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國家體育場鋼結(jié)構(gòu)安裝方案比選研究

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

    高樹棟 李久林 邱德隆 楊俊峰 魏義進 石榮金 李文標 陳橋生

    提 要：本文主要從定性和定量兩方面對國家體育場鋼結(jié)構(gòu)安裝工程進行了整體提升、高空滑移、局部提升+高空散裝和高空散裝四種方案的比選，根據(jù)比選結(jié)果提出國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程最終的總體安裝方案，期望對類似工程施工提供參考。
    關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)、安裝方案、局部提升、高空散裝

    國家體育場工程是北京2008年奧運會主會場，其鋼結(jié)構(gòu)工程因其結(jié)構(gòu)跨度大、節(jié)點復雜，大量采用彎扭構(gòu)件、構(gòu)型特異的桁架柱及巨型桁架而讓世人矚目。對于如此復雜的鋼結(jié)構(gòu)工程，采取何種方案順利實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑成為國家體育場工程能否勝利竣工的關(guān)鍵，也成為世人關(guān)注的焦點。
    1工程概況
    國家體育場位于奧林匹克公園中心區(qū)的南部，主體建筑緊鄰北京城市中軸線，并與國家體育館和國家游泳中心相對于中軸線均衡布置。國家體育場主體建筑西側(cè)為距景觀路200m的中軸線步行綠化廣場，東側(cè)為龍形水系及湖邊東路，距CATIC大酒店300m，北側(cè)為中一路，南側(cè)緊臨北四環(huán)，成府路在地下空間穿過用地，如圖1-1奧林匹克中心公園規(guī)劃圖。占地面積20.4公頃，總建筑面積25.8萬m2。工程結(jié)構(gòu)形式復雜、建設(shè)標準要求，大量采用混凝土斜梁斜柱、鋼結(jié)構(gòu)彎扭構(gòu)件，無成功經(jīng)驗可借鑒，施工難度大；建設(shè)周期三年，且存在階段性的“三邊”情況，建筑工期特別短；施工場地狹窄，且存在多專業(yè)交叉施工，施工組織管理難度大。
    其中，其鋼結(jié)構(gòu)工程由24榀門式剛架圍繞著體育場內(nèi)部混凝土碗狀看臺區(qū)旋轉(zhuǎn)而成，其中22榀拉通或基本拉通。大跨度鋼結(jié)構(gòu)大量采用由鋼板焊接而成的箱形構(gòu)件，交叉布置的主結(jié)構(gòu)與屋面、立面的次結(jié)構(gòu)一起編織成“鳥巢”的造型。所有鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件形成結(jié)構(gòu)及建筑外形，如圖1-2。

    鋼結(jié)構(gòu)屋面呈雙曲面馬鞍型，最高點高度為68.5m，最低點高度為40.1m；平面上呈橢圓形，長軸為332.3m、短軸為297.3；屋蓋中部的開口內(nèi)環(huán)呈橢圓型，長軸為185.3m，短軸為127.5m；大跨度屋蓋支撐在24根桁架柱之上，柱距為38.0m。
    屋頂主結(jié)構(gòu)均為箱型截面，上弦桿截面基本為1000mm×1000mm，下弦桿截面基本為800mm×800mm，腹桿截面基本為600mm×600mm，腹桿與上下弦桿相貫，屋頂桁架矢高12.0m。豎向由24根組合鋼結(jié)構(gòu)柱支撐，每根組合鋼結(jié)構(gòu)柱由兩根1200mm×1200mm箱型外柱和一根菱形內(nèi)柱組成，每個桁架柱下設(shè)有一個T型鋼柱腳，荷載通過它傳遞至基礎(chǔ)。立面次結(jié)構(gòu)截面基本為1200mm×1000mm，頂面次結(jié)構(gòu)截面基本為1000mm×1000mm。
    設(shè)計總用鋼量約42000噸。大量采用Q345C、Q345D、Q345GJC和Q345GJD級鋼材，局部采用Q460E-Z35級鋼材和Gs-20Mn5V級鑄鋼件。鋼板的最大厚度110mm，鑄鋼件最厚達140mm。
    鋼構(gòu)件體型大、單體重量重，構(gòu)件翻身、吊裝難度大。作為屋蓋結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件的桁架柱最大外形尺寸達25m×20m×68.5m；而主桁架高度12m，雙榀貫通最大跨度約260m。主桁架每延米約2~3t，組合柱每延米最重達10t。
    結(jié)構(gòu)形體復雜，均為箱型斷面構(gòu)件，位置和方向性均極強；結(jié)構(gòu)跨度大、節(jié)點復雜（如圖2-3），安裝精度受現(xiàn)場環(huán)境溫度變化等因素影響大，安裝精度極難控制。大量采用了巨型彎扭箱型構(gòu)件，大量采用高強特厚鋼板，為建筑鋼結(jié)構(gòu)史上首例。而且，鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)施工交叉作業(yè)，必須從安全、質(zhì)量、功能、工期、造價等方面綜合考慮，選擇最優(yōu)施工方案。

    根據(jù)國家體育場整體工程特點，其鋼結(jié)構(gòu)安裝工程主要有整體提升、高空滑移、局部提升+高空散裝、高空散裝四種方案可供選擇。
    2整體提升和高空滑移方案分析
    整體提升方案的總體思路為先在地面完成主體鋼結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)的安裝，整體提升到位后，再開始內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)等的施工。如果采用此方案進行施工，鋼結(jié)構(gòu)施工的準備時間因處于關(guān)鍵線路將占用很長的絕對工期，看臺混凝土結(jié)構(gòu)因被圍罩鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部而不能先期施工，因而室內(nèi)裝修工程、機電設(shè)備工程等無法提前插入，導致整個施工現(xiàn)場在前期基本沒有施工任務，總體工期很難保證。另外，如果看臺混凝土結(jié)構(gòu)后于鋼結(jié)構(gòu)施工，則導致混凝土施工穿插于鋼結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)中進行，將會對鋼結(jié)構(gòu)的成品保護和混凝土結(jié)構(gòu)的施工效率等產(chǎn)生巨大影響，進一步影響了整個工程的施工工期。
    高空滑移方案的總體思路為先開始混凝土結(jié)構(gòu)的施工，同時在場地外圍異地將整個結(jié)構(gòu)分為兩半分別高空組裝，組裝完成后將兩半鋼結(jié)構(gòu)滑移到設(shè)計位置，再對接合攏完成鋼結(jié)構(gòu)安裝。該方案為主體鋼結(jié)構(gòu)的施工和混凝土的施工同期進行，這樣整個工程的工期就有了最大限度的交叉和壓縮，對實現(xiàn)整個工程的工期目標非常有利。但是采用該方案的前提條件是在場地外側(cè)必須要存在與半個橢圓主體結(jié)構(gòu)相當?shù)呐R時場地，以便進行半個橢圓結(jié)構(gòu)的安裝，但是根據(jù)目前的施工場地現(xiàn)狀，無論是從東西劃分還是南北劃分，均沒有滿足在場地外組裝半個橢圓結(jié)構(gòu)的場地，因此該方案很難實施。另外，即使能夠解決場地問題，半個鋼結(jié)構(gòu)整體重量達到近兩萬多噸，開口桁架跨度大于100m，整個滑移結(jié)構(gòu)跨度297m，因此滑移的臨時滑道設(shè)計和結(jié)構(gòu)加固等措施也都是非常難解決的技術(shù)難題。
    根據(jù)上述分析知，國家體育場工程鋼結(jié)構(gòu)安裝方案不宜采用整體提升和高空滑移方案。
    3高空散裝和局部提升+高空散裝方案比選
    通過前面的分析，國家體育場鋼結(jié)構(gòu)安裝工程已經(jīng)排除采用整體提升和高空滑移兩種方案。因此，其安裝方案只能在高空散裝和局部提升+高空散裝兩種方案中進行抉擇。下面重點對這兩種方案進行分析比較，從而確定國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程安裝方案。對于這兩種安裝方案，由于其桁架柱及次結(jié)構(gòu)的安裝方法基本相同，最大區(qū)別在于頂面主桁架的安裝方法不同。因此，在進行這兩種安裝方案比選時重點進行關(guān)于主桁架安裝方法的分析比較。
    3.1局部提升+高空散裝方案
    3.1.1總體思路
    “局部提升+高空散裝”方案的總體思路為將整個“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)分成四塊來施工，即內(nèi)環(huán)整體提升塊、立面桁架柱、外圍主桁架和次結(jié)構(gòu)?？傮w施工順序為：1、立面桁架柱安裝就位；2、內(nèi)環(huán)整體提升塊施工，內(nèi)環(huán)整體提升塊拼裝在低高空原位拼裝胎架上完成（內(nèi)環(huán)整體提升塊拼裝和裝立面桁架柱安裝同時施工），拼裝完成后用提升設(shè)備將其提升到設(shè)計位置，并臨時固定于提升支架上；3、將外圍主桁架安裝于桁架柱及內(nèi)環(huán)整體提升塊各自挑出的牛腿上；4、立面、肩部及頂面次結(jié)構(gòu)安裝就位；5、整體鋼結(jié)構(gòu)形成自承重體系后進行卸載工作，從而完成鋼結(jié)構(gòu)工程的施工。
    其中，內(nèi)環(huán)提升塊范圍經(jīng)綜合比較后選定為B軸以內(nèi)（此部分混凝土結(jié)構(gòu)施工需在鋼結(jié)構(gòu)卸載完成且提升架拆除后施工）；外圈整體吊裝鋼桁架共為16榀，為對稱分布，主桁架的最大吊裝單元：重163t，長64m。如圖3-1所示。

    3.1.2工況分析
    根據(jù)總體安裝思路安排，“局部提升+高空散裝”方案的工況分析分三部分：一是內(nèi)環(huán)局部提升部分整體提升工況分析，二是主桁架吊裝工況分析，三是外圈主桁架吊裝就位后工況分析。
    （1）內(nèi)環(huán)局部提升工況分析
    在進行整體提升之前，需要對提升點進行合理布置，提升點合理布置的原則是盡可能使得各提升架在提升過程中受力分配均勻，并盡量限制桁架懸挑端的變位使得后續(xù)的施工安裝過程能夠順利的進行。故在此目的之下，根據(jù)內(nèi)環(huán)提升塊的特點、按照均布對稱的原則并結(jié)合以往工程的實踐經(jīng)驗分別對進行了提升點為24點和28點兩種工況分析，期望選取出最佳的提升點布置方案。圖3-2為提升點布置圖。

    在進行內(nèi)環(huán)局部提升工況分析時，主要考慮兩部分變形，即內(nèi)環(huán)整體提升塊在與外圍主桁架對接口處上下弦節(jié)點的變形和內(nèi)環(huán)提升點以內(nèi)構(gòu)件變形。
    內(nèi)環(huán)整體提升塊與外圈主桁架對接口處上下弦節(jié)點變形：
    圖3-3為內(nèi)環(huán)整體提升塊與外圈主桁架對接口上弦節(jié)點編號，圖3-4為內(nèi)環(huán)整體提升塊與外圈主桁架對接口下弦節(jié)點編號。內(nèi)環(huán)整體提升塊與外圈主桁架上下弦對接口在工況一（24點提升）和工況二（28點提升）的變形值基本一致，差別很小，詳見表3-1和表3-2。


    從表3-1和表3-2知，在內(nèi)環(huán)局部提升塊與外圈主桁架對接口上下弦節(jié)點最大變形值為：X方向10.2mm，Y方向9.2mm，Z方向8.9mm。
    內(nèi)環(huán)整體提升塊內(nèi)變形：
    工況一：24點提升變形：
    內(nèi)環(huán)整體提升塊最大變形發(fā)生在內(nèi)環(huán)短軸方向Y軸坐標最大處(如圖3-5(a))，擾度值為： -47mm；另外，內(nèi)環(huán)長軸方向擾度值為-15mm。
    內(nèi)環(huán)整體提升塊內(nèi)各桿件的應力比如圖3-6(a)所示，最大應力比為0.8；提升點最大反力為3942KN，發(fā)生短軸部位提升點上。.
    工況二：28點提升變形：
    內(nèi)環(huán)整體提升塊內(nèi)最大變形發(fā)生在長、短軸四個交角區(qū)域（如圖3-5(b)），其最大撓度值為19mm；
    內(nèi)環(huán)整體提升塊內(nèi)各桿件的應力比如圖3-6所示，最大應力比為0.4；提升點最大反力為2769KN，發(fā)生在靠內(nèi)的四個提升點上。


    （2）外圈主桁架吊裝工況分析
    外圍主桁架各段長短不等，取最長的主桁架吊裝單元進行分析，其長度為64m。吊裝時，采用四吊點吊裝。其工況分析分三部分：主桁架臥拼起吊工況、立吊工況和吊裝就位工況。
    主桁架起吊時其變形如圖3-7所示，其最大變形值為5.7mm，發(fā)生懸臂端；吊點最大反力為282KN，支點最大反力為257KN，其應力比如圖3-8所示。

    主桁架立吊時其變形如圖3-9所示，其最大變形值為5.9mm，發(fā)生懸臂端；吊點最大反力為610KN，其應力比如圖3-10所示。

    外圈主桁架吊裝就位后其其最大變形為21mm，發(fā)生在主桁架的跨中部位；提升點最大反力為3725KN，發(fā)生在外圍24個提升點中長、短軸四個交角處；其桿件的應力比圖如圖3-11所示，構(gòu)件應力比均在0.2以內(nèi)。

    同時，外圈主桁架吊裝后導致結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，內(nèi)環(huán)桿件應力比有提高，其應力比如圖3-12所示。

    由前面分析知，內(nèi)環(huán)整體提升及外圈主桁架吊裝過程，各桿件變形均處于彈性變形范圍內(nèi)，其強度、剛度，穩(wěn)定性均滿足要求。
    但是，其內(nèi)環(huán)整體提升塊與外圈主桁架接口變形相對較大，約50%以上的接口錯邊超過《鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗收標準》（GB50205-2001）關(guān)于錯邊不大于t/10或3mm規(guī)定，對口錯邊問題很難解決。
    3.1.3設(shè)計修改后主桁架內(nèi)環(huán)特點
    調(diào)整初步設(shè)計后，設(shè)計將原有的鋼結(jié)構(gòu)活動屋蓋取消，鋼結(jié)構(gòu)固定屋蓋的“內(nèi)環(huán)桁架”開口加大約增加約20m。該“內(nèi)環(huán)桁架”因平面尺度很大、截面板厚較設(shè)計修改前有較大減少，同時存在較大的高差，整體剛度較差，已經(jīng)沒有真正意義上的“內(nèi)環(huán)桁架”。主結(jié)構(gòu)設(shè)計修改前后變化情況見圖3-13。同時，由于鋼屋蓋內(nèi)邊界在東西側(cè)已經(jīng)擴大到一層看臺的邊線、南北側(cè)到跑道的外側(cè)，如果采取該方案（即采取在地面進行“內(nèi)環(huán)桁架”的整體拼裝、提升的方案）將對混凝土看臺施工產(chǎn)生巨大影響。

    根據(jù)前面的分析知，局部整體提升方案已不具有優(yōu)勢。因此，國家體育場鋼結(jié)構(gòu)安裝工程不宜采用”局部提升+高空散裝”方案進行施工。
    3.2高空散裝方案
    3.2.1總體思路
    “高空散裝”方案的總體思路為將整個“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)在原位高空散裝就位，然后進行支撐卸載工作完成鋼結(jié)構(gòu)的安裝。在進行“高空散裝方案”分析時，根據(jù)工程特點分別進行了支撐點為50個（簡稱“散裝方法一”）和支撐點為78個（簡稱“散裝方法二”）兩種安裝方案的比較，支撐點布置如圖3-14。

    散裝方法一總體上分為三個階段五個區(qū)域，第一階段安裝1、2區(qū)域，即南北側(cè)各7個立柱(含部分立面次結(jié)構(gòu))、部分內(nèi)圈和主桁架；第二階段安裝3區(qū)域，即內(nèi)環(huán)區(qū)域的剩余的主桁架，內(nèi)環(huán)形成封閉區(qū)域；第三階段安裝4、5區(qū)域5即東西側(cè)各5個立柱(含部分立面次結(jié)構(gòu))和主桁架；主結(jié)構(gòu)安裝完成后進行肩部及頂面次結(jié)構(gòu)安裝；整體鋼結(jié)構(gòu)形成自承重體系后進行卸載工作，從而完成鋼結(jié)構(gòu)工程的施工。主結(jié)構(gòu)安裝順序如圖3-15(a)。
    散裝方法二總體上分為三個階段八個區(qū)域，第一階段安裝1、2區(qū)域，即南北側(cè)各3個立柱(含部分立面次結(jié)構(gòu))、部分內(nèi)圈和主桁架；第二階段安裝3、4區(qū)域，即東西側(cè)各3個立柱(含部分立面次結(jié)構(gòu)) 、部分內(nèi)圈和主桁架；第三階段安裝5、6、7、8區(qū)域（即4個角區(qū)各3個立柱(含部分立面次結(jié)構(gòu))及剩余主桁架；主結(jié)構(gòu)安裝完成后進行肩部及頂面次結(jié)構(gòu)安裝；整體鋼結(jié)構(gòu)形成自承重體系后進行卸載工作，從而完成鋼結(jié)構(gòu)工程的施工。主結(jié)構(gòu)安裝順序如圖3-15(b)。

    這兩種安裝方法均為吊裝時首先形成穩(wěn)定單元，然后逐步分塊、分區(qū)對稱安裝，其不同點為：
     主桁架分段長度不同，方法一最大長度為64米（從柱端至第三節(jié)點），方法二最大長度為38.5米（第二至第四節(jié)點），對應的構(gòu)件分段不同。
     內(nèi)環(huán)吊裝分塊不同，相應的高空組拼順序不同、對混凝土施工的影響程度不同。
     支撐點設(shè)置不同，方法一支撐數(shù)量50個，均在第三個節(jié)點以內(nèi)，其中內(nèi)圈22個、中圈14個、外圈14個；方法二支撐數(shù)量78個，其中內(nèi)圈30個、內(nèi)圈24個、外圈（第一節(jié)點處）24個。
     吊機選擇不同，方法一外圈需要兩臺1000t履帶吊、內(nèi)圈一需要兩臺500t履帶吊，且工況不均衡；方法二外圈需要兩臺800t履帶吊、內(nèi)圈一需要兩臺600t履帶吊，工況基本均衡；
    3.2.2工況分析
    對于散裝方法一，主桁架的最大吊裝單元長64m，其工況分析同前文 “局部提升+高空散裝”方案中關(guān)于外圈主桁架工況分析的有關(guān)內(nèi)容，這里不在贅述。其最大變形為值為5.9mm，發(fā)生懸臂端。該變形值遠超過《鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗收標準》（GB50205-2001）關(guān)于錯邊不大于t/10或3mm規(guī)定，對口錯邊問題很難解決。因此，不宜采取此安裝方法。
    下面重點研究散裝方法二的工況分析。
    對應于78個支撐塔架的“高空散裝”方案，主桁架最大吊裝單元長38.5m。在進行工況計算時，分別對主桁架的翻身和吊起狀態(tài)進行了分析，計算結(jié)果如表3-3所示。

    90° 9N/mm,發(fā)生在下弦中部 0.6mm，發(fā)生上弦端部
    在翻身吊裝的過程中，其最大應力為13N/?2，最大位移為2.5?。因此在翻身、吊裝整個過程中主桁架都不會產(chǎn)生永久變形，不會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響；而且，對接口錯邊均滿足《鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗收標準》（GB50205-2001）關(guān)于錯邊不大于t/10或3mm規(guī)定。
    3.3結(jié)論
    由前面的分析結(jié)果知，如果采用“局部提升+高空散裝”方案，將會因接口錯邊問題給安裝帶來極大困難，不宜采用。而如果采用78個支撐點的“高空散裝”方案，將會很好的解決高空對接口的錯邊問題，同時也不會影響到混凝土結(jié)構(gòu)的施工，對總工期的保證非常有利。
    因此，國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程最終選定78個支撐點的“高空散裝”方案進行安裝。
    4結(jié)束語
    按照上述確定的方案，國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程采用“高空散裝”的方法進行施工。其中，肩部及頂面次結(jié)構(gòu)應設(shè)計要求在主結(jié)構(gòu)卸載完成后再進行安裝。安裝總吊數(shù)1130吊。其中，鋼柱腳130吊、桁架柱48吊、主桁架182吊，次結(jié)構(gòu)820吊。主結(jié)構(gòu)安裝時，外圈采用兩臺800T、內(nèi)圈采用兩臺600T大型覆帶吊車進行吊裝。
    鋼結(jié)構(gòu)安裝工作自2005年10月28日正式開始吊裝，歷時約9個月于2006年7月16日完成主結(jié)構(gòu)及立面次結(jié)構(gòu)的吊裝與焊接工作，完成鋼結(jié)構(gòu)總重量約4萬噸。2006年8月31日完成鋼結(jié)構(gòu)合攏工作。2006年9月17日完成鋼結(jié)構(gòu)卸載工作。目前，正進行肩部及頂面次結(jié)構(gòu)的安裝。
    自檢及第三方監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程的施工質(zhì)量完全滿足設(shè)計文件及《國家體育場鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗收標準》的有關(guān)要求。
    圖4-1為目前鋼結(jié)構(gòu)安裝全景。


    致 謝
    本文在編寫過程中，周文瑛、關(guān)憶盧和劉子祥等鋼結(jié)構(gòu)專家給予了大力的支持和幫助，在此表示誠摯的感謝。



    參考文獻
    （1）楊俊峰、邱德隆、高樹棟等，國家體育場鋼結(jié)構(gòu)施工組織設(shè)計，2004.12
    （2）中華人民共和國國家標準，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范（GB20205-2001）
    （3）劉樹屯、李久林、高樹棟、邱德隆，“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵施工技術(shù)介紹，第六屆全國現(xiàn)代工程學術(shù)研討會，2006.7
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