中最大挠度变化-5B5A如表2所示。 从表2可以看出，随着施工阶段的进展，构件最大应力和跨中最大挠度不断增大。 对于主体结构来说，支撑塔的卸载引起的构件应力和挠度变化最大。

3.3 主、次结构安装顺序的影响

安装顺序对大跨结构的用钢量有一定影响。 在安装过程中，如果屋顶二次结构与主体结构同时安装，则二次结构构件的内力将明显增大，导致二次结构构件的截面壁厚增加，结构中的钢材用量； 一级结构和二级结构之间没有区别。 显然，地震作用的影响增大，使得塑性铰链难以按规定顺序出现屋面钢结构施工方案，形成良好的抗震系统。 另外，临时支撑塔的位置和数量的合理布置将对安装过程中主要结构构件的受力状态产生很大影响。

3.3.1 二级结构内力分布规律

当考虑主体结构与顶部下部结构同时安装以及临时支撑塔卸荷后安装下部结构时，顶部下部结构内力变化规律如图4和表3所示。从计算结果可以看出，安装顺序对顶部下部结构的内力影响较大。 当采用主体结构和次要结构同时安装的顺序时，构件的轴力比临时支撑塔卸荷后再安装次要结构时的轴力大2～3倍。 虽然两种安装顺序对顶部下部结构面内弯矩影响不大，但当采用主体结构与下部结构同时安装的顺序时，构件面外弯矩大于临时支撑塔卸载后安装下部结构时。 2至5次。

3.3.2钢材消耗对比

当考虑主体结构与顶部下部结构同时安装以及临时支撑塔卸荷后安装下部结构时，结构用钢量变化见表4。从表中可以看出由图4可知，安装顺序一般对桁架柱、主桁架和立面下部结构的用钢量影响不大。 然而，当临时支撑塔卸载并安装顶部下部结构时，桁架柱内柱和主桁架下弦的用钢量明显减少。 安装顺序对顶部下部结构和角区下部结构的用钢量影响较大。 采用临时支撑塔卸载下部结构并安装下部结构时，顶部下部结构（含转角区域）用钢量减少662t。这主要是由于下部结构缺失所致

承受临时支撑塔卸荷过程中主桁架所承受的结构整体重力荷载作用，顶部下部结构内力显着减小。

3.4 板内下部结构安装顺序的影响

下部结构在板内的安装顺序对下部结构的内力和变形有一定的影响。 对于顶部下部结构，可考虑单件散装和分段吊装两种方法。 采用单件散装方案时，应按照先吊装一次下部结构，再安装二次下部结构的顺序进行安装。

屋面下部结构可采用单件散装安装和分段吊装两种方式安装。 两种安装方式的主要特点如下。

单件散装包装：高空拼接节点数量较多，对吊装设备要求较低。

分段吊装：高空拼接节点数量少，对吊装设备要求高。

在施工模拟分析中，为了简化计算，假设下部结构采用分段安装。 考虑到下部结构板面积大、分件吊装难度大、单件散装包装的实际可能性，专门针对安装顺序可能对设备造成的不利影响进行了计算分析。下部结构部件的内力分布。 典型的顶部下部结构板 P-5B5A 单元编号如图 5 所示。

在进行施工过程模拟计算时，假设二级结构与周围主体结构铰接，二级结构刚性连接。 只考虑构件本身的自重，还考虑构件平面内外和承压构件计算长度的变化。 有效面积的影响。 单件散装的顺序为第一步安装单元1-1和1-2，第二步安装单元2-1和2-2，安装单元3-1、3-2和3 -3在第三步中同时进行。 单件散装吊装和分段整体吊装时构件的应力比见图6、表5。 从表5可以看出，两种安装方式对构件的受力影响较大。 对于单件散装施工，主要构件首次安装时的应力明显高于整件吊装。 1-1构件的应力是整件吊装的1.86倍，而后来安装的下部结构的应力则有所降低。 因此，在确定顶部下部结构构件吊装方案时应考虑上述因素的影响。

4 主次结构分期安装误差分析

4.1 安装错误的原因

安装误差的原因可分为结构应力变形、加工安装精度、温度变化等几种情况。 主体结构卸载后会产生一定的变形，而路肩和顶部下部结构在安装过程中会对相邻下部结构的安装产生一定的影响。 由于现场条件限制，主桁架无法预组装，容易出现偏差。 次要结构通过牛腿与主体结构连接，主体结构的弦杆常有多个牛腿。 准确对齐所有牛腿是非常困难的。由于国家体育场的钢结构使用了大量钢板焊接的箱形构件[7]，因此在屋肩上采用了空间扭曲的箱形结构。

[8-9]，这类大尺寸焊接薄壁箱形构件的不对中控制比较困难。 本项目钢结构加工安装施工周期超过一年，季节气温变化范围较大，对构件长度产生一定影响。

为研究卸荷后主体结构构型变化对路肩及顶部下部结构安装的影响，采用有限元计算与三维空间建模软件CATIA分析相结合的方法对顶部及路肩下部结构进行分析。分别。 对主体钢结构卸荷前后的变形进行了详细分析。

4.2 安装后下部结构几何形态变化分析

分别选取顶部下部结构典型板P-8A8B、P-11A11B和肩部下部结构典型板P-7A8B、P-9A10B。 下部结构构件布置如图7、图8所示。主体结构卸载，路肩、顶部下部结构全部安装完毕后，构件长度变化见表6、表7。由表可见对于顶部下部结构板，构件长度变化一般可控制在10mm以内。 对于路肩下部结构板，杆件长度变化一般较小，仅3号杆（长度31.323m）长度变化为23.1mm。 可以看出，卸载后主体结构构型的变化对次要结构构件的长度影响不大。

由于结构刚度较大，构件弹性变形较小，主桁架板内的变形主要为刚体位移。 考虑到国家体育场钢结构的复杂性，包含大量扭曲的箱形构件，设计文件中没有要求钢结构预拱。 部件可按原尺寸模型加工，降低了加工、制造和安装的难度。 由于本项目采用高空散装安装方式，对构件偏差的适应能力较强。 二次结构构件长度的变化可以通过调整构件两端焊缝间隙等多种措施来处理。 安装误差也可以通过后组装部分进行调整。 。

5 钢结构安装技术要求

5.1 钢结构安装的基本要求

(1)根据吊装单元，在现场地面分段拼装桁架柱、主桁、下部结构。

(2)结构构件及各种设备吊具的安装过程应遵循对称、平衡的原则。

(3)充分考虑温度、焊接变形、安装精度等引起的累积误差，采取相应的施工对策。

(4)严格控制结构整体闭合温度。

（5）建立完整的施工测控系统，对整个安装过程中构件的几何定位、变形和应力进行监测。

（6）屋面下部结构、角区立面下部结构及上部楼梯柱安装时，应采取有效措施适应卸载引起的主体结构变形。

（7）屋顶ETFE膜结构和下弦PTFE吸声吊顶的安装也应遵循对称、平衡、同步的原则。 钢丝绳应分级张拉，严格控制各板间的不平衡力。

5.2 临时支撑塔设计原则及钢结构卸荷点

(1)临时支撑塔宜设置独立桩基础。 由于临时支撑塔很高，应考虑其在垂直荷载作用下的压缩变形。

（2）支撑塔结构应具有足够的安全性，按有关规范进行抗风、抗震设计，并通过现场试验检验其稳定性，保证其刚度和稳定性。

（3）整个施工期间，应保证各构件及隔断结构的稳定性。

（4）有条件时，可采用混凝土结构作为临时侧向稳定支撑结构，并结合其他有效措施，保证施工过程的安全。

(5) 整个结构分阶段同步卸载，临时支撑塔

反作用力/垂直变形严格按比例控制。

（6）卸载过程中实时监测结构的位移和应力变化，随时计算分析，调整各千斤顶的卸载比例。

5.3 钢结构加工制作对安装的影响

Due to the special complexity of this project, in order to ensure the quality of the project, most of the nodes and components should be processed and manufactured in the steel structure processing factory. At the same time, the production of large components should also consider the vehicle transportation capacity and road traffic capacity. Sufficient space should be reserved at the construction site to ensure on-site ground splicing of large components and minimize the amount of high-altitude welding. The influence of seasonal temperature changes on the dimensions of steel components should be considered. The on-site assembly platform should maintain sufficient stiffness to ensure the accuracy requirements of the assembled components.

5.4 Temporary fixing and adjustment measures

Temporary positioning measures should be taken during installation with an adjustable deviation range to ensure the quality of high-altitude cutting and welding and avoid large misalignment of components. The length of the component can be appropriately extended according to the situation, and the excess part can be cut at high altitude based on the actual measured values ​​during on-site installation. In order to reduce the amount of misalignment, the assembly welds between the wall panels of the box-shaped components are post-welded within 500mm of the end of the component to fine-tune the amount of misalignment. Adding a temporary positioning method for ear plates, the operation is relatively simple and the weld width can be fine-tuned. The method of post-installation of plate sections is adopted, and the material is cut according to the actual measured size, without the need for high-altitude cutting, and the deviation adjustment range of length and rotation is large.

6 Summary

(1) Based on the characteristics of the long-span structure of the National Stadium, this article recommends using the high-altitude bulk method for steel structure construction and installation, and proposes a temporary support tower layout plan.

(2) Simulation calculations of the steel structure installation process show that the installation sequence has a significant impact on the internal force and steel consumption of the structure. The rationality of the overall structure can be improved by uninstalling the temporary support tower and then installing the top substructure. Reducing the internal force and steel consumption of the roof substructure can be one of the means to reduce the steel consumption of the structure.

(3) The installation sequence of components within the top substructure plate has a great impact on the internal forces of the components, and the influence of this factor should be considered when determining the hoisting plan.

(4) The calculation of the reaction force of the temporary support tower and the unloading deformation of the steel structure can be used as a reference for the design of the temporary support tower and the control of the unloading deformation.

(5) By analyzing the structural geometric configuration changes caused by the post-installation of the shoulder and top surface substructures, measures to control installation errors are proposed.

(6) The simulation analysis method of the construction process of the long-span steel structure of the National Stadium can be used as a reference for the design of other long-span structures.

参考

[1] Fan Zhong, Wu Xuemin, Yu Yinquan, etc. Preliminary design of modification of the long-span steel structure of the National Stadium [J]. Spatial Structure, 2005, 11(3):3-13.

[2] Fan Zhong, Liu Xianming, Fan Xuewei, et al. Design and research of long-span steel structure of National Stadium [J]. Journal of Building Structures, 2007, 28(2):1-16.

[3] Fan Zhong, Liu Xianming, Fan Xuewei. Optimization technology in the design of the national stadium steel structure [J]. Journal of Construction Science and Engineering, 2006, 23(2):20-29.

[4] Qian Jiaru, Ji Xiaodong, Fan Zhong, et al. Analysis of rare earthquake performance of the long-span steel structure of the National Stadium [J]. Journal of Building Structures, 2007, 28(2):17-25.

[5] China Architectural Design and Research Institute. National Stadium Steel Structure Unloading Deformation Analysis Report [ R] .2006.

[6] Fan Zhong, Wang, Tang Jie. Temperature field analysis and closing temperature research of the long-span steel structure of the National Stadium [J]. Journal of Building Structures, 2007, 28(2):32-40.

[7] Fan Zhong, Fan Xuewei, Liu Xianming. Research on design method of welded thin-walled box components [J]. Progress in Construction Steel Structure, 2006, 8(3):34-40.

[8] Fan Zhong, Peng Yi, Wang et al. Research on the design of twisted box components of the main structure of the National Stadium [J]. Journal of Building Structures, 2007, 28(2):97-103.

[9] Fan Zhong, Peng Yi, Wang et al. Research on the design of twisted components of the national stadium roof substructure [J]. Architectural Structure, 2006, 30(5):7-11.