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國家體育場(chǎng)(鳥(niǎo)巢)工程鋼結構空間巨型桁架安裝工藝

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

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

    提 要：國家體育場(chǎng)鋼結構安裝工程，主桁架分項根據安裝實(shí)際情況被分成空間立體桁架和平面桁架兩種吊裝單元?？臻g立體桁架的多對口對接、平面桁架的翻身過(guò)程穩定性是該分項工程的重難點(diǎn)。
    關(guān)鍵詞：鳥(niǎo)巢鋼結構、空間巨型桁架、龍門(mén)吊、三機抬吊、安裝工藝
    一、工程概況
    國家體育場(chǎng)位于北京市城府路南側，奧林匹克公園中心區內，是北京2008年奧運會(huì )的主體育場(chǎng)。建筑頂面呈馬鞍型，長(cháng)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(kāi)洞長(cháng)度為185.3m，寬度為127.5m。主桁架?chē)@屋蓋中間的開(kāi)口放射形布置，與屋面及立面的次結構一起形成了"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(xiàn)構成的內環(huán)。鋼結構總量約4.6萬(wàn)噸，構件截面均為箱形截面，其空間位置復雜多邊，形體宏大、美觀(guān)。

    國家體育場(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(xiàn)高度為12m，上下弦及腹桿均為箱形截面構件。

    目前工程主結構構件加工制作、拼裝已經(jīng)完成，現場(chǎng)主結構安裝接近尾聲，鋼結構安裝重量已經(jīng)超過(guò)四分之三，其中桁架柱已安裝完成，鳥(niǎo)巢形體初現端倪。
    二、主桁架分段及設備選擇
    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)半徑和國內、現有吊機資源的匹配，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。根據支撐塔架的設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)主桁架大型構件的吊裝，主桁架最終選用一臺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)內吊裝內環(huán)主桁架。外環(huán)主桁架在南北向安裝高度相對較低，作業(yè)半徑較小，但箱形構件的管壁厚，構件吊裝單元重，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，構成桁架的箱形截面壁厚薄，構件吊裝單元輕，選用主、輔臂長(cháng)，仰角小的塔式工況。內環(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環(huán)，作業(yè)半徑小，也不用跨越障礙，同時(shí)構件重，起重要求高，所以選用帶超起的主臂工況，而其他的內環(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。根據此，內外環(huán)800T、600T履帶吊的工況選用如下表所示：



    三、吊點(diǎn)設置、吊耳設計及索具選擇
    （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(cháng)繩圈，其他兩點(diǎn)采用滑輪組。構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)均設置在桁架腹桿K型交叉節點(diǎn)勁板對應的上表面，同時(shí)，三吊點(diǎn)的平面投影連線(xiàn)形成的三角形將重心包含在內。主吊點(diǎn)設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(mǎn)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的吊繩在同一個(gè)平面內。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，在吊耳相應的翼緣位置焊接L形刀板堪固。這樣，既加強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龍門(mén)吊均勻受力。因此，龍門(mén)吊兩吊點(diǎn)需設置為到過(guò)重心且垂直上下弦軸線(xiàn)的垂直線(xiàn)等距離的兩點(diǎn)。800T的主副吊點(diǎn)根據桁架就位時(shí)的姿態(tài)設置，保證就位時(shí)主副吊繩與大地垂線(xiàn)的夾角大致相等，同時(shí)吊點(diǎn)盡量設置在主桁架節點(diǎn)區域，或非節點(diǎn)區域但有勁板的地方。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)程中索力對吊耳平面外受力的情況。根據構件脫胎、起扳、就位等各個(gè)工序中吊耳平面內外受力的綜合情況分析、計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
    根據主桁架的分段及現場(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)介紹采用的相應對策：
    （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、回直直接調平就位，吊裝工藝相對平面桁架簡(jiǎn)單，空間桁架主要是脫胎和調平及其過(guò)程中的主要控制措施：
    （1）空間桁架?chē)嵨淮?，分擔到滑輪組上的受力也大，如圖3.4所示，采用多門(mén)滑輪組在調平過(guò)程跑繩行程長(cháng)。傳統構件姿態(tài)調節工具采用葫蘆調整，速度慢、要換行程次數多。本工程采用小型汽車(chē)吊來(lái)抽滑輪組跑繩，由于汽車(chē)吊高，整體調整過(guò)程更換行程的次數少，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)地外調平再提升就位，吊裝工藝相對復雜，平面桁架吊裝主要是脫胎、起扳和調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，兩臺龍門(mén)吊提下弦三機抬吊。三機抬吊三吊點(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)重心垂直構件上下弦的輔助線(xiàn)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)程中監測、控制。
    （2）脫胎后起扳，起扳時(shí)為監控桁架下弦兩頭均衡提升，在下弦吊掛兩盤(pán)卷尺監測下弦離地距離。當兩頭離地距離不等時(shí)，調整兩龍門(mén)吊吊鉤使構件兩端平衡。由于龍門(mén)吊鉤下沒(méi)有測量構件重量的儀器，這里通過(guò)控制兩吊點(diǎn)至重心線(xiàn)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）構件起扳調平后，吊車(chē)開(kāi)行至就位點(diǎn)就位，為合理使用大型吊機，采用卡馬板就位的方式就位。根據吊裝構件的長(cháng)度、重量、重心位置，計算上下弦斷口卡馬板臨時(shí)固定受力需要的馬板規格、長(cháng)度、焊縫長(cháng)度。先焊接上下弦上表面卡馬板，構架到達安裝就位位置，校正合格將其他三面卡馬板焊接完畢，吊機即可松鉤。

    （三）構件的調平
    當空間主桁架脫胎或平面桁架完全立直，構件所處于的狀態(tài)，同實(shí)際需要安裝就位的姿態(tài)還存在一定的角度。主要表現為，桁架各安裝對口點(diǎn)的相對高差不符合設計的最終相對高差。通過(guò)調整動(dòng)滑輪組的長(cháng)度，將構件各安裝斷口的相對高差調整到設計要求，構件調平達到合格，就位后再根據各對口已安裝的構件牛腿及設計標高精確調整構件的就位位置。構件地面調平的目的是將大量的高空調整、校正工作在地面來(lái)完成。
    五、主桁架安裝對口控制
    有余鳥(niǎo)巢結構的復雜性，加之加工制作、安裝等各種偏差的因素，造成構件對口錯邊及焊縫間隙及往往達不到設計和規范要求。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）錯口偏差處理方法
    國家體育場(chǎng)鋼結構所有構件均為全焊接箱形構件，閉口箱形構件在安裝對口時(shí)處理困難，而傳統鋼結構開(kāi)口構件的安裝對接是有經(jīng)驗，可以借鑒的。根據這一思想，在作安裝方案時(shí)考慮將閉口構件的安裝向開(kāi)口構件轉化。如圖5.1所示，在構件加工制作時(shí)，對所有的高空對接口處的后裝箱形構件的組立焊縫預留300mm長(cháng)不焊接，作為后續安裝對口的預留段，便于調整對口處的錯邊調節。待錯邊調整合格后，先將構件的組立焊縫焊接完畢，再來(lái)焊接對口焊縫。

    對于錯口位置距離構件節點(diǎn)較遠，可調節的自由段比較長(cháng)的構件，在自由段范圍內可調的，采用千斤頂或火工矯正方法，以滿(mǎn)足錯口偏差的施工驗收要求，同時(shí)滿(mǎn)足設計有關(guān)建筑外形平緩過(guò)渡的要求。
    對于受到安裝接口和節點(diǎn)限制，錯口位置距離構件節點(diǎn)較近，可調的自由段長(cháng)度較小構件，在千斤頂及火工矯正方法無(wú)法滿(mǎn)足要求時(shí)，采取換板件或后裝段的處理方法保證滿(mǎn)足驗收標準和設計建筑外形的要求。換板或后裝段的具體做法應針對不同錯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
    主結構板厚集中在20-40mm，結合本項目施工質(zhì)量驗收標準及《建筑鋼結構焊接技術(shù)規程》（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?xún)龋ㄐ∮?.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
    為了驗證上述寬焊縫間隙條件下焊縫綜合力學(xué)指標，施工前進(jìn)行了相關(guān)的堆焊工藝試驗、寬間隙焊縫焊接工藝評定試驗以及焊接變形試驗。
    試驗結果表明：
    （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)明寬間隙焊縫對焊接變形影響很小，相應的對焊接應力影響也應很??；
    （2）所進(jìn)行的15組焊接工藝評定試驗結果全部合格，說(shuō)明寬間隙焊縫焊接接頭的力學(xué)性能能滿(mǎn)足規范和設計要求；
    （3）按照試驗中采取的堆焊工藝??“在焊縫一側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
    國家體育場(chǎng)主桁架的安裝難度主要表現在：
    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、主桁架安裝對口的處理。
    通過(guò)對以上各個(gè)難點(diǎn)的逐個(gè)研究分析，找出相應的對策，并以科學(xué)的試驗為依據，國家體育場(chǎng)的主結構安裝已經(jīng)取得了工期、質(zhì)量、安全上的全面成功，這也給同類(lèi)工程提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗。
    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(xué)敏，起重機械，北京：機械工業(yè)出版社，2003.6；
    （3）中國鋼結構協(xié)會(huì )，建筑鋼結構施工手冊，北京：中國計劃出版社；
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