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國(guó)家體育場(chǎng)空間巨型鋼桁架安裝施工技術(shù)

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

    王大偉 許立新 陳橋生
    （上海寶冶建設(shè)有限公司，上海，200941）
    [摘要]國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)為空間巨型鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，構(gòu)件體型龐大，單體重量重，施工難度大。為此，本文特從施工方案選擇、吊索具設(shè)計(jì)及吊裝工藝等方面重點(diǎn)介紹了國(guó)家體育場(chǎng)空間巨型鋼桁架安裝施工技術(shù)。
    [關(guān)鍵詞]國(guó)家體育場(chǎng) 空間巨型鋼桁架 吊裝 安裝 施工技術(shù)

    1 工程簡(jiǎn)介

    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)。鋼結(jié)構(gòu)建筑頂面呈馬鞍型，長(zhǎng)軸為332.3m，短軸為297.3m，最高點(diǎn)高度為68.5m，最低高度為40.1m。屋蓋中間開洞長(zhǎng)度為185.3m，寬度為127.5m。主要由24榀桁架柱、24榀大跨度主桁架組成的24榀空間巨型門式剛架圍繞體育場(chǎng)內(nèi)部碗狀看臺(tái)切線旋轉(zhuǎn)而成，空間巨型鋼桁架與立面及頂面次結(jié)構(gòu)交叉編織，從而形成了 “鳥巢”的特殊建筑造型，見圖1。

    2 施工方案的選擇
    國(guó)家體育場(chǎng)工程作為我國(guó)首次舉辦奧運(yùn)會(huì)的主場(chǎng)館，舉世矚目，其目標(biāo)是建設(shè)成“國(guó)內(nèi)最好、世界一流”的體育場(chǎng)，并保證整個(gè)工程按期完成，使奧運(yùn)會(huì)順利舉行。鋼
    結(jié)構(gòu)工程作為體育場(chǎng)的主體工程，乃整個(gè)工程的關(guān)鍵。國(guó)家體育場(chǎng)主體鋼結(jié)構(gòu)由24榀巨型桁架柱及24榀大跨度桁架組成，桁架柱的最大斷面25m×20m，最高68.5m，單榀最重達(dá)700t之多；主桁架高度12m，雙榀貫通最大跨度258.365m。構(gòu)件體型龐大，單體重量重。對(duì)于如此巨大跨度的空間桁架結(jié)構(gòu)的高空安裝，施工難度極大。經(jīng)過國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)的方案征集，匯集了整體提升、滑移、分段吊裝與高空拼裝(簡(jiǎn)稱散裝法)及局部提升等多種施工方案。考慮到鋼結(jié)構(gòu)工程與其它專業(yè)的穿插施工、施工場(chǎng)地的限制以及面臨的巨大技術(shù)挑戰(zhàn)等因素，經(jīng)過多次的方案對(duì)比、論證，最終確定“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)安裝采用“高空散裝”方案：

    所有構(gòu)件分吊裝單元分段進(jìn)行安裝，高空對(duì)接，區(qū)間合攏，結(jié)構(gòu)形成后進(jìn)行支撐塔架卸載。安裝時(shí)，先安裝南北方向桁架柱，后安裝東西方向桁架柱，內(nèi)外主桁架的安裝穿插進(jìn)行。立面次結(jié)構(gòu)與樓梯則隨桁架柱的安裝進(jìn)度一起進(jìn)行安裝，頂面次結(jié)構(gòu)待卸載完畢再進(jìn)行安裝。

    3 施工分區(qū)及吊裝順序
    國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)為巨型大跨度空間桁架結(jié)構(gòu)，構(gòu)件自重產(chǎn)生的內(nèi)力所占比例較大，鋼結(jié)構(gòu)施工順序?qū)Y(jié)構(gòu)構(gòu)件在重力荷載作用下的內(nèi)力將產(chǎn)生明顯影響。所以，為保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的整體性，減少構(gòu)件自身荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，主體鋼結(jié)構(gòu)的安裝順序應(yīng)遵循對(duì)稱同步、盡早形成局部穩(wěn)定安裝區(qū)域的原則，將鋼結(jié)構(gòu)對(duì)稱劃分為兩大施工區(qū)域：I區(qū)、II區(qū)，兩個(gè)區(qū)同時(shí)對(duì)稱進(jìn)行吊裝，如圖2所示。

    在每個(gè)施工區(qū)域，為盡早形成安裝區(qū)域局部穩(wěn)定，將主體鋼結(jié)構(gòu)安裝分為了三個(gè)階段。先南北、后東西、最后進(jìn)行四個(gè)角部區(qū)域主桁架的安裝，并進(jìn)行區(qū)間整體合攏。根據(jù)吊車的吊裝能力，又分為了內(nèi)外兩個(gè)施工區(qū)，內(nèi)外環(huán)吊車根據(jù)施工區(qū)域劃分進(jìn)行內(nèi)外環(huán)構(gòu)件的吊裝。

    4 空間巨型鋼桁架安裝施工技術(shù)

    對(duì)于國(guó)家體育場(chǎng)主體鋼結(jié)構(gòu)采用散裝法的吊裝方案，巨型桁架柱及大跨度空間桁
    架均散件運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行
    地面拼裝。分段吊裝前，在主桁架下面搭設(shè)施工用支撐塔架，然后分段進(jìn)行吊裝，待屋面主結(jié)構(gòu)形成整體后，支撐塔架再整體同步卸載。

    根據(jù)整個(gè)體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式及構(gòu)件特性，結(jié)合所選用吊車的吊裝能力及吊裝順序，將整個(gè)體育場(chǎng)的主體鋼結(jié)構(gòu)分為了48個(gè)桁架柱吊裝段，182個(gè)主桁架吊裝段。每個(gè)施工分區(qū)選用1臺(tái)800t履帶吊和1臺(tái)600t履帶吊進(jìn)行主結(jié)構(gòu)的吊裝。其中，800t履帶吊布置在外環(huán)，負(fù)責(zé)桁架柱、外圈主桁架及部分中圈主桁架的安裝，600t履帶吊布置在內(nèi)環(huán)，負(fù)責(zé)內(nèi)圈及部分中圈主桁架的安裝。

    4.1巨型桁架柱施工技術(shù)
    國(guó)家體育場(chǎng)空間巨型桁架柱為三角形斷面組合柱，主要由一根菱形內(nèi)柱和兩根箱型外柱組成，內(nèi)、外柱之間設(shè)有箱型腹桿，兩外柱之間則設(shè)有箱型立面次結(jié)構(gòu)。桁架柱斷面上大下小，外柱在上部彎曲圓弧形收攏到菱形內(nèi)柱上。每個(gè)施工區(qū)12根桁架柱的高度、重量、結(jié)構(gòu)形態(tài)都各不相同，且結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。由于桁架柱的重心偏向內(nèi)柱，且位于內(nèi)外柱之間，所以，為保證桁架柱脫胎時(shí)主吊點(diǎn)的受力和桁架柱
    的側(cè)向穩(wěn)定性及桁架柱脫胎后的臨時(shí)擱放，桁架柱采用內(nèi)柱朝上的正立三角臥拼的形式整體進(jìn)行地面拼裝。根據(jù)桁架柱的重量、高度及其它結(jié)構(gòu)特征，并考慮所選吊車的吊裝能力，采用整體拼裝、分段吊裝的方法，即桁架柱在指定的位置整體拼裝，采用分段雙機(jī)抬吊、翻身旋轉(zhuǎn)立直、主吊車回轉(zhuǎn)就位的吊裝方法。

    由于每根桁架柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)都不相同，且重量非常重，故在吊裝前要進(jìn)行不同位置的分段。根據(jù)桁架柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和吊機(jī)工作能力，每根桁架柱分為兩段，分段重量都在330t左右，最重達(dá)到370t。如此重且各不相同的吊裝單元，在吊裝過程中要經(jīng)過脫胎、翻身旋轉(zhuǎn)立直、就位三個(gè)過程，工藝復(fù)雜，所以桁架柱的吊裝是整個(gè)工程的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。經(jīng)過反復(fù)研究并制作模型進(jìn)行吊裝模擬后，確定雙機(jī)抬吊脫胎、主吊車通過滑輪組調(diào)節(jié)與輔助吊車配合將桁架柱翻身旋轉(zhuǎn)立直、主吊車單機(jī)旋轉(zhuǎn)就位的吊裝方法。

    4.1.1吊索具的設(shè)計(jì)
    根據(jù)以上吊裝方法，為滿足桁架柱由臥拼形態(tài)變?yōu)橹绷顟B(tài)，在桁架柱吊裝段的輔助鋼絲繩上連接一個(gè)可以調(diào)節(jié)吊裝鋼絲繩長(zhǎng)度的滑輪組。由于每個(gè)吊裝段的特點(diǎn)都不相同，所以要對(duì)每段桁架柱進(jìn)行重量、重心計(jì)算，按照最重的吊裝段進(jìn)行吊耳、鋼絲繩
    及滑輪組的設(shè)計(jì)，并考慮每個(gè)吊裝過程中吊耳及鋼絲繩的受力情況不同，按最不利的情況進(jìn)行考慮。桁架柱的吊耳設(shè)置非常關(guān)
    鍵，因?yàn)楸竟こ痰蔫旒苤煌谄渌こ痰匿摻Y(jié)構(gòu)，一來桁架柱的重量非常大，二來其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，重心位置不易確定，并
    且吊耳的設(shè)置要考慮脫胎、翻身直立、就位三個(gè)過程。為滿足桁架柱三個(gè)吊裝過程的要求，在桁架柱內(nèi)柱設(shè)置兩個(gè)主吊耳，在外柱上設(shè)置兩個(gè)輔助吊耳，同時(shí)在桁架柱分段的下部設(shè)置兩個(gè)輔助吊耳，脫胎和翻身直
    立時(shí)作為輔助吊車的吊點(diǎn)，巨型桁架柱下段柱的吊耳的設(shè)置見圖3。經(jīng)計(jì)算選定的滑輪組連接在主吊車的輔助吊耳上，上段柱的吊耳、鋼絲繩、滑輪組原理與下段柱相似。

    4.1.2巨型桁架柱吊裝的關(guān)鍵過程
    巨型桁架柱分段吊裝，要經(jīng)過脫胎、翻身直立、就位三個(gè)過程。這三個(gè)過程是一個(gè)連續(xù)的過程，但需要在不同的站位點(diǎn)上完成。為此，吊裝前，要根據(jù)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形態(tài)、吊車的工況及吊裝就位的位置等因素確定出每個(gè)吊裝過程的吊車站位點(diǎn)，并進(jìn)行吊車站位及行走路線的設(shè)計(jì)，如主吊車和輔助吊車的脫胎、翻身直立站位點(diǎn)及主吊車吊裝就位站位點(diǎn)。每個(gè)站位點(diǎn)的確定要根據(jù)吊車的起重能力、構(gòu)件的重量、重心位置及長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、吊車操作時(shí)所需要的空間等進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)、計(jì)算。巨型桁架柱分段吊裝的吊機(jī)站位點(diǎn)和行走路線的設(shè)計(jì)是最關(guān)鍵的，它直接影響到吊裝是否能夠成功、高效、順利的完成每一個(gè)環(huán)節(jié)。

    脫胎：桁架柱的脫胎由一臺(tái)800t和一臺(tái)500t履帶吊雙機(jī)抬吊完成，兩臺(tái)吊車站在設(shè)計(jì)好的脫胎站位點(diǎn)，先將桁架柱垂直提起，當(dāng)構(gòu)件完全脫離胎架并高過上節(jié)柱拼裝的最高點(diǎn)后，800t吊車慢慢轉(zhuǎn)桿，同時(shí)500t吊車一邊轉(zhuǎn)桿一邊向翻身站位點(diǎn)行走，直到分段桁架柱離開胎架位置，將構(gòu)件慢慢下落，使其離地高度不大于1m，保證吊車行走更安全，然后800t和500t吊車行走到翻身直立的站位點(diǎn)，完成脫胎過程。
    翻身直立：它是最關(guān)鍵的過程，它需要兩臺(tái)吊車相互密切配合，并通過電動(dòng)葫蘆牽引滑輪組將輔助鋼絲繩收短，使桁架柱直立。桁架柱脫胎后走到翻身直立站位點(diǎn), 兩臺(tái)吊車同時(shí)起吊，500t輔助吊車將桁架柱分段下端提升1～2m后停止，800t主吊車則繼續(xù)緩緩提升桁架柱上端，并向500t吊車方向轉(zhuǎn)桿并長(zhǎng)桿，同時(shí)將滑輪組鋼絲繩收短。當(dāng)桁架柱接近直立時(shí)，500t吊車慢慢松鉤，直到500t吊車不受荷后，退出工作，此時(shí)桁架柱完全由800t主吊車吊著，但桁架柱仍然處于傾斜狀態(tài)。為調(diào)整桁架柱的平衡，使內(nèi)柱成垂直狀態(tài)，通過電動(dòng)葫蘆來慢慢收短滑輪組的鋼絲繩。如下圖4(以下段為例)。

    吊裝就位：桁架柱翻身直立后，800t吊車行走到吊裝就位站位點(diǎn)，轉(zhuǎn)桿并趴桿使桁架柱位于就位位置的上方，緩緩落鉤，接近就位位置時(shí)，吊車停止落鉤，再次通過電動(dòng)葫蘆及滑輪組對(duì)桁架柱進(jìn)行微調(diào)，保證桁架柱內(nèi)、外柱下端口保持水平，并通過輕微的趴桿或長(zhǎng)桿，使桁架柱下端準(zhǔn)確對(duì)位。調(diào)整好以后，桁架柱保持平穩(wěn)時(shí)，800t吊車再緩緩落鉤使桁架柱準(zhǔn)確就位。

    由于每根桁架柱的重量、形態(tài)、重心等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)都不相同，所以對(duì)于每次吊裝都要進(jìn)行吊耳、吊車站位、吊車行走路線的設(shè)計(jì)，并確定吊車采用何種工況，做出詳細(xì)的吊裝方案。每根桁架柱的吊裝方案設(shè)計(jì)都要在確保安全吊裝的前提下，保證吊車的行走路線最短，并最好能使行走路線能夠同時(shí)滿足上段和下段桁架柱的吊裝，提高吊裝效率。由于巨型桁架柱重量非常重、體積大，每個(gè)吊裝過程均緩慢而復(fù)雜，同時(shí)，吊裝前要作大量準(zhǔn)備工作，吊裝就位后要進(jìn)行焊接，所以每段桁架柱從準(zhǔn)備吊裝到吊機(jī)松鉤一般需要三～五天。相比其它工程，國(guó)家體育場(chǎng)的巨型桁架柱吊裝是一個(gè)非常復(fù)雜、難度大、吊裝速度緩慢的工序。
    4.2大跨度空間桁架施工技術(shù)
    國(guó)家體育場(chǎng)是由24榀大跨度的空間桁架形成馬鞍型的屋蓋，長(zhǎng)軸長(zhǎng)332.3m，短軸長(zhǎng)297.3m，安裝最高點(diǎn)高度為68.5m，最低高度為40.1m，上下弦高度達(dá)12m。采用分段高空散裝的吊裝方法。
    空間主桁架的施工過程關(guān)鍵在于桁架的分段和吊裝順序、平面桁架的翻身以及空間管口的定位，以保證空間對(duì)接口的對(duì)位。
    4.2.1大跨度空間桁架的分段與吊裝順序
    根據(jù)支撐塔架的支撐位置、吊車吊裝工況及主桁架的結(jié)構(gòu)形式，并充分考慮分段吊裝順序和相互搭接關(guān)系，盡量避免前后吊裝分段的接口數(shù)量過多，保證各吊裝分段的穩(wěn)定性，保證內(nèi)外環(huán)吊機(jī)的吊裝的銜接等多方面因素，大跨度空間桁架共分為182個(gè)吊裝分段，其中平面桁架共166段，立體桁架共16段。根據(jù)布置和任務(wù)分工情況，主桁架的吊裝分為內(nèi)環(huán)主桁架吊裝區(qū)域共96個(gè)吊裝單元和外環(huán)主桁架吊裝區(qū)域共86個(gè)吊裝單元。施工時(shí)，在每個(gè)施工區(qū)域，為盡早形成安裝區(qū)域局部穩(wěn)定，將主體鋼結(jié)構(gòu)安裝分為了三個(gè)階段，先南北、后東西、最后進(jìn)行四個(gè)角部區(qū)域主桁架的安裝。在以上大的區(qū)域順序的基礎(chǔ)上，內(nèi)、外環(huán)根據(jù)相互的搭接順序及吊裝后的穩(wěn)定性將每個(gè)分段編號(hào)，吊裝時(shí)嚴(yán)格按編號(hào)順序進(jìn)行拼裝、吊裝。
    4.2.2大跨度空間桁架安裝關(guān)鍵技術(shù)
    由于主桁架吊裝單元分為平面主桁架和立體主桁架，平面主桁架采取臥式組拼，而立體主桁架拼裝形態(tài)與吊裝時(shí)相同，所以平面主桁架與立體主桁架的脫胎過程不盡相同。平面桁架要經(jīng)過翻身、脫胎、就位三個(gè)過程，而立體主桁架只有脫胎、就位二個(gè)過程。主桁架的脫胎過程采用單機(jī)脫胎，整個(gè)過程相對(duì)簡(jiǎn)單，構(gòu)件脫胎后進(jìn)行調(diào)整，與就位時(shí)的工況基本相同，到就位時(shí)再進(jìn)行微調(diào)。主桁架安裝的關(guān)鍵在平面主桁架的翻身、主桁架的管口的定位。
    平面主桁架翻身：對(duì)于平面主桁架的拼裝均采用平面拼裝的形式，拼裝完成后，采用主吊車直接從拼裝胎架上起扳成垂直的吊裝狀態(tài)。平面主桁架翻身前，在主桁架的下弦位置設(shè)置兩個(gè)馬凳，作為桁架翻身時(shí)的支點(diǎn)。在構(gòu)件起扳的過程中，主吊車一邊起鉤、一邊長(zhǎng)桿，使構(gòu)件以下弦支點(diǎn)為軸旋轉(zhuǎn)直立，避免構(gòu)件有橫向移動(dòng)。起扳的過程中，要嚴(yán)格控制吊鉤起鉤速度，尤其在構(gòu)件接近直立狀態(tài)時(shí)，要緩慢地使構(gòu)件垂直地?cái)R置在馬凳上。待構(gòu)件穩(wěn)定后再慢慢垂直提升構(gòu)件，以確保整個(gè)過程平穩(wěn)、安全，避免對(duì)構(gòu)件造成損傷與變形。
    主桁架就位：主桁架尤其是立體主桁架對(duì)接管口多，最多達(dá)幾十個(gè)，并且接口都是箱形，所以構(gòu)件的定位非常重要。施工時(shí)，首先要求拼裝的精度非常高，同時(shí)，在吊裝就位時(shí)要采取以下措施來保證就位后各牛腿的定位準(zhǔn)確。主桁架吊裝前要在部分位置加設(shè)臨時(shí)支撐，避免吊裝時(shí)構(gòu)件的變形；支撐塔架上的支墩要提前根據(jù)上面就位的桁架分段進(jìn)行準(zhǔn)確切割，并在主桁架對(duì)應(yīng)位置設(shè)置限位板；就位時(shí)通過滑輪組或手拉葫蘆調(diào)節(jié)構(gòu)件的角度；初步定位后通過全站儀進(jìn)行每個(gè)牛腿的空間坐標(biāo)測(cè)量，使每個(gè)管口的實(shí)測(cè)坐標(biāo)最接進(jìn)設(shè)計(jì)值，并滿足規(guī)范要求。
    5 結(jié)束語
    國(guó)家體育場(chǎng)空間巨型鋼桁架安裝因結(jié)構(gòu)跨度大、重量重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，導(dǎo)致整個(gè)工程施工技術(shù)難度相當(dāng)大。但是由于吊裝前，每個(gè)過程都經(jīng)過全面、詳細(xì)的方案討論，每個(gè)構(gòu)件吊裝時(shí)都經(jīng)過詳細(xì)的設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析，綜合考慮了一切可能遇到的難題，采取了相應(yīng)的措施，最終確保了空間巨型桁架吊裝安全、順利、優(yōu)質(zhì)的完成。
    [作者簡(jiǎn)介]王大偉（1979-1-10），男，內(nèi)蒙古商都縣人，上海寶冶建設(shè)有限公司，項(xiàng)目部總工程師，工程師，上海市寶山區(qū)四元路168號(hào)5號(hào)樓，200941。電話：13728790601。
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