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國家體育場鋼結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

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

    李久林 高樹棟 邱德隆 李文標(biāo) 萬里程 魏義進(jìn) 陳橋生

    提 要：本文主要從方案選擇、施工部署、主次結(jié)構(gòu)吊裝、鋼結(jié)構(gòu)合攏和支撐卸載以及厚板焊接等方面對國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程安裝過程中的關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行了介紹，期望對類似工程施工提供參考。
    關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)、吊裝、合攏、卸載、厚板焊接、關(guān)鍵施工技術(shù)
    1工程概況
    國家體育場鋼結(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。

    鋼結(jié)構(gòu)屋面呈雙曲面馬鞍型，最高點(diǎn)高度為68.5m，最低點(diǎn)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(gè)桁架柱下設(shè)有一個(gè)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(jì)總用鋼量約42000噸。鋼板的最大厚度110mm。當(dāng)鋼板厚度≤34mm時(shí)，采用Q345鋼材；當(dāng)鋼板厚度≥36mm時(shí)，采用Q345GJ鋼材；當(dāng)鋼板厚度為100mm時(shí)，采用Q345GJ和Q460鋼材；當(dāng)板厚為110mm時(shí)，采用Q460鋼材。具體板厚分布情況如圖1-2所示。另外，桁架柱內(nèi)柱由菱形截面向矩形截面轉(zhuǎn)換處采用GS-20Mn5V級鑄鋼件（C19桁架柱除外），鑄鋼件最厚達(dá)140mm。
    而且，設(shè)計(jì)對鋼材的抗撕裂性能和沖擊韌性作了明確要求。具體情況如表1-1、表1-2所示。

    另外，設(shè)計(jì)規(guī)定鋼結(jié)構(gòu)的合攏溫度為14±4℃，支撐塔架卸載按照“分階段整體分級同步”原則進(jìn)行。
    2工程特點(diǎn)及難點(diǎn)
    2.1大量采用空間彎扭構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，加工制作及安裝難度大
    為了體現(xiàn)“鳥巢”獨(dú)特的建筑造型，本工程大量采用空間彎扭構(gòu)件，無固定的線型。同時(shí)，本工程中無論是主結(jié)構(gòu)之間，還是主次結(jié)構(gòu)之間，都存在多根桿件空間匯交現(xiàn)象；加之次結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變、規(guī)律性少，造成主結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造相當(dāng)復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)類型多樣，制作、安裝精度要求高。如圖2-1。

    2.2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(dá)25m×20m×68.5m，分兩段吊裝，吊裝單元最重達(dá)360多噸，吊裝高度最高達(dá)68.5m。而主桁架高度12m，雙榀貫通最大跨度約260m，吊裝單元最重262噸，構(gòu)件最長約43m。由于構(gòu)件體型較大，重量重，各類構(gòu)件重心位置互不相同，翻身時(shí)吊點(diǎn)的設(shè)置和吊耳的選擇難度較大，特別是桁架柱的翻身，吊耳在翻身和吊裝時(shí)的受力有所變化，需考慮三向受力。翻身過程中的穩(wěn)定性控制難度大。起吊時(shí)，必須調(diào)整好分段構(gòu)件的角度和方位，而對于體型大、重量重的構(gòu)件，角度調(diào)節(jié)相當(dāng)困難，吊裝難度大。如圖2-2。

    2.3焊接量大、焊接難度大
    本工程為全焊接鋼結(jié)構(gòu)，焊縫總長度約30萬m，焊縫折算總長度約280萬m。鋼板厚度從3mm到110mm，焊接位置涉及平焊、橫焊、立焊和仰焊，且焊接工作跨整個(gè)冬季。既有高強(qiáng)鋼（Q460E-Z35）的焊接，又有鑄鋼件（GS-20Mn5V）的焊接。薄板焊接變形大，厚板焊接熔敷量大，溫度控制和勞動強(qiáng)度要求高。而高空焊接、冬雨季焊接的防風(fēng)雨和防低溫措施更使得焊接難度增大。
    2.4安裝精度控制難、施工質(zhì)量要求高
    由于施工過程中結(jié)構(gòu)本身因自重和溫度變化均會產(chǎn)生變形，結(jié)構(gòu)形體復(fù)雜，均為箱型斷面構(gòu)件，位置和方向性均極強(qiáng)，安裝精度受現(xiàn)場環(huán)境、溫度變化等多方面的影響，安裝精度極難控制。施工時(shí)必須采取必要的措施，提前考慮好如何對安裝誤差進(jìn)行調(diào)整和消除，如何進(jìn)行測量和監(jiān)控，使變形在受控狀態(tài)下完成，以保證整體造型和施工質(zhì)量。另外，本工程無論是外觀質(zhì)量，還是內(nèi)在質(zhì)量（如焊縫質(zhì)量等級等），都要求相當(dāng)高。其中，鋼板拼接、彎扭段構(gòu)件組裝焊縫及現(xiàn)場拼裝、安裝焊縫均為全熔透一級焊縫；鋼結(jié)構(gòu)立面在距視線10m內(nèi)可見焊縫的余高要求為0~1mm，所有焊縫表面均需進(jìn)行磨光處理。
    2.5合攏口多、合攏溫度要求嚴(yán)，實(shí)施難度大
    根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本工程中的主桁架和立面結(jié)構(gòu)各設(shè)置了四條合攏線。其中，主桁架合攏口100個(gè)（含上、下弦和腹桿），立面結(jié)構(gòu)的合攏口28個(gè)，合攏口數(shù)量眾多。雖立面結(jié)構(gòu)和主桁架可采取分次合攏方案，但一次合攏的對接口數(shù)量仍高達(dá)50個(gè)，為確保合攏線上的對接口同時(shí)合攏，需組織大量的人力和物力。而且，整個(gè)鋼屋蓋安裝及制作誤差最終均集中在這四條合攏線，選擇何種合攏方式來消納這種誤差難度特別大。同時(shí)，對于如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的溫度場分布情況，要保證分次合攏時(shí)的溫度條件基本一致，難度巨大。
    2.6卸載點(diǎn)多、噸位重、設(shè)計(jì)要求高，同步控制難度大
    本工程卸載點(diǎn)多、卸載噸位大，屋蓋總面積約60000平方米、卸載噸位約14000噸，78個(gè)卸載點(diǎn)，設(shè)計(jì)要求“結(jié)構(gòu)整體分級同步卸載、嚴(yán)格進(jìn)行比例控制”，單點(diǎn)卸載噸位大、最大點(diǎn)支撐力約300噸，卸載實(shí)施難度大。
    2.7頂面及肩部次結(jié)構(gòu)安裝難度大
    頂面及肩部次結(jié)構(gòu)在主結(jié)構(gòu)卸載之后進(jìn)行安裝，卸載之后主結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，而現(xiàn)有的加工制作依據(jù)是卸載前位形，所以卸載前后的變形量將會嚴(yán)重影響次結(jié)構(gòu)的安裝精度。同時(shí)，施工過程中結(jié)構(gòu)本身因自重和溫度變化均會產(chǎn)生變形，加之，結(jié)構(gòu)形體復(fù)雜，箱型斷面構(gòu)件的位置和方向性強(qiáng)，安裝精度很難控制。
    3施工方案選擇
    國家體育場鋼結(jié)構(gòu)為特大型大跨度空間結(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。為了滿足國家體育場工程總工期的要求，按照施工組織總設(shè)計(jì)的部署，看臺混凝土結(jié)構(gòu)先行施工，鋼結(jié)構(gòu)隨后進(jìn)行施工。因此協(xié)調(diào)鋼結(jié)構(gòu)安裝與混凝土結(jié)構(gòu)施工的關(guān)系，對保證混凝土看臺連續(xù)施工、鋼結(jié)構(gòu)的順利安裝、室內(nèi)裝修工程及機(jī)電設(shè)備工程及時(shí)插入以及外圍基座盡早施工具有重大的意義。
    大跨度鋼結(jié)構(gòu)常用的安裝方案有整體提升、滑移、分段吊裝高空組拼方法(簡稱散裝法)和局部整體提升等方式。針對國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程及其與其它分部工程之間的時(shí)間和空間關(guān)系，在鋼結(jié)構(gòu)安裝方案的選擇過程中對比考慮了上述四種方式。由于采用整體提升方案時(shí)看臺混凝土部分不能先期施工，因而室內(nèi)裝修工程、機(jī)電設(shè)備工程無法提前插入，導(dǎo)致在總體工期上受到限制；采用滑移方案時(shí)，受到施工場地的限制以及面臨的巨大技術(shù)挑戰(zhàn)等因素，因此主要進(jìn)行了散裝法和局部整體提升法的比選。
    根據(jù)調(diào)整后初步設(shè)計(jì)的具體技術(shù)條件，鑒于以下主要原因：
     屋蓋鋼結(jié)構(gòu)調(diào)整設(shè)計(jì)后已經(jīng)沒有真正意義上的“內(nèi)環(huán)桁架”；
     由各榀貫通的主桁架形成的“內(nèi)環(huán)桁架”平面尺度很大，而且截面板厚比調(diào)整設(shè)計(jì)前有了較大幅度的減小，同時(shí)存在較大的高差，整體剛度較差；
     由于鋼屋蓋內(nèi)邊界在東西側(cè)已經(jīng)擴(kuò)大到一層看臺的邊線、南北側(cè)到跑道的外側(cè)，采取在地面進(jìn)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)生較大影響。
    主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)修改前后變化，詳見圖3-1。

    鑒于上述原因，最終確定鋼結(jié)構(gòu)總體安裝方案采用高空散裝方案。
    4施工部署
    主結(jié)構(gòu)的安裝順序遵循對稱同步、盡早形成安裝區(qū)域局部穩(wěn)定的原則?？傮w上分為三個(gè)階段八個(gè)區(qū)域，第一階段安裝1、2區(qū)域；第二階段安裝3、4區(qū)域，第三階段安裝5、6、7、8區(qū)域。

    次結(jié)構(gòu)的安裝順序?qū)φw鋼結(jié)構(gòu)的安裝具有重要的影響，為了加強(qiáng)在每個(gè)安裝階段及支撐塔架卸載過程中的整體側(cè)向穩(wěn)定性，確定在支撐塔架卸載前隨每個(gè)階段鋼組合柱的安裝進(jìn)行立面次結(jié)構(gòu)的安裝。
    根據(jù)設(shè)計(jì)要求，頂面及肩部次結(jié)構(gòu)在主結(jié)構(gòu)卸載完成后進(jìn)行安裝。
    5主結(jié)構(gòu)吊裝
    根據(jù)本工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)體系的形成過程，主體鋼結(jié)構(gòu)安裝劃分為三個(gè)階段八個(gè)區(qū)域，分階段分區(qū)域?qū)ΨQ進(jìn)行安裝。由于主體鋼結(jié)構(gòu)由鋼柱和主桁架兩大部分組成，施工時(shí)，先安裝鋼柱，然后安裝主桁架，保證結(jié)構(gòu)體系的逐步形成。
    5.1吊機(jī)選擇
    根據(jù)總體分段安裝思路、支撐胎架的布置情況、分段重量、作業(yè)半徑及起吊高度，鋼柱與外圈主桁架分段由2臺800t履帶吊場外進(jìn)行吊裝、內(nèi)圈與中圈主桁架分段由2臺600t履帶吊場內(nèi)進(jìn)行吊裝。
    5.2安裝流程
    根據(jù)現(xiàn)場場地條件、吊機(jī)的搭配及施工任務(wù)的分工情況，整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的施工分成兩大施工區(qū)域，兩大施工區(qū)域“分區(qū)進(jìn)行、對稱安裝”。如圖5-1所示。

    5.3吊裝工況
    主結(jié)構(gòu)吊裝分場內(nèi)吊裝和場外吊裝兩部分。場內(nèi)和場外吊裝工況如圖5-2所示。

    6次結(jié)構(gòu)吊裝
    次結(jié)構(gòu)吊裝分立面次結(jié)構(gòu)和頂面及肩部次結(jié)構(gòu)兩部分。
    立面次結(jié)構(gòu)安裝，隨桁架柱安裝分柱間逐步進(jìn)行。安裝時(shí)，按照“柱腳先裝、聯(lián)系鋼柱的次結(jié)構(gòu)整體吊裝，其它次結(jié)構(gòu)分段安裝”的原則進(jìn)行分段，按“從下向上，與鋼柱先建立聯(lián)系，由柱邊向中間安裝的”原則順勢向上進(jìn)行安裝，鋼柱本身的次結(jié)構(gòu)，在鋼柱拼裝時(shí)，與鋼柱一起拼裝然后分段吊裝。典型立面次結(jié)構(gòu)吊裝分段及安裝順序如圖6-1。

    頂面及肩部次結(jié)構(gòu)的安裝在支撐塔架卸載以后進(jìn)行，安裝時(shí)總體上遵循分區(qū)同步對稱安裝原則，即I、II兩區(qū)域同步對稱進(jìn)行安裝。根據(jù)頂面及肩部次結(jié)構(gòu)的分布情況及結(jié)構(gòu)受力情況，頂面及肩部次結(jié)構(gòu)的安裝共分為二個(gè)階段：第一階段安裝肩部次結(jié)構(gòu)和內(nèi)圈頂面次結(jié)構(gòu)，第二階段安裝中圈頂面次結(jié)構(gòu)。肩部和中圈的安裝均從南北方向向東西兩側(cè)推進(jìn)，內(nèi)圈頂面次結(jié)構(gòu)的安裝從安裝分界線與肩部順序相向推進(jìn)。具體的安裝順序如圖6-2。

    7鋼結(jié)構(gòu)合攏
    7.1合攏斷面選擇
    本工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，跨度較大，屋頂主桁架相互交錯，合攏線的選擇比較困難。在確定合攏線時(shí)，不但要考慮結(jié)構(gòu)本身的受力和變形情況，同時(shí)還應(yīng)考慮鋼結(jié)構(gòu)的整體安裝順序和主桁架的安裝分段情況，盡量減少合攏點(diǎn)的數(shù)量，并確保施工過程的安全。同時(shí)頂面主結(jié)構(gòu)是由24榀拉通或基本拉通的門式桁架編織而成，合攏斷面的選擇應(yīng)盡量將24榀門式剛架斷開。經(jīng)過反復(fù)擇優(yōu)比選并通過設(shè)計(jì)復(fù)核，主桁架、立面結(jié)構(gòu)及頂面次結(jié)構(gòu)的合攏線確定如下:
     主桁架沿屋蓋環(huán)向設(shè)置四條合攏線，主桁架的合攏線充分利用鋼結(jié)構(gòu)的兩條分區(qū)施工線，另增設(shè)兩條合攏線；
     為保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的合攏，立面結(jié)構(gòu)與頂面次結(jié)構(gòu)沿屋蓋環(huán)向在與主體鋼結(jié)構(gòu)合攏斷面相應(yīng)的位置設(shè)置四條合攏線；
     安裝時(shí)，合攏線處所有鋼結(jié)構(gòu)桿件均斷開，采用卡馬臨時(shí)搭接，并保證合攏口的伸縮自由。
    根據(jù)以上情況，主桁架共有96個(gè)合攏口，立面次結(jié)構(gòu)共有28個(gè)合攏口，主桁架下弦連系梁共有4個(gè)合攏口，總計(jì)128個(gè)合攏口。合攏口位置具體見圖7-1和圖7-2。

    7.2合攏順序
    根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，結(jié)合設(shè)計(jì)提出“先行合攏構(gòu)件需納入后續(xù)合攏線合攏溫度要求范圍”的原則，本工程的合攏順序?yàn)椋?br /> 先進(jìn)行主桁架的合攏，再進(jìn)行立面結(jié)構(gòu)的合攏；主桁架合攏時(shí)，先進(jìn)行兩大施工區(qū)域內(nèi)部合攏線的合攏，再進(jìn)行兩大施工分區(qū)間合攏線的合攏；立面次結(jié)構(gòu)一次同步合攏；同一合攏線的各合攏口同時(shí)、同步合攏。
    7.3合攏溫度
    關(guān)于合攏溫度，設(shè)計(jì)要求本工程的合攏溫度為14±4℃。然而，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)工程總體進(jìn)度安排，合攏時(shí)間安排在8月中下旬。經(jīng)查閱工程所在地近三十年氣象資料，無法滿足該合攏溫度。為此，經(jīng)有關(guān)部門協(xié)調(diào)和經(jīng)過氣象、規(guī)劃等部門的大量研討論證，根據(jù)北京市朝陽氣象站1959年至2005年共47年氣象資料，并結(jié)合全球氣溫變化趨勢，設(shè)計(jì)對合攏溫度作如下調(diào)整：
     主結(jié)構(gòu)合攏溫度：19±4℃，相當(dāng)于15℃~23℃；
     次結(jié)構(gòu)合攏溫度：19℃-8℃~19℃+4℃，相當(dāng)于11℃~23℃。
    實(shí)際合攏施工時(shí)，為了對合攏時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的溫度進(jìn)行監(jiān)測以確保設(shè)計(jì)合攏溫度要求，在整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)布設(shè)了60個(gè)溫度測點(diǎn)，對鋼結(jié)構(gòu)本體溫度進(jìn)行全程實(shí)時(shí)監(jiān)測；同時(shí)，邀請北京市專業(yè)氣象臺在現(xiàn)場設(shè)立臨時(shí)天氣預(yù)測站點(diǎn)，提前對天氣氣溫條件作出預(yù)測，以指導(dǎo)合攏時(shí)機(jī)的選擇。
    合攏施工時(shí)溫度監(jiān)測結(jié)果表明，在選定的操作時(shí)間段內(nèi)所有合攏施工均滿足設(shè)計(jì)合攏溫度要求，具體溫度監(jiān)測結(jié)果圖7-3、7-4、7-5所示。




    7.4合攏口安裝工藝
    由于本工程合攏口數(shù)量眾多，且合攏段的安裝隨著工程的總體安裝進(jìn)程在不同時(shí)間里進(jìn)行，合攏段的安裝質(zhì)量不僅影響結(jié)構(gòu)安裝過程中的安全，而且影響最終的合攏和結(jié)構(gòu)的總體施工質(zhì)量及結(jié)構(gòu)使用過程中的安全，因此，必須采取合理的安裝工藝措施，確保合攏段與相關(guān)構(gòu)件的安裝及結(jié)構(gòu)的順利合攏。具體工藝措施如下：
    （1）為控制合攏時(shí)合攏口的間隙大小，減少合攏口的焊接量和焊接殘余應(yīng)力，確保合攏口的焊接質(zhì)量，在進(jìn)行合攏段的安裝時(shí)，要盡量控制合攏段安裝時(shí)合攏口的間隙大小，該間隙大小要考慮溫度變形計(jì)算結(jié)果和焊接收縮變形。
    （2）為確保合攏段施工過程中的安全，合攏段安裝就位后，除設(shè)計(jì)要求的合攏口不進(jìn)行焊接連接外，其它接口部位均需及時(shí)焊接完畢，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。
    （3）為確保合攏口在施工過程中因溫度變化而自由伸縮，合攏口采用卡馬搭接連接，卡馬的大小和數(shù)量需根據(jù)該接口部位的受力計(jì)算確定。
    卡馬設(shè)置要求如下：
    合攏口上翼緣設(shè)置三塊卡馬，其它邊各設(shè)置兩塊卡馬，為增加卡馬側(cè)向穩(wěn)定性，上翼緣兩邊卡馬增設(shè)規(guī)格為100×100×10mm的三角形勁板。除下翼緣的卡馬焊接固定在已裝主桁架牛腿上外，其它卡馬均焊接固定在合攏段端口上，如圖7-6所示。

    （4）為確保安全，合攏段安裝就位后，非合攏口要及時(shí)進(jìn)行焊接，待焊接完成2/3以上后吊機(jī)方可松鉤，同時(shí)，合攏口卡馬需按要求設(shè)置好。松鉤時(shí)，速度要緩慢平穩(wěn)，并注意觀測合攏口的變化情況，如無異常，可繼續(xù)松鉤。當(dāng)合攏段跨中安裝連接側(cè)向構(gòu)件時(shí)，也應(yīng)進(jìn)行合攏口的觀測。
    （5）在整個(gè)安裝過程中，要定時(shí)進(jìn)行合攏口的跟蹤檢查工作，一是檢查卡馬的連接焊縫和變形情況，確?？R的安全；二是檢查合攏口的間隙情況。
    7.5合攏施工
    參照橋梁等其他大跨度結(jié)構(gòu)的合攏施工經(jīng)驗(yàn)，以及本工程結(jié)構(gòu)對接焊縫焊接歷時(shí)較長的特點(diǎn)，合攏實(shí)施采取了卡馬合攏的方法。也即是結(jié)構(gòu)的合攏先通過卡馬同步焊接完成形成整體，在卡馬合攏焊接的過程中嚴(yán)格控制鋼結(jié)構(gòu)本體溫度滿足設(shè)計(jì)要求；合攏卡馬焊接完成后，隨即進(jìn)行合攏口結(jié)構(gòu)對接焊縫的連續(xù)焊接，直至對接焊縫焊接完成；對接焊縫焊接完成后對焊縫進(jìn)行100%的自檢探傷和第三方探傷。
    8支撐塔架卸載
    8.1卸載點(diǎn)布置
    主桁架安裝采用地面分段拼裝、高空對接的施工方法，為此在施工區(qū)域內(nèi)分內(nèi)、中、外三圈布置78個(gè)支撐塔架，每個(gè)支撐塔架頂部設(shè)置兩臺千斤頂和兩個(gè)墊塊支撐點(diǎn)，作為主桁架分段高空安裝的主要受力支點(diǎn)。同時(shí)，這78個(gè)受力支點(diǎn)在卸載時(shí)作為卸載點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)支撐塔架受力向結(jié)構(gòu)受力的轉(zhuǎn)移。支撐點(diǎn)布置如圖8-1所示，每個(gè)卸載點(diǎn)布置如圖8-2所示。

    8.2卸載方案
    參照相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過大量的計(jì)算分析比對，考慮了不同的卸載方式和卸載量控制，在“分階段整體分級同步”的卸載原則下，按照位移等比同步控制為主、卸載反力控制為輔，卸載方案最終確定為由外向內(nèi)的卸載總順序，并且在外、中、內(nèi)三圈支撐塔架各圈卸載過程中保持同步，三圈支撐每次卸載的位移同各點(diǎn)的最終總位移保持等比關(guān)系，逐步實(shí)現(xiàn)支撐塔架受力向結(jié)構(gòu)受力的轉(zhuǎn)移。
    整個(gè)卸載過程共分七大步、三十五小步。卸載時(shí)，第一、二、三大步卸載步驟為：先外圈卸載10%、中圈5%、內(nèi)圈5%，再中圈5%，內(nèi)圈5%；前三大步完成后外、中、內(nèi)三圈各卸載總位移量的30%。第四、五、六、七大步卸載步驟為：每大步先外圈卸載剩余位移量的1/4、中圈1/8、內(nèi)圈1/8，再中圈1/8，內(nèi)圈1/8；后四大步完成后外、中、內(nèi)三圈各卸載總位移量70%。最終支撐脫離順序?yàn)橥?、中、?nèi)。
    由于卸載支撐點(diǎn)的卸載位移不僅有垂直方向，同時(shí)存在水平方向的位移，卸載時(shí)采用千斤頂和墊塊支撐交替作用來減小千斤頂承受的水平力。
    8.3卸載液壓控制系統(tǒng)
    為了保證卸載方案的有效實(shí)施，經(jīng)分析比較最終選用ENERPAC計(jì)算機(jī)控制同步頂升和下降控制系統(tǒng)進(jìn)行本工程的卸載工作。該系統(tǒng)是基于閉環(huán)控制系統(tǒng)理論，通過發(fā)出和采集這些頂升力和位移信號，通過比較運(yùn)算這些同類信號并將其時(shí)刻輸出至顯示器上來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，并及時(shí)提示用戶做出修正。卸載液壓系統(tǒng)包括中央控制器、區(qū)域控制器、控制閥、油泵、千斤頂?shù)冉M成，位移同步精度可達(dá)到3mm。
    卸載時(shí)，首先由中央控制器向區(qū)域控制器發(fā)出升（降或停）的指令，泵站操作員依照指令將換向閥轉(zhuǎn)到對應(yīng)位置后，由中央控制器啟動泵站；在系統(tǒng)工作過程中不斷采集壓力信號和位移信號，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)壓力值超過預(yù)先設(shè)定的壓力值，說明在卸載過程中該點(diǎn)載荷過高，系統(tǒng)自動關(guān)閉所有的泵等待檢查。液壓控制系統(tǒng)如圖8-3所示。

    9測量測控
    9.1測量控制網(wǎng)
    由于國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程造型奇特、傳統(tǒng)的施工測量控制網(wǎng)無法滿足國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程施工測量的需要，為此采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)、激光雷達(dá)、全站儀及數(shù)字水準(zhǔn)儀等快速建立高精度三維工程控制網(wǎng)，建立了一個(gè)高精度的施工導(dǎo)線控制網(wǎng)，保證現(xiàn)場拼裝、高空安裝施工定位精度，控制網(wǎng)的精度達(dá)到0.3mm。
    共布設(shè)4個(gè)GPS點(diǎn)和12個(gè)高精度導(dǎo)線點(diǎn)，其中12個(gè)導(dǎo)線點(diǎn)采用強(qiáng)制對中的形式。為避免施工對控制點(diǎn)點(diǎn)位的影響，保持控制點(diǎn)成果的可靠性，每三個(gè)月對控制網(wǎng)進(jìn)行一次復(fù)測，并在每次測量工作開始前都要對相鄰控制點(diǎn)進(jìn)行檢查。在計(jì)算中用測量專用平差軟件對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)密平差，平差后的控制點(diǎn)點(diǎn)位誤差在2mm~3mm。
    9.2施工測量
    鑒于地面拼裝時(shí)多點(diǎn)定位多點(diǎn)檢查、高空安裝時(shí)多接口對接等特點(diǎn)，國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程施工測量時(shí)一改測角、量距的傳統(tǒng)方法，而是充分發(fā)揮全站儀高效、精確、方便的優(yōu)勢，從導(dǎo)線控制網(wǎng)的觀測到基礎(chǔ)定位、放線，從鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地面組裝到高空三維定位安裝，全部采用全站儀。測量過程中，先后使用了12臺全站儀和1套（3臺）GPS定位儀。其中用于導(dǎo)線控制網(wǎng)觀測的Leica TCA2003全站儀是目前最先進(jìn)、精度最高的測量儀器，該儀器測角中誤差0.5秒，測距中誤差 1 +1ppm，其他的全站儀也大部份是高精度的Leica型號的儀器。這些儀器在國家體育場的鋼結(jié)構(gòu)施工測量中發(fā)揮了不可替代的作用，可以說“沒有全站儀就沒有鳥巢”。
    施工測量時(shí)，在測量控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，建立加密網(wǎng)滿足施工測量的需要。所有的地面拼裝和高空安裝，均采用三維坐標(biāo)來確定和復(fù)核拼裝、安裝精度。同時(shí)在安裝的過程中，地面拼裝的測量控制測取已經(jīng)安裝就位的構(gòu)件的形態(tài)進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整，確保安裝和拼裝的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。
    9.3激光雷達(dá)掃描技術(shù)
    按照設(shè)計(jì)要求肩部和頂面次結(jié)構(gòu)在鋼結(jié)構(gòu)卸載完成后進(jìn)行安裝，而肩部和頂面次結(jié)構(gòu)施工圖是以卸載前位形為基準(zhǔn)。因此，按照卸載前位形施工圖加工的肩部和頂面次結(jié)構(gòu)接口會存在較大的偏差；另外，膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是基于卸載前的三維模型進(jìn)行設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)位形和實(shí)際安裝位形存在偏差。
    為及時(shí)掌握安裝過程的實(shí)際情況和卸載前后鋼結(jié)構(gòu)位形的變化情況，國家體育場工程應(yīng)用了激光雷達(dá)掃描技術(shù)對安裝過過程以及卸載前后鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確檢測和完整記錄，為構(gòu)件的安裝以及頂面及肩部次結(jié)構(gòu)拼裝和膜結(jié)構(gòu)施工提供參考。
    10厚板焊接
    本工程由于結(jié)構(gòu)跨度大、受力復(fù)雜等因素，設(shè)計(jì)時(shí)24個(gè)桁架柱大量采用了高強(qiáng)、特厚板。其中，局部采用了100/110mm厚Q460E-Z35厚板（正火狀態(tài)），此強(qiáng)度級別的厚板應(yīng)用于建筑鋼結(jié)構(gòu)工程國內(nèi)外均無先例。因此，采取合理的焊接技術(shù)和工藝參數(shù)以防止熱影響區(qū)脆化、焊接變形及母材撕裂是關(guān)系到工程成敗的關(guān)鍵。
    10.1焊接技術(shù)
    （1）在保證焊透的前提下采用小角度、窄間隙焊接坡口，采用小熱輸入量、小焊道、多道多層焊接方法，以減少收縮量，從而有效控制焊接收縮變形；
    （2）焊接時(shí)嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)，從而有效控制熱影響區(qū)的脆化，避免焊接裂紋的產(chǎn)生；
    （3）嚴(yán)格控制母材質(zhì)量，確保母材Z向性能滿足設(shè)計(jì)要求；
    （4）選用低氫高韌性焊接材料，焊接時(shí)嚴(yán)格控制焊槍的擺動幅度，保證焊縫和熱影響區(qū)的冷彎及沖擊性能。
    10.2質(zhì)量控制
    在進(jìn)行焊接質(zhì)量控制時(shí)，堅(jiān)持TQC的基本思想，進(jìn)行全員、全面、全過程質(zhì)量控制，從“人、機(jī)、料、法、環(huán)”五方面切實(shí)保證焊接工藝的成功實(shí)施，確保焊接工作的有序進(jìn)行。
    有針對性的組建焊接質(zhì)量保證體系，從組織上確保焊接質(zhì)量。形成專家顧問、焊接工程師、焊接技師及相關(guān)專業(yè)人員相結(jié)合的技術(shù)管理組織，以焊工培訓(xùn)、焊材、焊機(jī)的優(yōu)化選擇為基礎(chǔ)，以控制焊接裂紋為主導(dǎo)的焊接技術(shù)路線，從方案編制、無損檢測、預(yù)熱后熱等質(zhì)量控制環(huán)節(jié)上形成了一套科學(xué)、嚴(yán)密的質(zhì)量保證體系。
    重點(diǎn)控制以下幾點(diǎn)：
    （1）將焊機(jī)、焊材廠家作為質(zhì)量保證體系中的重要閉合控制環(huán)節(jié)，選擇滿足工程需要的優(yōu)質(zhì)焊機(jī)及焊接材料，確保工程的焊接質(zhì)量；
    （2）嚴(yán)把焊工水平關(guān)，制定嚴(yán)格的培訓(xùn)、考試和準(zhǔn)入制度；
    （3）采用遠(yuǎn)紅外電加熱技術(shù)，對δ≥36mm的焊縫和重要焊接節(jié)點(diǎn)全部采用電加熱，保證焊縫的預(yù)熱（后熱）溫度的均勻和準(zhǔn)確性，嚴(yán)格控制焊接應(yīng)力、防止焊接裂紋的產(chǎn)生；
    （4）根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》（JGJ81-2002）相關(guān)規(guī)定，結(jié)合本工程特點(diǎn)，編寫焊接工藝評定方案、進(jìn)行焊接工藝評定。
    （5）自檢無損檢測單位的確定主要考慮人員素質(zhì)、設(shè)備條件、技術(shù)支持等因素，無損檢測單位參與焊接的全過程管理，對坡口處理、焊接方法、焊接參數(shù)等進(jìn)行見證，為最終檢測結(jié)果提供正確判斷。
    11結(jié)束語
    國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程自2005年10月28日正式開始吊裝，歷時(shí)約9個(gè)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。
    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(jì)文件及《國家體育場鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)要求。
    圖11-1為目前鋼結(jié)構(gòu)安裝全景。

    致 謝

    本文在編寫過程中，劉樹屯、周文瑛、關(guān)憶盧和劉子祥等國內(nèi)知名鋼結(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(xiàn)

    （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(jì)，2004.12
    （2）中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范（GB20205-2001）
    （3）李久林、高樹棟、邱德隆等，國家體育場鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，2005.7
    （4）中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程（JGJ81-2002）
    （5）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(xué)術(shù)研討會，2006.7
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