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國家體育場空間巨型鋼桁架安裝施工技術

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

    王大偉 許立新 陳橋生
    （上海寶冶建設有限公司，上海，200941）
    [摘要]國家體育場鋼結構主體結構為空間巨型鋼桁架結構體系，構件體型龐大，單體重量重，施工難度大。為此，本文特從施工方案選擇、吊索具設計及吊裝工藝等方面重點介紹了國家體育場空間巨型鋼桁架安裝施工技術。
    [關鍵詞]國家體育場 空間巨型鋼桁架 吊裝 安裝 施工技術

    1 工程簡介

    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(nèi)，是北京2008年奧運會的主體育場。鋼結構建筑頂面呈馬鞍型，長軸為332.3m，短軸為297.3m，最高點高度為68.5m，最低高度為40.1m。屋蓋中間開洞長度為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內(nèi)部碗狀看臺切線旋轉而成，空間巨型鋼桁架與立面及頂面次結構交叉編織，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
    國家體育場工程作為我國首次舉辦奧運會的主場館，舉世矚目，其目標是建設成“國內(nèi)最好、世界一流”的體育場，并保證整個工程按期完成，使奧運會順利舉行。鋼
    結構工程作為體育場的主體工程，乃整個工程的關鍵。國家體育場主體鋼結構由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700t之多；主桁架高度12m，雙榀貫通最大跨度258.365m。構件體型龐大，單體重量重。對于如此巨大跨度的空間桁架結構的高空安裝，施工難度極大。經(jīng)過國內(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(簡稱散裝法)及局部提升等多種施工方案。考慮到鋼結構工程與其它專業(yè)的穿插施工、施工場地的限制以及面臨的巨大技術挑戰(zhàn)等因素，經(jīng)過多次的方案對比、論證，最終確定“鳥巢”鋼結構安裝采用“高空散裝”方案：

    所有構件分吊裝單元分段進行安裝，高空對接，區(qū)間合攏，結構形成后進行支撐塔架卸載。安裝時，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行。立面次結構與樓梯則隨桁架柱的安裝進度一起進行安裝，頂面次結構待卸載完畢再進行安裝。

    3 施工分區(qū)及吊裝順序
    國家體育場鋼結構為巨型大跨度空間桁架結構，構件自重產(chǎn)生的內(nèi)力所占比例較大，鋼結構施工順序?qū)Y構構件在重力荷載作用下的內(nèi)力將產(chǎn)生明顯影響。所以，為保證整個結構的整體性，減少構件自身荷載對結構的影響，主體鋼結構的安裝順序應遵循對稱同步、盡早形成局部穩(wěn)定安裝區(qū)域的原則，將鋼結構對稱劃分為兩大施工區(qū)域：I區(qū)、II區(qū)，兩個區(qū)同時對稱進行吊裝，如圖2所示。

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

    4 空間巨型鋼桁架安裝施工技術

    對于國家體育場主體鋼結構采用散裝法的吊裝方案，巨型桁架柱及大跨度空間桁
    架均散件運至現(xiàn)場，在現(xiàn)場進行
    地面拼裝。分段吊裝前，在主桁架下面搭設施工用支撐塔架，然后分段進行吊裝，待屋面主結構形成整體后，支撐塔架再整體同步卸載。

    根據(jù)整個體育場鋼結構的結構形式及構件特性，結合所選用吊車的吊裝能力及吊裝順序，將整個體育場的主體鋼結構分為了48個桁架柱吊裝段，182個主桁架吊裝段。每個施工分區(qū)選用1臺800t履帶吊和1臺600t履帶吊進行主結構的吊裝。其中，800t履帶吊布置在外環(huán)，負責桁架柱、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)，負責內(nèi)圈及部分中圈主桁架的安裝。

    4.1巨型桁架柱施工技術
    國家體育場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)、外柱之間設有箱型腹桿，兩外柱之間則設有箱型立面次結構。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。每個施工區(qū)12根桁架柱的高度、重量、結構形態(tài)都各不相同，且結構非常復雜。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主吊點的受力和桁架柱
    的側向穩(wěn)定性及桁架柱脫胎后的臨時擱放，桁架柱采用內(nèi)柱朝上的正立三角臥拼的形式整體進行地面拼裝。根據(jù)桁架柱的重量、高度及其它結構特征，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，采用分段雙機抬吊、翻身旋轉立直、主吊車回轉就位的吊裝方法。

    由于每根桁架柱的結構特點都不相同，且重量非常重，故在吊裝前要進行不同位置的分段。根據(jù)桁架柱的結構特點和吊機工作能力，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、翻身旋轉立直、就位三個過程，工藝復雜，所以桁架柱的吊裝是整個工程的重點，也是難點。經(jīng)過反復研究并制作模型進行吊裝模擬后，確定雙機抬吊脫胎、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立直、主吊車單機旋轉就位的吊裝方法。

    4.1.1吊索具的設計
    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可以調(diào)節(jié)吊裝鋼絲繩長度的滑輪組。由于每個吊裝段的特點都不相同，所以要對每段桁架柱進行重量、重心計算，按照最重的吊裝段進行吊耳、鋼絲繩
    及滑輪組的設計，并考慮每個吊裝過程中吊耳及鋼絲繩的受力情況不同，按最不利的情況進行考慮。桁架柱的吊耳設置非常關
    鍵，因為本工程的桁架柱不同于其它工程的鋼結構，一來桁架柱的重量非常大，二來其結構非常復雜，重心位置不易確定，并
    且吊耳的設置要考慮脫胎、翻身直立、就位三個過程。為滿足桁架柱三個吊裝過程的要求，在桁架柱內(nèi)柱設置兩個主吊耳，在外柱上設置兩個輔助吊耳，同時在桁架柱分段的下部設置兩個輔助吊耳，脫胎和翻身直
    立時作為輔助吊車的吊點，巨型桁架柱下段柱的吊耳的設置見圖3。經(jīng)計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、就位三個過程。這三個過程是一個連續(xù)的過程，但需要在不同的站位點上完成。為此，吊裝前，要根據(jù)構件的結構形態(tài)、吊車的工況及吊裝就位的位置等因素確定出每個吊裝過程的吊車站位點，并進行吊車站位及行走路線的設計，如主吊車和輔助吊車的脫胎、翻身直立站位點及主吊車吊裝就位站位點。每個站位點的確定要根據(jù)吊車的起重能力、構件的重量、重心位置及長度等結構特點、吊車操作時所需要的空間等進行詳細設計、計算。巨型桁架柱分段吊裝的吊機站位點和行走路線的設計是最關鍵的，它直接影響到吊裝是否能夠成功、高效、順利的完成每一個環(huán)節(jié)。

    脫胎：桁架柱的脫胎由一臺800t和一臺500t履帶吊雙機抬吊完成，兩臺吊車站在設計好的脫胎站位點，先將桁架柱垂直提起，當構件完全脫離胎架并高過上節(jié)柱拼裝的最高點后，800t吊車慢慢轉桿，同時500t吊車一邊轉桿一邊向翻身站位點行走，直到分段桁架柱離開胎架位置，將構件慢慢下落，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，完成脫胎過程。
    翻身直立：它是最關鍵的過程，它需要兩臺吊車相互密切配合，并通過電動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, 兩臺吊車同時起吊，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吊車方向轉桿并長桿，同時將滑輪組鋼絲繩收短。當桁架柱接近直立時，500t吊車慢慢松鉤，直到500t吊車不受荷后，退出工作，此時桁架柱完全由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，轉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，吊車停止落鉤，再次通過電動葫蘆及滑輪組對桁架柱進行微調(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桿，使桁架柱下端準確對位。調(diào)整好以后，桁架柱保持平穩(wěn)時，800t吊車再緩緩落鉤使桁架柱準確就位。

    由于每根桁架柱的重量、形態(tài)、重心等結構特點都不相同，所以對于每次吊裝都要進行吊耳、吊車站位、吊車行走路線的設計，并確定吊車采用何種工況，做出詳細的吊裝方案。每根桁架柱的吊裝方案設計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，每個吊裝過程均緩慢而復雜，同時，吊裝前要作大量準備工作，吊裝就位后要進行焊接，所以每段桁架柱從準備吊裝到吊機松鉤一般需要三～五天。相比其它工程，國家體育場的巨型桁架柱吊裝是一個非常復雜、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
    國家體育場是由24榀大跨度的空間桁架形成馬鞍型的屋蓋，長軸長332.3m，短軸長297.3m，安裝最高點高度為68.5m，最低高度為40.1m，上下弦高度達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，以保證空間對接口的對位。
    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構形式，并充分考慮分段吊裝順序和相互搭接關系，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)吊機的吊裝的銜接等多方面因素，大跨度空間桁架共分為182個吊裝分段，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個吊裝單元和外環(huán)主桁架吊裝區(qū)域共86個吊裝單元。施工時，在每個施工區(qū)域，為盡早形成安裝區(qū)域局部穩(wěn)定，將主體鋼結構安裝分為了三個階段，先南北、后東西、最后進行四個角部區(qū)域主桁架的安裝。在以上大的區(qū)域順序的基礎上，內(nèi)、外環(huán)根據(jù)相互的搭接順序及吊裝后的穩(wěn)定性將每個分段編號，吊裝時嚴格按編號順序進行拼裝、吊裝。
    4.2.2大跨度空間桁架安裝關鍵技術
    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、就位三個過程，而立體主桁架只有脫胎、就位二個過程。主桁架的脫胎過程采用單機脫胎，整個過程相對簡單，構件脫胎后進行調(diào)整，與就位時的工況基本相同，到就位時再進行微調(diào)。主桁架安裝的關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置兩個馬凳，作為桁架翻身時的支點。在構件起扳的過程中，主吊車一邊起鉤、一邊長桿，使構件以下弦支點為軸旋轉直立，避免構件有橫向移動。起扳的過程中，要嚴格控制吊鉤起鉤速度，尤其在構件接近直立狀態(tài)時，要緩慢地使構件垂直地擱置在馬凳上。待構件穩(wěn)定后再慢慢垂直提升構件，以確保整個過程平穩(wěn)、安全，避免對構件造成損傷與變形。
    主桁架就位：主桁架尤其是立體主桁架對接管口多，最多達幾十個，并且接口都是箱形，所以構件的定位非常重要。施工時，首先要求拼裝的精度非常高，同時，在吊裝就位時要采取以下措施來保證就位后各牛腿的定位準確。主桁架吊裝前要在部分位置加設臨時支撐，避免吊裝時構件的變形；支撐塔架上的支墩要提前根據(jù)上面就位的桁架分段進行準確切割，并在主桁架對應位置設置限位板；就位時通過滑輪組或手拉葫蘆調(diào)節(jié)構件的角度；初步定位后通過全站儀進行每個牛腿的空間坐標測量，使每個管口的實測坐標最接進設計值，并滿足規(guī)范要求。
    5 結束語
    國家體育場空間巨型鋼桁架安裝因結構跨度大、重量重、結構復雜等特點，導致整個工程施工技術難度相當大。但是由于吊裝前，每個過程都經(jīng)過全面、詳細的方案討論，每個構件吊裝時都經(jīng)過詳細的設計、計算、分析，綜合考慮了一切可能遇到的難題，采取了相應的措施，最終確保了空間巨型桁架吊裝安全、順利、優(yōu)質(zhì)的完成。
    [作者簡介]王大偉（1979-1-10），男，內(nèi)蒙古商都縣人，上海寶冶建設有限公司，項目部總工程師，工程師，上海市寶山區(qū)四元路168號5號樓，200941。電話：13728790601。
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