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國(guó)家體育場(chǎng)(鳥(niǎo)巢)工程鋼結(jié)構(gòu)空間巨型桁架安裝工藝

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    封葉劍 魏義進(jìn) 劉子祥
    （北京城建精工鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司，北京100012）

    提 要：國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)安裝工程，主桁架分項(xiàng)根據(jù)安裝實(shí)際情況被分成空間立體桁架和平面桁架兩種吊裝單元。空間立體桁架的多對(duì)口對(duì)接、平面桁架的翻身過(guò)程穩(wěn)定性是該分項(xiàng)工程的重難點(diǎn)。
    關(guān)鍵詞：鳥(niǎo)巢鋼結(jié)構(gòu)、空間巨型桁架、龍門(mén)吊、三機(jī)抬吊、安裝工藝
    一、工程概況
    國(guó)家體育場(chǎng)位于北京市城府路南側(cè)，奧林匹克公園中心區(qū)內(nèi)，是北京2008年奧運(yùn)會(huì)的主體育場(chǎng)。建筑頂面呈馬鞍型，長(zhǎng)軸為332.3m，短軸為297.3m，南北跨度結(jié)構(gòu)相對(duì)標(biāo)高為42.246m，東西跨度結(jié)構(gòu)相對(duì)標(biāo)高為69.900m，屋蓋中間開(kāi)洞長(zhǎng)度為185.3m，寬度為127.5m。主桁架圍繞屋蓋中間的開(kāi)口放射形布置，與屋面及立面的次結(jié)構(gòu)一起形成了"鳥(niǎo)巢"的特殊建筑造型。大跨度屋蓋支撐在周邊的24根桁架柱之上。主桁架盡可能直通或接近直通，并在中部形成由分段直線構(gòu)成的內(nèi)環(huán)。鋼結(jié)構(gòu)總量約4.6萬(wàn)噸，構(gòu)件截面均為箱形截面，其空間位置復(fù)雜多邊，形體宏大、美觀。

    國(guó)家體育場(chǎng)主桁架共有48榀，分別由外圍24榀桁架柱開(kāi)始向中間延伸，在中間形成橢圓形的環(huán)。主桁架總用鋼量約14000噸，桁架柱約17020噸，主桁架與桁架柱一起共同形成如圖1.2所示的主要承力體系。主桁架的軸線高度為12m，上下弦及腹桿均為箱形截面構(gòu)件。

    目前工程主結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工制作、拼裝已經(jīng)完成，現(xiàn)場(chǎng)主結(jié)構(gòu)安裝接近尾聲，鋼結(jié)構(gòu)安裝重量已經(jīng)超過(guò)四分之三，其中桁架柱已安裝完成，鳥(niǎo)巢形體初現(xiàn)端倪。
    二、主桁架分段及設(shè)備選擇
    打垮度空間巨型桁架的吊裝分段很重要，不僅要考慮各分段重量、安裝作業(yè)半徑和國(guó)內(nèi)、現(xiàn)有吊機(jī)資源的匹配，同時(shí)各分段在支撐塔架上的臨時(shí)固定及相互搭接各分段間吊裝順序的確定同樣是施工的關(guān)鍵。根據(jù)支撐塔架的設(shè)置及主桁架的空間交叉情況，將屋蓋主桁架共分成182吊。其中，內(nèi)環(huán)吊裝單元共96吊，空間桁架16吊，平面桁架80吊；外環(huán)吊裝單元共86吊，均為平面桁架。
    綜合考慮體育場(chǎng)主桁架大型構(gòu)件的吊裝，主桁架最終選用一臺(tái)CC4800型800T履帶吊和CC2800型600T履帶吊吊裝。800T履帶吊在場(chǎng)外吊裝外環(huán)主桁架，600T履帶吊在場(chǎng)內(nèi)吊裝內(nèi)環(huán)主桁架。外環(huán)主桁架在南北向安裝高度相對(duì)較低，作業(yè)半徑較小，但箱形構(gòu)件的管壁厚，構(gòu)件吊裝單元重，所以800T履帶吊采用主、輔臂短，主臂仰角大的塔式工況；而處于東西向的外環(huán)主桁架安裝高度大，作業(yè)半徑大，構(gòu)成桁架的箱形截面壁厚薄，構(gòu)件吊裝單元輕，選用主、輔臂長(zhǎng)，仰角小的塔式工況。內(nèi)環(huán)主桁架除了存在與外環(huán)主桁架相同的吊裝分部情況外，還有大量的空間立體桁架的吊裝。由于所有的空間立體桁架均處在最內(nèi)環(huán)，作業(yè)半徑小，也不用跨越障礙，同時(shí)構(gòu)件重，起重要求高，所以選用帶超起的主臂工況，而其他的內(nèi)環(huán)之桁架同樣遵循了外環(huán)主桁架一樣的工況選用情況，選用兩種帶超起的塔式工況。
    外環(huán)南北向最重的吊裝單元重140噸，安裝高度為50m，最大作業(yè)半徑為42m；外環(huán)東西向最重的吊裝單元重90噸，安裝高度為64m，最大作業(yè)半徑64m。內(nèi)環(huán)所有空間立體桁架最重為250噸，安裝高度為46m，最大作業(yè)半徑為38m；南北向最重的吊裝單元重140噸，安裝高度為44m，最大作業(yè)半徑為48m；內(nèi)環(huán)東西向最重的吊裝單元重120噸，安裝高度為58m，最大作業(yè)半徑38m。根據(jù)此，內(nèi)外環(huán)800T、600T履帶吊的工況選用如下表所示：



    三、吊點(diǎn)設(shè)置、吊耳設(shè)計(jì)及索具選擇
    （一）空間巨型桁架安裝的吊點(diǎn)、吊耳及索具
    空間桁架最重的分段為S5，其凈重為268T，空間桁架的拼裝姿態(tài)與就位安裝時(shí)的姿態(tài)相同。根據(jù)空間立體桁架的分段情況，立體桁架的吊裝采用三點(diǎn)吊裝，一點(diǎn)用定長(zhǎng)繩圈，其他兩點(diǎn)采用滑輪組。構(gòu)件從拼裝的胎架上脫胎后，由于加工制作、安裝等各種累積誤差，姿態(tài)與最終安裝就位的姿態(tài)略有差別，采用滑輪組可將桁架在地面精確地調(diào)整到安裝就位的姿態(tài)，將大量地高空校正作業(yè)在地面完成。三個(gè)吊點(diǎn)均設(shè)置在桁架腹桿K型交叉節(jié)點(diǎn)勁板對(duì)應(yīng)的上表面，同時(shí)，三吊點(diǎn)的平面投影連線形成的三角形將重心包含在內(nèi)。主吊點(diǎn)設(shè)置在受力最大的吊點(diǎn)上，輔吊點(diǎn)于其他兩個(gè)受力相對(duì)較小的吊點(diǎn)。

    主桁架的吊裝不存在翻身，采用板式吊耳能滿足。為了避免吊耳平面外受力，偏移吊耳在上弦平面的角度，使吊耳板平面與相應(yīng)的吊繩在同一個(gè)平面內(nèi)。同時(shí)，在吊繩受力大或桁架上弦上翼緣板厚薄的地方，為了減小上翼緣板面的變形，將吊耳的受力由上弦上翼緣順利傳到上弦腹板，在吊耳相應(yīng)的翼緣位置焊接L形刀板堪固。這樣，既加強(qiáng)了焊接吊耳的上翼緣板的面外剛度，又很好的將力傳至腹板平面。


    （二）平面桁架安裝吊點(diǎn)、吊耳及索具
    平面桁架采取平面拼裝,胎架翻身立直工藝。平面桁架的主吊點(diǎn)除了要考慮就位時(shí)對(duì)吊點(diǎn)、繩索具的要求外，還需兼顧脫胎、翻身時(shí)的工藝要求。主桁架在龍門(mén)吊底下拼裝，因此，翻身采用兩臺(tái)龍門(mén)吊輔助進(jìn)行。采用龍門(mén)吊翻身溜尾重點(diǎn)的是控制龍門(mén)吊的平面外受力及兩臺(tái)龍門(mén)吊均勻受力。因此，龍門(mén)吊兩吊點(diǎn)需設(shè)置為到過(guò)重心且垂直上下弦軸線的垂直線等距離的兩點(diǎn)。800T的主副吊點(diǎn)根據(jù)桁架就位時(shí)的姿態(tài)設(shè)置，保證就位時(shí)主副吊繩與大地垂線的夾角大致相等，同時(shí)吊點(diǎn)盡量設(shè)置在主桁架節(jié)點(diǎn)區(qū)域，或非節(jié)點(diǎn)區(qū)域但有勁板的地方。但吊耳的布置除考慮就位時(shí)受力狀態(tài)外，重點(diǎn)要考慮在起扳過(guò)程中索力對(duì)吊耳平面外受力的情況。根據(jù)構(gòu)件脫胎、起扳、就位等各個(gè)工序中吊耳平面內(nèi)外受力的綜合情況分析、計(jì)算得出吊耳合理布置位置及平面傾斜角度。

    四、主桁架吊裝工藝
    根據(jù)主桁架的分段及現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地使用情況，空間主桁架采用立拼、平面桁架采用臥拼的拼裝方式。主桁架吊裝工藝分空間和平面桁架來(lái)介紹采用的相應(yīng)對(duì)策：
    （一）空間桁架吊裝工藝
    空間桁架雖然吊裝噸位較平面桁架大，但其采用立拼方式拼裝，脫胎后不用起扳、回直直接調(diào)平就位，吊裝工藝相對(duì)平面桁架簡(jiǎn)單，空間桁架主要是脫胎和調(diào)平及其過(guò)程中的主要控制措施：
    （1）空間桁架噸位大，分擔(dān)到滑輪組上的受力也大，如圖3.4所示，采用多門(mén)滑輪組在調(diào)平過(guò)程跑繩行程長(zhǎng)。傳統(tǒng)構(gòu)件姿態(tài)調(diào)節(jié)工具采用葫蘆調(diào)整，速度慢、要換行程次數(shù)多。本工程采用小型汽車吊來(lái)抽滑輪組跑繩，由于汽車吊高，整體調(diào)整過(guò)程更換行程的次數(shù)少，抽繩快，效率高。
    （二）平面桁架吊裝工藝
    平面桁架雖然吊裝噸位較空間桁架小，但其采用臥拼方式在龍門(mén)吊下拼裝，脫胎同時(shí)起扳、回直，而后在龍門(mén)吊拼裝時(shí)吊點(diǎn)場(chǎng)地外調(diào)平再提升就位，吊裝工藝相對(duì)復(fù)雜，平面桁架吊裝主要是脫胎、起扳和調(diào)平等施工工序及其過(guò)程中的主要控制措施：
    （1）脫胎時(shí)800T履帶吊提升主桁架的上弦，兩臺(tái)龍門(mén)吊提下弦三機(jī)抬吊。三機(jī)抬吊三吊點(diǎn)平面投影范圍包含重心，保證三點(diǎn)同時(shí)受力，如圖3.5所示；同時(shí)，過(guò)重心垂直構(gòu)件上下弦的輔助線到兩龍門(mén)吊點(diǎn)的距離相等，確保兩龍門(mén)吊均載，且便于在起扳過(guò)程中監(jiān)測(cè)、控制。
    （2）脫胎后起扳，起扳時(shí)為監(jiān)控桁架下弦兩頭均衡提升，在下弦吊掛兩盤(pán)卷尺監(jiān)測(cè)下弦離地距離。當(dāng)兩頭離地距離不等時(shí)，調(diào)整兩龍門(mén)吊吊鉤使構(gòu)件兩端平衡。由于龍門(mén)吊鉤下沒(méi)有測(cè)量構(gòu)件重量的儀器，這里通過(guò)控制兩吊點(diǎn)至重心線的垂直距離及起扳過(guò)程中兩點(diǎn)平衡，確保兩龍門(mén)吊均勻受力。
    （3）構(gòu)件起扳調(diào)平后，吊車開(kāi)行至就位點(diǎn)就位，為合理使用大型吊機(jī)，采用卡馬板就位的方式就位。根據(jù)吊裝構(gòu)件的長(zhǎng)度、重量、重心位置，計(jì)算上下弦斷口卡馬板臨時(shí)固定受力需要的馬板規(guī)格、長(zhǎng)度、焊縫長(zhǎng)度。先焊接上下弦上表面卡馬板，構(gòu)架到達(dá)安裝就位位置，校正合格將其他三面卡馬板焊接完畢，吊機(jī)即可松鉤。

    （三）構(gòu)件的調(diào)平
    當(dāng)空間主桁架脫胎或平面桁架完全立直，構(gòu)件所處于的狀態(tài)，同實(shí)際需要安裝就位的姿態(tài)還存在一定的角度。主要表現(xiàn)為，桁架各安裝對(duì)口點(diǎn)的相對(duì)高差不符合設(shè)計(jì)的最終相對(duì)高差。通過(guò)調(diào)整動(dòng)滑輪組的長(zhǎng)度，將構(gòu)件各安裝斷口的相對(duì)高差調(diào)整到設(shè)計(jì)要求，構(gòu)件調(diào)平達(dá)到合格，就位后再根據(jù)各對(duì)口已安裝的構(gòu)件牛腿及設(shè)計(jì)標(biāo)高精確調(diào)整構(gòu)件的就位位置。構(gòu)件地面調(diào)平的目的是將大量的高空調(diào)整、校正工作在地面來(lái)完成。
    五、主桁架安裝對(duì)口控制
    有余鳥(niǎo)巢結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，加之加工制作、安裝等各種偏差的因素，造成構(gòu)件對(duì)口錯(cuò)邊及焊縫間隙及往往達(dá)不到設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。為此，在這兩點(diǎn)問(wèn)題上，通過(guò)大量的研究分析，提出如下兩點(diǎn)方案：
    （一）錯(cuò)口偏差處理方法
    國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件均為全焊接箱形構(gòu)件，閉口箱形構(gòu)件在安裝對(duì)口時(shí)處理困難，而傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)開(kāi)口構(gòu)件的安裝對(duì)接是有經(jīng)驗(yàn)，可以借鑒的。根據(jù)這一思想，在作安裝方案時(shí)考慮將閉口構(gòu)件的安裝向開(kāi)口構(gòu)件轉(zhuǎn)化。如圖5.1所示，在構(gòu)件加工制作時(shí)，對(duì)所有的高空對(duì)接口處的后裝箱形構(gòu)件的組立焊縫預(yù)留300mm長(zhǎng)不焊接，作為后續(xù)安裝對(duì)口的預(yù)留段，便于調(diào)整對(duì)口處的錯(cuò)邊調(diào)節(jié)。待錯(cuò)邊調(diào)整合格后，先將構(gòu)件的組立焊縫焊接完畢，再來(lái)焊接對(duì)口焊縫。

    對(duì)于錯(cuò)口位置距離構(gòu)件節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)，可調(diào)節(jié)的自由段比較長(zhǎng)的構(gòu)件，在自由段范圍內(nèi)可調(diào)的，采用千斤頂或火工矯正方法，以滿足錯(cuò)口偏差的施工驗(yàn)收要求，同時(shí)滿足設(shè)計(jì)有關(guān)建筑外形平緩過(guò)渡的要求。
    對(duì)于受到安裝接口和節(jié)點(diǎn)限制，錯(cuò)口位置距離構(gòu)件節(jié)點(diǎn)較近，可調(diào)的自由段長(zhǎng)度較小構(gòu)件，在千斤頂及火工矯正方法無(wú)法滿足要求時(shí)，采取換板件或后裝段的處理方法保證滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)建筑外形的要求。換板或后裝段的具體做法應(yīng)針對(duì)不同錯(cuò)口的具體情況作具體的洽商變更處理。
    （二）間隙偏差處理方法
    主結(jié)構(gòu)板厚集中在20-40mm，結(jié)合本項(xiàng)目施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》（JGJ81-2002）關(guān)于焊縫間隙小于2倍板厚的要求，間隙偏差采用如下兩種方案處理：
    （1）間隙在35mm以內(nèi)（小于1.75板厚）的焊縫，可以用焊縫堆焊的方式減小焊縫間隙。
    （2）間隙大于35mm，采用換板件或后裝段的方式進(jìn)行具體的洽商變更處
    為了驗(yàn)證上述寬焊縫間隙條件下焊縫綜合力學(xué)指標(biāo)，施工前進(jìn)行了相關(guān)的堆焊工藝試驗(yàn)、寬間隙焊縫焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)以及焊接變形試驗(yàn)。
    試驗(yàn)結(jié)果表明：
    （1）正常間隙和寬間隙焊縫焊接試板的焊接變形相比相差不大，說(shuō)明寬間隙焊縫對(duì)焊接變形影響很小，相應(yīng)的對(duì)焊接應(yīng)力影響也應(yīng)很小；
    （2）所進(jìn)行的15組焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果全部合格，說(shuō)明寬間隙焊縫焊接接頭的力學(xué)性能能滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求；
    （3）按照試驗(yàn)中采取的堆焊工藝??“在焊縫一側(cè)堆焊以減小焊縫間隙到正常間隙后，再進(jìn)行正式焊接”，是可以保證焊縫接頭的力學(xué)性能的，堆焊工藝是可行的。
    六、總結(jié)
    國(guó)家體育場(chǎng)主桁架的安裝難度主要表現(xiàn)在：
    1、屋頂主桁架整體支撐點(diǎn)的布置選擇，吊裝單元分段；
    2、空間主桁架的吊點(diǎn)、吊耳布置，索具選擇；
    3、平面主桁架采用龍門(mén)吊輔助翻身的操作工藝；
    4、主桁架安裝對(duì)口的處理。
    通過(guò)對(duì)以上各個(gè)難點(diǎn)的逐個(gè)研究分析，找出相應(yīng)的對(duì)策，并以科學(xué)的試驗(yàn)為依據(jù)，國(guó)家體育場(chǎng)的主結(jié)構(gòu)安裝已經(jīng)取得了工期、質(zhì)量、安全上的全面成功，這也給同類工程提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)。
    參考文獻(xiàn)
    （1）何焯，設(shè)備起重吊裝工程便攜手冊(cè)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.1；
    （2）朱學(xué)敏，起重機(jī)械，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.6；
    （3）中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)，建筑鋼結(jié)構(gòu)施工手冊(cè)，北京：中國(guó)計(jì)劃出版社；
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