杭州奥体中心主体育场钢结构工程的深化设计与制作加工

只为更美丽绽放——杭州奥体中心主体育场钢结构工程的深化设计与制作加工杭州奥体中心主体育场工程，是浙江东南网架股份有限公司（以下简称“东南网架”）继杭州火车站东站之后，中标的又一“家门口工程”。

然而，这座被誉为杭州新地标、形似江畔一朵白莲花的建筑，其钢结构工程却有着不同寻常之处。

目前，该工程虽然只进行到地下钢结构部分，但其中已有大书特书之精华。

杭州奥体中心主体育场位于钱塘江与七甲河交汇处南侧，建筑占地面积82904m2，总建筑面积210110m2，地上6层，地下1层。

主体育场为特级特大型体育场，可举办洲际性、全国性综合运动会和国际田径、足球比赛，可容纳观众8万余人。

杭州奥体中心主体育场以优雅又富有张力的花瓣外形为表现形式，将活力动感与华贵美丽完美结合，宛若一朵白莲，傲然挺立在钱塘江畔。

杭州奥体中心主体育场钢结构罩棚平面呈环状花瓣造型（见图1），整个罩棚呈东西对称布置，由28片主、次花瓣形成的花瓣组构成。

罩棚外边缘南北向长约333m，东西向约285m，罩棚最大宽度68m,悬挑长度52.5m，罩棚最高点标高59.4m。

罩棚由上部及下部支座支撑在钢筋混凝土看台及平台上，采用环状花瓣造型的悬挑罩棚由空间管桁架＋弦支单层网壳钢结构体系构成。

图1 杭州奥体中心主体育场杭州奥体中心主体育场钢结构工程总包方，东南网架董事长郭明明曾表示，“这既是对东南网架的肯定，更是对东南的鼓舞和鞭策”。

为给杭州再添一道靓丽风景线，东南网架积极组织充足的人力、财力、物力，组建经验丰富的项目管理团队，为建造精品工程创造条件。

而这朵盛开在钱塘江畔、看似娇艳的白莲，其逼真、灵动的表现形式却成为钢结构深化设计、加工制作的重点和难点所在，东南网架在破解这些难题过程中也充分体现了其技术实力和品质魅力。

深化设计的结与解本着结合杭州奥体中心主体育场的结构特点，同时兼顾工厂制作工艺、运输条件、现场拼装方案等技术要求，对每一个节点和杆件进行实体放样，对代表性的节点及支座进行有限元分析，找出节点及支座的刚度变量及应力分布，了解其受力特点的原则，东南网架对该项目钢结构工程进行了深化设计，并针对深化设计重点和难点，采取了针对性措施。

结构整体建模。

该工程钢结构罩棚为空间钢管结构，主桁架弦杆为空间曲线，如何保证主桁架弦杆曲线的光滑是能否顺利实现建筑造型的重点。

目前传统的空间曲线建模方法都是通过将空间曲线转为多半径圆弧构件而实现的，其缺点在于在各弯弧对接处过渡不圆滑，会看到明显的折角（见图2）。

为保证钢罩棚主桁架弦杆的光滑性，将弦杆曲线以节点为基点用样条曲线连接成一条光滑的空间曲线来替代原先的折线弦杆部分，原来的腹杆位置不调整，最后将完整的线模型制作成实体模型（见图3）。

图2 处理前肩部桁架模型图3 处理后肩部桁架模型空间弯圆钢管构件的深化设计。

主体育场钢结构罩棚的主桁架弦杆作为空间曲线有别于普通的平面曲线，基本无几何规律可循，如何在深化图中直观地表达弦杆的空间关系将是整个钢管桁架深化设计的重点和难点。

通过数学总微积分理念，将整条不规则的空间曲线等分成若干份的平面曲线，为达到外观建筑效果使曲线圆滑过渡，同时为满足加工制作的要求，经反复比对，最终确定将平面弧线段的长度确定为1.5m左右，这样既能保证整条主桁架弦杆的空间曲线造型的光滑性，又可以将整条空间曲线简化成若干条平面弧线，满足了加工制作的要求。

结构变形预起拱设计。

结构变形是悬臂结构需要特别重视的问题，在结构自重作用下，如果结构的变形过大，会影响到整个结构的外形、构件的几何尺寸和受力，因此通过结构反变形解决悬臂结构的变形问题，通常采用的是控制结构刚度的策略。

一般情况下结构反变形的设计是结构深化设计的重要内容，结构反变形后，结构的定位坐标、杆件的几何尺寸均有变化，在深化设计中通过对各个阶段吊装工况的计算，确定起拱值。

铸钢件节点与钢管对接处理。

本工程主体结构为管桁架结构，环向桁架贯于主花瓣桁架端部，主花瓣内空间桁架在中部有相交点，弦支单层网壳和次花瓣同主花瓣桁架也有交点，节点均为多根钢管相贯于同一位置，且构件间夹角过小，以致焊缝过长并影响受力性能等，因此在关键节点及多杆件节点处采用铸钢件的形式解决。

为保证铸钢件同钢管的平顺对接，在对铸钢件深化设计时，将铸钢件的对接口端部做30mm阶梯状长接头，如图4所示。

相对应的钢管端部出厂即有自然剖口，此对接形式可降低加工制作难度、缩短制作周期，降低制作成本，且保证了钢管与铸钢件等强连接。

图4 铸钢件节点与钢管的对接处理多管相贯问题。

本工程主花瓣主要采用空间倒三角桁架形式，同时与单层网壳和端部环桁架连接，其主要连接方式均为管管相贯连接，该连接节点必定多管相贯，这既直接影响节点受力性能，又影响到现场装配和焊接顺序，甚至可能出现支管装配不上和存在焊接死角的情况，因此保证多管相贯顺序的准确是本工程的难点之一。

深化设计时按主管贯通、小管贯大管、薄壁管贯厚壁管的原则对所有相贯圆管进行先后相贯顺序编号，按照圆管的编号顺序依次进行圆管相贯线数控切割，力求次管与主管尽可能相接，增大次管与主管间的焊缝长度，使节点受力更合理（见图5）。

图5 多管相贯杆件相贯顺序现场拼装钢管间夹角过小问题。

本工程弦支单层网壳处径向构件同环向构件相贯口局部二面角角度较小，最小角度约7°，按《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002和美国国家标准《钢结构焊接规范》AWSD1.1规定，圆管T、Y、K节点有效局部二面角最小角度为15°，施焊难度极大，保证该处焊接质量极为重要。

为此，严格按照《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002规定，对根部（D区）增加折减值Z，采用角焊缝补强，如图6所示，并进行相关焊接工艺评定，保证焊接质量。

图6 角焊缝补强现场吊装时弦杆的对接问题。

主体育场为钢管桁架结构，现场钢管对接一般为各个吊装段之间的弦杆对接，由于本工程桁架弦杆均为空间不规则曲线，在各个吊装段中弦杆端口的大小、位置、朝向均不规则，保证各吊装段安装时的对接精度是个难题。

除了在加工和运输过程中保证其对接口不变形及单个吊装段在拼装过程中保证其拼装精度外，深化设计时在弦杆端部均考虑设置临时吊装连接耳板，不但方便现场吊装，也保证钢管对接精度。

空间弯曲钢管的加工与检测主体育场钢结构罩棚28片主、次花瓣造型的最大特点是，花瓣造型结构中的主桁架沿长度方向外形呈现空间弯弧，该空间弯弧是通过采用空间弯弧弦杆来实现（见图7、8）。

空间弯曲钢管在水电、锅炉和空调等机械设备制造行业中应用较为广泛，大量应用于建筑钢结构主体尚属首次，而且其与平面弯弧钢管有本质区别，所以空间弯曲钢管加工必须开发新工艺、新技术。

图7 钢结构罩棚整体轴侧图8 花瓣造型标准单元轴侧空间弯曲钢管加工方法。

为更好的确定空间弯曲钢管加工方法，东南网架技术人员首先找出其显著特点，根据特点找规律，根据规律再确定合适的加工工艺。

从罩棚主桁架弦杆深化图可看出，沿空间弯弧弦杆方向上的各弯弧段曲率半径为2.9～231.0m，根据弦杆各圆弧曲率半径及沿弦杆长度方向上的圆弧段几何数学关系的特点，最终确定该工程空间弯曲钢管采取两种加工方法：①对于弯弧曲率半径R≤10m的空间弯管，采取中频（热弯）弯成型加工方法；②对于弯弧曲率半径R＞10m的空间弯管，采取油压机“两面”压弯成型加工方法。

该技术结合模压设备，采用专用设计软件，不仅解决了圆钢管空间弯曲成型难题，且开创了国内大直径厚壁圆钢管空间弯曲冷成型技术先河。

空间弯曲钢管加工工艺。

中频弯加工，其原理是采用中频电流使钢管待弯曲段急剧升温并达到热加工温度后，在外力作用下使钢管待弯曲段按设计要求的曲率半径弯曲成型。

中频弯加工特点是：电能消耗量较大，生产效率较低，加工成本高。

工程主桁架弦杆钢管的空间弯弧加工原理基本等同钢管平面弯弧，不同之处在于沿弦杆长度方向上的每一圆弧段弯弧后，在进行下一段弯弧前，需将待弯弧钢管段绕中心线按预定方向旋转一个二面角，同时变换一次转臂位置，再进行弯弧加工。

依此类推，完成钢管各圆弧段的弯弧加工，使钢管空间弯弧成型，并沿空间弯管方向的各弯弧须顺滑平整过渡。

油压机“两面”压弯成型加工。

将压制模具安置于大型油压机工作平台上，调整后固定，吊上待弯弧钢管至预定位置后与模具固定；开启油压机，按钢管上的划线位置，分别进行空间弯管各圆弧投影所在平面II内位置关系线的压制成型；将压制后的钢管绕原中心线按给定方向（顺时针或逆时针）旋转90°，并重新调节压制模具位置，依次进行空间弯管所在平面I内的各圆弧弯弧，加工过程见表1。

空间弯曲钢管检测与校正。

为有效解决空间弯曲钢管各检验项，保证工程空间弯管加工精度符合设计要求，根据本工程空间弯管几何上的数学规律，东南网架设计、制作了一种专用检测支撑胎架——“双层可调式”检测胎架。

应用“双层可调式”支撑检测胎架检验空间弯曲钢管空间控制点坐标的方法如表2所示。

①在平台上放出检测空间弯曲钢管的地样线，并标注空间弯曲钢管上各空间控制点坐标在地样线上的投影点位置；②按投影点位置设置“双层可调式”支撑检测胎架；③将空间弯弧后的钢管置于支撑检测胎架上检验，通过观察托板与钢管空间控制点所在面的接触情况，判断钢管弯弧精度是否符合设计图纸要求，若接触贴合紧密，说明空间弯曲钢管加工准确；若接触面间存在较大间隙或有明显的光带，则说明存在偏差，需要进行校正。

校正方法。

① 空间弯曲钢管采取热矫正工艺要求，以便精确保证空间弯曲钢管的加工精度；② 空间弯曲钢管采取火焰局部加热矫正的工艺要点，加热时火焰温度宜控制在750～850℃，最高不超过900℃；加热时，当管壁温度较高时，绝对不得用水进行急冷；宜采用楔形加热法，楔形火圈(即三角形火圈)高度应视钢管厚度而定，本工程三角形顶角为25～30°，加热的起点应从夹角处开始，每次加热区域火焰烘烤部位不宜靠得太近，一般以100～200mm为宜，且前后加热不得在同一部位进行；③ 空间弯曲钢管检测项除各空间控制点坐标外，还应符合以下要求：外观质量无裂纹、无明显皱褶、鼓泡等缺陷；拉伸外弧壁厚减薄应不大于0.2mm；外形尺寸即钢管管口圆度、管口垂直度检验项应符合设计和现行国家相关规范要求。

空间弯曲钢管加工试验。

为验证上述空间弯曲钢管加工技术上的可行性，东南网架技术人员在本工程钢结构罩棚花瓣造型主桁架结构上选取一段弦杆进行试验。

按上述方法进行空间弯曲钢管加工成型后，利用“双层可调式”支撑检测胎架对各空间控制点坐标进行测量，通过检测各空间控制点数据与设计给出的数据比较分析可得出，各空间控制点实际位置与理论要求的准确位置偏差值均在3mm以内，则可判断该空间弯曲钢管的空间形状满足设计要求精度，说明该技术方法具有可行性和可操作性。