国家体育场鸟巢工程钢结构支撑塔架设计与应力分析：大吨位支撑体系设计要点

风野剑曹风崔明志魏一进

摘要：本文主要介绍了国家体育场主桁架安装过程中使用的支撑塔的设计过程，并对支撑塔卸荷过程中监测到的支撑塔受力进行了分析，从而总结了大吨位支撑系统设计时应注意的问题。 #

关键词：支撑塔，抗侧力系统，空间布置，格构柱，应力比 #

国家体育场是2008年北京奥运会的主体育场。建筑顶面呈马鞍形，大跨度屋顶由周围24根桁架柱支撑。主桁架围绕屋顶中心开口呈放射状布置，与桁架柱、顶面和立面次要结构一起形成“鸟巢”的特殊建筑造型。主桁架应尽可能直或近直，并在中间形成由分段直线组成的内环。构件断面均为箱形断面，空间位置复杂多变，造型宏伟美观。

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1．支持布局设计技术条件

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国家体育场钢屋盖结构为大跨度空间巨型桁架结构，结构自重产生的内力占很大比例。根据钢结构安装施工组织设计，钢结构整体安装采用分段吊装、高空对接法（也称散装法）。结构施工过程中设置了78个支撑点，支撑点设置在主桁架下弦交叉节点处。位置，如下图所示。 #

支撑塔设计的技术条件来源于支撑卸载分析的结果，给出了整体、分级、同步卸载过程中每个卸载子步骤中各支撑点的反力。计算所有步骤中每个点的最大反作用力作为施加在支撑塔上的工作负载。 #

同时，在桁架安装过程中，虽然支撑塔所受的竖向力没有卸载过程中对应支撑点的最大反力那么大，但安装顺序是先内环，后内环。外环允许主桁架在施工过程中独立承载。风荷载较大，对塔顶起水平集中荷载作用。因此，主桁架在安装过程中所承受的风荷载也是支撑塔受力分析的控制条件。

国家体育场顶面呈双曲马鞍形，最高点高度为69.1m，最低点高度为40.7m。这种屋顶形状也决定了支撑塔安装时顶面的整体形状也是马鞍形，塔高。这是支撑设计的另一个技术条件。

2、系统选型

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支撑塔柱体采用3×3m格构柱。为了提高支撑塔的整体刚度和稳定性，在支撑塔顶部设置水平支撑系统。支撑系统仍采用格构桁架结构。为了提高水平支撑系统的扭转刚度，在其角部区域设置角撑，支撑塔柱脚与基础刚性连接。根据主体结构安装方案，整体支撑塔分为四个大块，长轴和短轴各两个块，这四个块内的所有支撑塔连成一个整体。该方案符合安装主桁架并形成自应力系统的过程。规划如下图所示：

2.1 支撑塔及柱顶拉杆桁架 #

为了便于现场加工、生产和安装，提高其经济性，支撑塔和柱顶拉杆桁架均采用标准截面模块化设计。支撑塔架的柱腿采用螺旋焊管制成，水平腹杆采用双角钢呈十字形排列。为了节省钢材，采用X型跨系腹杆支撑塔体斜腹杆。设计时只考虑拉力，不考虑压力。截面采用角钢。为了提高支撑塔柱的扭转刚度，在每个标准节的两端和中间区域设置十字隔板，十字隔板采用角钢制成。柱顶拉杆桁架的设计方式与支撑塔大致相同。

2.2 抗侧力体系的形成 #

该支撑塔考虑的主要水平侧向力是风荷载。除了支撑塔体本身和需要抵抗风荷载的柱顶拉杆桁架外，主要考虑的是风对支撑在塔体上的主桁架的影响。桁架主轴高12m，上下弦杆多为1000×箱梁，腹杆为600×600mm箱梁。主桁架风面大，海拔高，对风的影响敏感。为了增强各支撑塔整体协同抗风能力，在各支撑塔顶部均设置格构柱顶拉杆作为水平支撑系统。另外，为了提高整体结构柱顶平面支撑系统的扭转刚度，在转角区域设置角撑。计算分析表明，上述结构的整体工作接近于空间架结构，支撑塔受力与悬臂柱相似。为了提高整体结构的侧向阻力，单方面增加支撑塔的强度和刚度是不够的。 ，也是极其不经济的。因此，为了传递侧向风荷载，需要采取其他措施形成整体结构的阻力系统。

根据现场情况，施工时可在中、外环支撑塔顶部安装双向风缆，传递主屋架上的风荷载。主屋架内环支撑塔的风荷载由整体结构传递决定，这是方案一。另外，根据现场情况，支撑塔部分部位与主看台结构连接，利用主看台结构的水平刚度，提高支撑塔整体抗侧向能力。这是第二个选项。具体实施时，还可以将两种方案结合起来，增加额外的安全储备。

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3、设计计算报告 #

综上所述，在上述总体结构中，支撑塔柱的计算和设计是关键。本次计算采用两种计算方案。在第一种方案中，支撑塔作为单个悬臂柱进行计算和分析，作为加强支撑塔设计的手段。方案二：基于上述两个抗侧力系统进行整体有限元计算分析。 #

3.1 基于单悬臂柱的支撑塔计算分析

3.1.1 负载条件

根据支架设计技术条件分析，支架设计分析主要考虑两个施工阶段：主桁架安装阶段和主桁架合拢后卸荷阶段。两个阶段的控制负载不同。考虑到支撑塔实际工作的复杂性，部分安全考虑的计算模型采用单悬臂格构柱模式，其余结构措施作为整体支撑塔系统的额外安全储备。支撑塔为四肢组合格构柱，截面尺寸为3m×3m，柱高48.380m。

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(1) 垂直载荷 #

作用于支撑塔柱顶部的最大竖向荷载设计值P：3000.0kN（安装过程及卸荷阶段各步骤取最大值）。作用点沿格子柱对角线方向距中心的最大偏心率为539mm。视为活荷载。设计时考虑到施工过程中实际位置的偏差，偏心增加±10%。

支撑塔自重力设计值D：580.420kN #

(2)温度负荷

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由于支撑塔系统不是温度敏感结构，塔的设计没有考虑温度影响； #

(3)地震荷载 #

由于施工工期较短，支撑塔设计时未考虑地震影响； #

方案一：电缆抗风侧向力系统。计算时，外环和中环主桁的风荷载由索风绳承受，内环由整体支撑塔系统承受。 #

方案二：借助看台抗侧力系统，根据现场情况将支撑塔部分部位与看台主结构连接，提高支撑塔整体抗侧力能力。外环、中环、内环主桁架上的风荷载传递至塔基，由整体支撑塔系统支撑。 #

(2)方案1计算分析

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分析计算结果，可以得出以下结论： #

塔楼整体结构安全。其主要重要构件的材料应力比约为50%~70%（图中0.5处），局部次要构件的材料应力比约为70%~90%（图中所示）。 （如图0.7所示），少数棒材的材料应力比超过90%（图中0.9所示）。其中，杆件超应力率部分主要是支撑塔、柱顶拉杆的X型横腹杆。根据结构退化理论，受压斜腹杆的压应力达到临界应力后将停止工作，剩余水平力由拉杆继续承受。根据上述MODE-A区域杆件的材料应力比，不仅说明塔架整体结构是安全的，而且说明了其设计的经济合理性。 #

安装阶段和卸载阶段的水平位移规律基本相同，但安装阶段的位移较大。其原因在于，在卸货阶段，屋面钢结构已形成整体结构，本身具有抗风能力。主桁架已不再由支撑塔承受和传递风荷载。安装阶段，柱顶X方向最大水平位移约为33.4mm，Y方向最大水平位移约为33.7mm，约为支撑塔高度的1/1436，达到了预期的设计要求。这里需要注意的是，在实际结构中，实际变形大于计算值。原因之一是计算时认为柱脚采用三向约束固定铰接，但实际上柱脚部分通过螺栓与塔基连接，部分通过锚杆与塔基连接的嵌入式零件。两者的截面与柱基不同。截面要小得多，柱脚与塔基的连接实际上是弹性约束的，因此柱顶的实际位移与计算值相比会有所增加。第二个原因是支撑塔X型横腹杆中的受压斜腹杆和柱顶拉杆在压应力达到临界应力后停止工作，也会导致柱顶的实际位移与计算值相比有所增加。 。另外，X、Y方向的水平位移基本相同，说明支撑塔与柱顶拉杆形成的整体结构不具有明显的框架作用。支撑塔在两个方向上的应力更接近于悬臂柱。工作方式，整体工作结构更接近于空间排列结构。 #

拉杆轴力表明，安装阶段轴力梯度较大，局部支撑塔柱肢存在拉力。究其原因，一方面是安装阶段主桁架的风荷载需要由支撑塔来承受和传递，另一方面是卸载阶段的竖向轴力。也比较大。此外，计算结果还表明，支撑塔顶拉杆的弦杆轴力很小，这从另一方面说明了支撑塔架和塔架所形成的整体结构的框架作用。立柱顶部拉杆不明显。根本原因是设计时柱顶拉杆弦截面比较小，分布在柱顶节点区域的弯矩也小很多。整体框架结构更像是机架结构。 #

综上所述，柱脚的设计和计算尤为重要。抗拉拔计算时，出于安全考虑，取竖向荷载为900kN，即竖向荷载中的D3工况，荷载分流系数取1.0。

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柱脚最大拉拔力为715kN，柱脚最大压力为 。在此基础上，可对现有柱脚预埋件和地脚螺栓进行强度审查和加固。

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(3)方案2的计算结果

(4)方案2计算分析

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分析计算结果，可以得出以下结论：

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塔体整体结构安全，杆体材料应力比规律与方案1基本相似。 #

安装和卸载阶段的水平位移与方案1不同，其主要特点是外环支撑塔柱顶部位移相对集中。安装阶段，柱顶X方向最大水平位移约为32.2mm，Y方向最大水平位移约为35.2mm，约为支撑高度的1/1374塔。

拉杆轴向力显示，外环支撑塔轴力分布格局变化较大。原因是外环支撑塔与看台连接后形成了新的水平荷载传递路径，柱肢轴力发生拉压转变现象。 ，并伴有拐点。 #

柱脚最大拉拔力为747kN，柱脚最大压力为 。在此基础上，可对现有柱脚处的预埋件和地脚螺栓进行强度审查和加固。

3.3 方案2增设水平约束支撑反力分析

设计时，在海拔16.400m的4根外支撑塔格柱的分支与看台的连接处设置了X、Y方向的水平约束。

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取拉拔校核载荷组合X、Y方向（COM5、COM6）载荷作用下的轴承反力进行分析：

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通过对比分析钢结构设计规范2024，可以得出以下结论：

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(1)抗拉计算对于大多数水平荷载，新型支撑更为有效；

(2)抗拉力计算：新增轴承在Y前向载荷组合(COM6)作用下的反力占全部轴承反力的比例-2629.9-3878.3×100%=67.8%。添加的轴承沿 Y 方向承载。传递的水平力的有效性低于X方向的有效性。原因是增加的水平约束位于外环支撑塔上，该支撑塔位于支撑塔块的边缘。 #

4.支持典型零件设计图

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4.1 支持标准剖面设计图

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由于外、中环支撑塔腿采用D529×12钢管，故支撑标准断面分为三种：内环长12m D609×12，中环长12m D529×12，外圈长6m D529×12。这里仅介绍D609×12标准节塔，其他方法类似。

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12m塔柱腿两端钢管采用法兰连接。接头按等强度原则设计，采用20M22高强螺栓连接。每两个法兰螺栓设有一个节点加强板。为了增强其转动惯量，水平、横腹杆均采用L125×8双角钢，并呈十字形排列。标准断面两端设置十字隔断（见3-3）。为了减小水平腹杆与斜腹杆交汇处的节点板尺寸，腹杆交点向内偏心150mm。 #

4.2 支撑柱头设计图 #

支撑卸荷过程中，支撑点单点受力最大可达300t。因此，支撑柱头的设计非常关键。

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4.3 支撑柱脚节点设计图

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预先预埋在柱脚中的螺钉间距小、数量少。考虑到主桁架安装时承受的水平荷载较大，且柱脚的拔出要求较高，支撑塔各柱腿外围增设4颗化学锚栓。先用8个螺栓将带有底板和十字形插板的底座拧紧，然后插入支撑塔腿，最后将底板和十字形插板焊接成整体。 #

4.4 连接桁架设计图

根据塔筒标准截面尺寸，格构连接桁架横轴尺寸为3m，纵轴尺寸为2.875m。连接桁架长度方向的标准截面模数为每块3m，即桁架长度方向每隔3m设置一根竖向腹杆。由于连接桁架的长度不同，以及桁架与支撑塔柱对接角度不同，每个连接桁架减去标准截面后的剩余长度是不同的。通过调整连接桁架端部的节点板和过渡弦杆的长度，可以保证连接桁架的规格符合要求。连接桁架标准模块节端部采用D325×8封边，也加强了端部与塔柱肢的连接。 #

5、卸料时支撑塔应力监测

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卸货过程中，为确保安全，采用DGK-4000系列振弦测量设备对支撑塔应力进行监测。通过对卸荷施工过程的模拟计算，选取最不利的3座支撑塔进行实时应力监测。振弦式应变仪布置在支撑塔底部，距支撑500mm，格构柱每条腿上各设一个测量点。

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对主体结构荷载联合调整和支撑塔卸载过程中支撑塔柱肢应力进行实时数据采集。下图为每5分钟采样点的柱肢应力时程曲线。 #

从图中可以看出，支撑塔的应力较小，基本在60MPa以下。由于卸载过程中垫片和千斤顶的交变应力，使支撑塔的应力发生较大变化，但逐渐减小。 #

6.总结

（1）国家体育场大跨度空间桁架支撑体系选型和设计的主要难点和难点是：

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①大跨度支撑系统的选型与设计；

②支撑系统和抗侧力系统的选择；

③处理好支撑结构与展台结构的交叉处；

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④大跨度支撑体系经济分析及临时工程量资源落实；

（2）支撑塔设计充分考虑并满足卸荷方案的实施和要求，使“鸟巢”钢结构于2006年9月17日实现主体结构支撑塔整体卸荷成功，宣告了主结构支撑塔的整体卸荷。钢结构工程顺利完成。 #

【参考】 #

（1）钢结构设计规范，北京：中国规划出版社钢结构设计规范2024，2003.10。 #

(2)建筑结构荷载规范，北京：中国建筑工业出版社，2002.20。 #