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國家體育場鋼(鳥巢)結構安裝工程重型桁架柱單機立直安裝工藝

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    魏義進 封葉劍 劉子祥

    提要：國家體育場鋼結構安裝工程，對重型桁架柱采用800噸履帶吊單機立直安裝工藝，經當前施工過程證明，該工藝對于現場的場地利用、施工設備費用、結構安裝工期上都有良好的節(jié)約作用，并有較高的應用價值。
    關鍵詞：鋼結構、重型桁架柱、單機立直、安裝工藝

    一、工程概況
    國家體育場位于北京市城府路南側，奧林匹克公園中心區(qū)內，是北京2008年奧運會的主體育場。建筑頂面呈馬鞍型，長軸為332.3m，短軸為297.3m，南北跨度結構相對標高為42.246m，東西跨度結構相對標高為69.900m，屋蓋中間開洞長度為185.3m，寬度為127.5m。鋼結構總量約4.6萬噸，構件截面均為箱形截面構成不規(guī)則的鳥巢形體，其空間位置復雜多邊，形體宏大、美觀。

    其中主桁架共有48榀，即從24根桁架柱頂端分別沿兩外柱方向，向環(huán)內延伸交叉，主桁架總用鋼量約14000噸，組合柱約17020噸形成如下圖的主要承力體系。

    目前工程已經進入緊張的現場安裝階段，鋼結構安裝重量已經超過三分之一，其中桁架柱已基本安裝完成，鳥巢形體初現端倪。
    二、桁架柱分段說明及設備選擇
    由于收運輸尺寸限制，按公路運輸要求桁架柱分段運入現場后，按指定位置搭設拼裝胎架進行現場拼裝，根據鋼結構施工圖初步統(tǒng)計單根鋼柱重量超過600噸，如采用整體安裝方案，目前國內未有能滿足吊裝工況要求的大型起重設備，因此在深化圖紙設計階段將桁架柱分為上下兩個分段，下段柱高度為32米至45米，縱橫向寬度同一根柱基本一致，變化范圍為16米至25米，上段柱高度為15米至19米，縱橫向寬度同下柱基本一致。
    最大的分段重量（C7下）達到412噸，最小的分段重量也已經達到281噸，且桁架柱分段外型為三角形組合，所需要的最小安裝半徑不得小于20米，因此選擇CC4800型800噸履帶吊作為主要安裝設備，其性能如表１。

    針對選定的吊車性能，主要以78米主臂工況為主，在分段超重時采用66米主臂工況安裝，以最大限度地提高吊車的使用率。
    三、吊耳設計及索具選擇
    （一）、下段安裝吊耳及索具
    桁架柱最重吊裝段為：G=412t，根據桁架柱形狀及分段重量、長度、起吊方法及吊機性能等，采用吊耳吊裝。對于下段柱采用主吊車單車脫胎，脫胎吊耳采用四點脫胎，兩點在柱分段上端，兩點在分段下端；就位時將兩外柱的內側增加兩只同拉索方向一致的板式吊耳。其中內柱上端吊耳需要滿足脫胎和吊裝的雙重需要，特別是該吊耳將作為起扳立直過程中的主要吊耳，并且拉索的作用方向不斷變化，因此設計為管式吊耳，其他均采用板式吊耳。



    其中主吊索均采用鋼絲繩無頭繩圈，一頭掛于吊車鉤上，一頭通過三角形扁擔分兩股定長繩圈至兩個主吊點。
    （二）、上段安裝吊耳及索具
    上段桁架柱的脫胎吊耳和下段一致,但是在就位吊耳布置上有很大區(qū)別,就位吊耳均需設置在兩外柱扭曲段的上表面,以適應安裝就位狀態(tài)的需要,同時為保證吊耳同本體的焊接質量,吊耳落點設置在靠近側板附近,并根據吊耳落點的板厚采取了一定的加強措施,布置位置如圖3.4所示，索具配置如圖3.5。


    四、單機立直工藝
    單機立直工藝的優(yōu)點：（1）、適應現場場地相對狹小的條件，解決大型輔助吊車無法站位的要求；（2）節(jié)約輔助吊車的費用；（3）提高主吊車在現場的使用率；（4）大型構件吊裝時便于統(tǒng)一指揮。立直工藝要點首先根據現場的場地情況，結合桁架柱分段拼裝的位置，無法滿足兩臺大型吊車的工作空間，特別地在使用800噸履帶吊時，為滿足構件吊裝重量的要求，需要設置超起工況，而當前CC4800型履帶吊，只有達到額定荷載的80%以上時，尾部的超起配重才有可能離開地面，此時吊車才有回轉的可能。對于常規(guī)的單車立直動作，吊點應當設置在靠近吊車一側，立直回轉軸應當設置在遠離吊車一側，以防止在構件立直過程中，構件向起重平面外的傾覆趨勢。但是在本桁架柱分段的立直過程中，由于構件的重量幾乎均接近吊車的最大極限荷載，而且構件的長度均大于30米，如果采用回轉軸設置在遠離吊車的方向，當構件立直后，在大于30米的半徑外構件重量已經遠超過該半徑的額定荷載。因此在采取了一系列的保證措施后，選擇了回轉軸靠近吊車，起吊點遠離吊車的立直回轉方向，可以保證在20米半徑之內使構件完全立直，并且能夠滿足安裝半徑的需要。
    （一）、立直回轉前準備
    CC4800型800噸單車將構件脫胎后，將待立直構件同吊車的起重平面設置在一條直線上，確保吊車的超起配重中心、吊車的中心、起扳點、回轉軸中心點四點在一條直線上。如圖4.1所示。
    構件脫胎擱置于地面后，為確保能夠有效地繞預定回轉軸旋轉，即在靠近履帶吊方向的桁架下端設置軟木回轉槽，根據桁架柱下端有兩個外柱末端可以接觸地面，在對應位置分別設置回轉槽，構造如圖4.2。


    （二）、回轉過程說明
    構件脫胎擺放于立直場地后，對于下柱僅需拆除下端拉索，轉移到兩外柱上端口的板式拉耳上，原內柱上段的主吊索可以沿圓管吊耳轉至同吊點垂直。保持超起配重位置不變,以內柱上吊點為起扳點,外柱下端為回轉軸,開始構件的起扳動作。初始階段，由于起扳的荷載較小，尾部超起配重不會脫離地面，前端大鉤的起重能力完全滿足要求。隨著構件的逐漸立直，起重半徑逐漸減小，起扳吊點所承受的荷載也逐漸增加，但是對應800噸履帶吊的起重能力隨半徑的減小也逐漸增加，在整個回轉立直過程中的任何一點，對應的起重半徑和起重能力的對應數值，均在800噸允許的額定起重荷載之內。一般控制在20米半徑之內，將構件可以完全提離地面，分步過程如圖4.3所示。
    在整個立直過程中關鍵控制措施為防止起扳的構件，往履帶吊方向的回蕩及構件往起重平面外的傾斜，所采取的控制措施主要有以下幾點：

    A、 始終保持800噸履帶吊大鉤在起吊點上方，并設置一定的向大半徑方向的余量，使得在整個立直過程中，構件所受的水平拉力為遠離吊車方向；
    B、 設置在外柱下端的回轉槽必須同周邊的路基箱連成整體，在提供足夠強度的豎向荷載的同時，也能夠經受的起水平推力的作用；
    C、 隨著整個立直過程，作用于兩外柱上段的副吊索的長度將逐漸收緊，在該方向上均設置了120噸~200噸級別的滑輪組，為保證兩個副吊點可以對構件回轉起到一定的約束作用，必須隨著構件的起扳，逐漸拉緊滑輪組跑繩，使滑輪組一直處于張緊狀態(tài)。
    D、 對應構件起扳的較遠方向，在兩外柱頂端分別設置有足夠強度的纜風繩，隨構件的立直，逐漸放長，特別是在構件已經到達可以脫離地面前的臨界狀態(tài)，必須張緊纜風繩，以有效控制構件的回轉。
    （三）、構件的調平
    當構件完全立直，并脫離地面后，構件所處于的狀態(tài)，同實際需要安裝就位的狀態(tài)還存在一定的角度。主要表現為立直后，內柱同大地是不垂直的，而安裝就位狀態(tài)內柱是完全垂直于大地的，因此必須對構件進行調平工作。在構件的調平過程中，仍然依靠設置在兩外柱上端的滑輪組的逐步張緊，縮短輔助吊索的長度，將內柱在兩個方向上調整為垂直狀態(tài)。如圖4.4所示。

    （四）、構件就位
    當構件完全調整到同就位狀態(tài)一致后，將800噸履帶吊帶載開行到預定的就位中心位置，最大行走距離約20米，將構件安裝到設計位置，并精確調整到相關規(guī)范規(guī)定的偏差范圍之內后，將構件臨時固定，按既定的焊接方案進行構件的焊接固定。
    桁架柱上柱的起扳立直過程，除構件在外形上存在一定差別外，起扳過程的控制基本一致。
    五、總結
    在國家體育場桁架柱分段安裝過程中，由于構件的體量和重量都很大，而且所選用的800噸履帶吊設置超起工況后所需工作空間也非常大，采用單機立直回轉工藝，有效地利用了現場的施工場地，并且節(jié)約一臺300噸級的輔助吊車，有其明顯的經濟性。同時在整個立直過程中，充分利用800噸主吊車的起重性能，其所承擔的荷載隨立直動作的進行逐步增加，并使其在各個半徑范圍內的額定起重量都得到了充分的利用，開闊了在大噸位構件起重過程中對構件起重半徑和起重量協(xié)調控制的新思路。同時根據吊裝工況所設置的圓管式吊耳、三角形鐵扁擔、軟木回轉槽等細部節(jié)點措施，有效地保證了單車立直回轉過程的安全完成，并在實踐中得到了很好的驗證，減少大噸位構件在安裝過程中對大型設備的使用時間，取得了良好的經濟效益和提高了整個安裝過程的工作效率。
    參考文獻
    （1）、何焯，設備起重吊裝工程便攜手冊，北京：機械工業(yè)出版社，2005.1；
    （2）、朱學敏，起重機械，北京：機械工業(yè)出版社，2003.6；
    （3）、中國巨力集團產品介紹，河北保定；
    （4）、沈陽碼猛特重型設備性能表，沈陽；

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