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國家體育場(chǎng)鋼結構巨型桁架柱吊裝

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

    王 楠
    （上海寶冶建設有限公司，上海，200941）
    [摘要]作為2008年北京奧運會(huì )的主會(huì )場(chǎng)，國家體育場(chǎng)規模巨大，鋼結構的結構形式極其復雜，構件體形龐大，大型構件吊裝十分頻繁，施工難度大。本文通過(guò)國家體育場(chǎng)鋼結構工程的桁架柱的施工，簡(jiǎn)單介紹了大型構件的吊裝技術(shù)和吊裝心得。
    [關(guān)鍵詞]國家體育場(chǎng) 鋼結構 大型構件 吊裝

    引言
    國家體育場(chǎng)作為2008年北京奧運會(huì )主會(huì )場(chǎng)，在所有奧運工程中的地位舉足輕重，其主結構特點(diǎn)十分顯著(zhù)，具體特點(diǎn)如下：
    ⑴構件體型大，單體重量重
    ⑵節點(diǎn)復雜
    ⑶工期緊
    ⑷焊接量大
    1 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。建筑頂面呈鞍型，長(cháng)軸為332.3m，短軸為297.3m，最高點(diǎn)高度為68.5m，最低點(diǎn)高度為40.1m。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)口放射型布置，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)。網(wǎng)格大小盡量均勻，上下弦節點(diǎn)對齊，具有較好的對稱(chēng)性。桁架柱、弦桿與腹桿形成完整的桁架。腹桿軸線(xiàn)與內外柱軸線(xiàn)在同一平面內，腹桿寬度為1200mm，與菱形內柱同寬。在屋蓋上弦采用膜結構作為屋面圍護結構，屋蓋下弦采用聲學(xué)吊頂。主場(chǎng)看臺部分采用鋼筋混凝土框架－剪力墻結構體系，與大跨度鋼結構完全脫開(kāi)。

    屋蓋主結構的桿件均為箱型構件，其中，主桁架斷面高度為12m，上弦桿截面為1200mm×1200mm～1000mm×1000mm，下弦桿截面為1000mm×1200mm～800mm×800mm，腹桿截面基本為600mm×600mm，上下弦桿與斜腹桿交錯穿插。桁架柱為三角形格構柱，每根格構柱由兩根1200mm×1200mm箱型外柱和一根1200mm×1200mm菱形內柱組成，腹桿截面為1000mm×1200mm。桁架柱上端大、下端小，上端與主桁架相連，下端埋入鋼筋混凝土承臺內，并將屋蓋荷載傳至基礎。
    除菱形內柱下端（標高＋1.500m處）采用了Gs20Mn5V鑄鋼件外，屋蓋主結構主要采用Q345D、Q345GJD及Q460E鋼材，鋼材強度等級要求較高。
    本工程主結構約為21700t，其中桁架柱約為10500t，主桁架約為11200t。
    2 桁架柱簡(jiǎn)介
    桁架柱是主結構中很重要的一部分，桁架柱的吊裝一方面可以為主桁架的吊裝積累經(jīng)驗，另一方面可以通過(guò)對桁架柱的控制達到對整個(gè)主結構質(zhì)量、工期的有效控制。
    由于桁架柱柱截面巨大，單體重量重，單根組合柱的最大重量達700多噸，根據鋼柱的重量分布以及吊機的工況，采用分段安裝的方法。整根桁架柱分為下柱和上柱兩部分，這樣既可以滿(mǎn)足吊機的工作性能要求，又可以有效的避免由于分段過(guò)多增加高空焊接量。上柱、下柱均在地面胎架上整體拼裝，根據實(shí)際重量及吊機情況確定分段位置，兩段之間用卡碼臨時(shí)固定。

    圖3 桁架柱吊裝工藝流程
    3 桁架柱吊裝準備
    3.1 構件驗收：
    桁架柱吊裝前要注意桁架柱拼裝進(jìn)度及拼裝質(zhì)量，其中拼裝質(zhì)量主控項目為：構件預拼裝尺寸偏差、構件幾何尺寸：
    3.1.1 構件預拼裝尺寸偏差



    3.2 吊機行走路線(xiàn)、工況的確認
    由于桁架柱單重較大，拼裝形態(tài)與吊裝形態(tài)不同，需在吊裝過(guò)程中翻身，為了確保吊裝過(guò)程的安全，故采用雙機抬吊的方法。由于現場(chǎng)場(chǎng)地條件有限，大型吊機對場(chǎng)地要求較高，所以吊裝前對吊機行走路線(xiàn)、工況的確認尤為重要，其中主要包括以下幾項內容：
    ⑴吊機驗收與確認：包括800t和500t履帶吊的安全驗收；吊機工況、性能、狀態(tài)及油料準備情況的確認工作。
    ⑵現場(chǎng)平面規劃與清理：包括吊機站位點(diǎn)與行走路線(xiàn)、桁架柱的臨時(shí)擱置點(diǎn)、800t吊車(chē)配重擺放位置的規劃；吊機行走、超起配重的回轉范圍，桁架柱的臨時(shí)擱置區域內構件、工器具、雜物等的清理工作。
    ⑶路基箱鋪設：500t吊車(chē)行走路線(xiàn)路基箱鋪設長(cháng)度需大于42m，順?shù)?，合?4塊路基箱，800t吊機行走路線(xiàn)路基箱鋪設長(cháng)度需大于39.6m，其中吊裝站位點(diǎn)路基箱橫鋪，合計路基箱20塊。所有路基箱按規格2.5m×6m考慮，如規格不符，應確保鋪設長(cháng)度。
    ⑷800t吊車(chē)配重準備就位：將所需配重塊放在設定的懸掛吊籃位置旁邊，以便800t吊車(chē)到位后能盡快掛上超起配重。
    ⑸基坑回填與確認：確?；靥顓^域和試壓承載力滿(mǎn)足吊裝要求。
    ⑹吊車(chē)站位：吊機應空車(chē)在吊車(chē)行走路線(xiàn)上來(lái)回走車(chē)，以壓實(shí)路面，然后按方案要求進(jìn)行站位。

    3.3 吊耳、吊索具的檢查
    為便于平衡調節和空間角度調節，桁架柱下柱采用三點(diǎn)吊裝，上柱采用四點(diǎn)吊裝：
    下柱吊裝時(shí)，內柱設置主吊點(diǎn)和圓管吊耳，以便于起吊直立過(guò)程中鋼絲繩的轉動(dòng)；兩外柱設置副吊點(diǎn)和板式吊耳，以便于桁架柱吊裝時(shí)的平衡調節。同時(shí)，為保證桁架柱外觀(guān)的美觀(guān)及起吊后鋼絲繩的受力，外柱上的吊耳均設置在桁架柱內側，內柱上的吊耳設在菱形內柱兩側。
    上柱吊裝時(shí)的吊點(diǎn)均設置在外柱彎扭段頂面，靠?jì)戎粋鹊闹鞯觞c(diǎn)盡量靠近外柱內側腹板位置，且主吊繩采用走通方式，以確保主吊繩的受力，避免吊裝過(guò)程中出現三點(diǎn)受力甚至兩點(diǎn)受力的情況及鋼絲繩的滑動(dòng)磨損。為確保受力平衡，加快桁架柱吊裝時(shí)空間角度調節速度和精度，副吊繩上設置滑輪組，并通過(guò)電動(dòng)葫蘆和導向滑輪來(lái)調節副吊繩的總體長(cháng)度。為加快吊裝進(jìn)度，減少桁架柱吊裝時(shí)臨時(shí)措施用量，桁架柱脫胎和起吊直立過(guò)程中，500t輔助吊車(chē)吊點(diǎn)處不單獨另設吊耳，采用直接套兜的方式。但為防止鋼絲繩的損壞，內柱吊點(diǎn)處需增設圓弧型鋼板保護套和防滑鋼管。
    大型構件吊裝對吊耳及吊索具的要求較高，吊裝前首先要檢查吊耳位置是否準確，吊耳是否按要求在相應的位置增設加勁板，吊耳焊縫是否飽滿(mǎn)，焊縫表面有無(wú)裂紋、氣孔，吊索是否有斷股、冒油的現象，吊索與構件接觸位置是否增設相應保護措施減少摩擦。

    3.4 吊裝前其他準備工作
    ⑴雜物清理：主要包括影響桁架柱脫胎的拼裝平臺、拼裝定位板及其它雜物、垃圾的清理。
    ⑵枕木準備：在桁架柱的臨時(shí)擱置處擺放枕木，擺放位置為外柱節點(diǎn)位置，共需規格為0.2m×0.2m×2m的枕木16根。
    ⑶柱腳上口處操作平臺、安全通道搭設。
    ⑷穩定加固措施：包括內部加強支撐、外部剛性拉撐、剛性拉撐包箍、風(fēng)繩耳板的裝設。

    ⑸安裝用工裝件裝設：包括柱腳上口和桁架柱下端處的工裝件、定位板。
    ⑹吊索具掛好后，脫胎前要對桁架柱、拼裝胎架、索具、吊機等進(jìn)行全方位的檢查，特別要防止拼裝胎架與桁架柱之間的連接未徹底清除。

    ⑺吊裝前，通過(guò)ANSYS建模分析得出桁架柱分段的重心位置并以此確定吊點(diǎn)位置。同時(shí)利用ANSYS軟件進(jìn)行脫胎、起吊直立、吊裝及就位全過(guò)程吊裝工況模擬分析、吊耳設計與內外部加固支撐設計計算，計算內容包括變形、吊耳應力與吊耳設置處結構本體母材的局部受力驗算，確保吊裝過(guò)程中吊索具和結構本體不發(fā)生過(guò)大的變形和破壞。對于受力不滿(mǎn)足要求的部位，提前進(jìn)行加固處理。

    4 桁架柱吊裝過(guò)程
    4.1 下柱吊裝過(guò)程
    4.1.1 構件脫胎
    桁架柱在指定的拼裝位置上整體拼裝好以后，先進(jìn)行驗收，并做好臨時(shí)加固措施及其它準備工作，然后將桁架柱分段從胎架上吊出，臨時(shí)擱放在桁架柱吊裝時(shí)吊機指定站位點(diǎn)的作業(yè)半徑范圍內的地面上。
    桁架柱的脫胎采用800t吊車(chē)和500t雙機抬吊，吊點(diǎn)設置在桁架柱內柱的上下兩端。脫胎時(shí)，先將桁架柱提起，當構件完全脫離胎架并高過(guò)上節柱拼裝胎架的最高點(diǎn)后，兩吊車(chē)同時(shí)行走，待離開(kāi)拼裝胎架一定距離后將桁架柱下降到離地面約1m的高度，此時(shí)800t吊車(chē)轉桿，500t吊車(chē)一邊轉桿，一邊繼續行走，直到桁架柱轉到指定位置，將桁架柱臨時(shí)擱置在地面上，以準備下一步的翻身工作。
    脫胎后，桁架柱兩外柱落地位置應間隔一定距離墊放枕木，并保持平整，以防止構件變形和油漆損壞。構件脫胎過(guò)程中要確保構件平穩提升，兩端吊耳受力均勻，構件在空中無(wú)明顯晃動(dòng)，這就要求對兩臺吊機的提升速度加以控制。脫胎時(shí)，先將桁架柱提起，當構件完全脫離胎架后，吊機保持靜止，待構件穩定后兩吊機同時(shí)轉桿進(jìn)行下一步。

    4.1.2 構件翻身
    桁架柱翻身是吊裝過(guò)程中難度最大、最重要的一環(huán)，翻身時(shí)，800t吊車(chē)和500t輔助吊車(chē)分別站在桁架柱兩側，吊車(chē)站好位并掛好鋼絲繩以后，兩臺吊車(chē)同時(shí)起吊，500t輔助吊車(chē)將桁架柱分段下端提升1m～2m后停止，800t主吊車(chē)則繼續緩緩提升桁架柱上端同時(shí)向500t吊車(chē)方向轉桿并起桿。為調整桁架柱的平衡，使內柱成垂直狀態(tài)，在外柱的下端設置導向滑輪，滑輪組的跑繩通過(guò)導向滑輪連到桁架柱上端的5t電動(dòng)葫蘆上。在最終的調直過(guò)程中，通過(guò)電動(dòng)葫蘆來(lái)慢慢收短滑輪組的鋼絲繩。當桁架柱接近直立時(shí)，500t吊車(chē)慢慢松鉤，直到500t吊車(chē)不受荷后，拿掉掛在桁架柱上的鋼絲繩，并退出桁架柱翻身的位置，此時(shí)桁架柱重量完全由800t主吊車(chē)承擔，構件翻身結束。


    4.1.3 構件就位
    桁架柱翻身直立后，在吊裝就位前，通過(guò)電動(dòng)葫蘆及滑輪組對桁架柱進(jìn)行調平，保證內柱垂直于地面。然后800t吊車(chē)原地轉桿到柱腳上方，吊車(chē)趴桿使桁架柱內柱垂直對準柱腳相應位置，緩緩落鉤，接近柱腳上端口時(shí)，吊車(chē)停止落鉤，再次通過(guò)電動(dòng)葫蘆及滑輪組對桁架柱進(jìn)行微調，保證桁架柱內、外柱下端口保持水平，并通過(guò)輕微的趴桿或起桿，使桁架柱下端準確對位。調整好以后，桁架柱保持平穩時(shí)，800t吊車(chē)再緩緩落鉤使桁架柱準確就位。
    為保證桁架柱與柱腳的精確對位，在下節桁架柱與柱腳對接的位置設置對接耳板。桁架柱就位后，進(jìn)行臨時(shí)固定。然后通過(guò)經(jīng)緯儀、全站儀進(jìn)行內柱垂直度的控制測量，及控制點(diǎn)坐標的測量，根據要求進(jìn)行調整，直到符合要求。調整好以后，按照要求，對分段桁架柱進(jìn)行拉接，同時(shí)進(jìn)行柱腳與下節柱之間的焊接，且保證連續對稱(chēng)焊接。

    4.2 上柱吊裝過(guò)程
    桁架柱上柱吊裝工藝及吊裝過(guò)程與下柱一致，在此不做贅述僅通過(guò)現場(chǎng)圖片圖示上柱吊裝過(guò)程。


    4.3 桁架柱吊裝過(guò)程中需注意的問(wèn)題
    ⑴在桁架柱脫胎、翻身過(guò)程中，每進(jìn)行一步要停頓一段時(shí)間，注意觀(guān)察吊耳及其附近的母材是否有開(kāi)裂、變形現象，確保構件始終處于平穩狀態(tài)，減少構件擺動(dòng)。
    ⑵當構件翻身開(kāi)始時(shí)，注意觀(guān)察吊機超起架是否離地，如翻身未完成超起架過(guò)早離地，則需要增加配重，如翻身結束超起架未離地需要減輕配重。
    ⑶構件就位后對構件各點(diǎn)空間坐標進(jìn)行復測，如坐標無(wú)誤盡快拉設纜風(fēng)繩，確保構件位置的穩定性。
    ⑷由于現場(chǎng)場(chǎng)地狹小，在構件翻身過(guò)程中要注意兩臺吊機相對位置及其中間距離是否滿(mǎn)足構件翻身、立直所需空間，如果空間較小輔助吊機可以邊轉桿邊退車(chē)，確保構件翻身空間。
    ⑸在構件立直過(guò)程中及時(shí)確認滑輪組行程是否充足，如滑輪組行程用完需及時(shí)處理。
    ⑹為減少吊機轉場(chǎng)、路基箱鋪設的時(shí)間，要求在確定下柱吊裝吊機站位點(diǎn)時(shí)充分考慮上柱吊裝時(shí)吊機站位要求，合理確定吊機站位點(diǎn)，做到下柱、上柱吊機一次站位。
    ⑺桁架柱就位時(shí)注意控制各坐標點(diǎn)及菱形柱的垂直度，根據場(chǎng)內已建立的控制網(wǎng)，利用經(jīng)緯儀或全站儀測設出管口的定位軸線(xiàn)，標記鮮明。一根桁架柱需放樣出6條定位線(xiàn)，確保桁架柱各點(diǎn)坐標準確。用經(jīng)緯儀測量菱形內柱的垂直度，確保整根桁架柱的垂直度。
    5 結束語(yǔ)
    國家體育場(chǎng)作為2008年奧運會(huì )主體育場(chǎng)設計、施工均有其獨到之處，隨著(zhù)2008年奧運會(huì )的日益臨近該體育場(chǎng)必定成為世人關(guān)注的焦點(diǎn)。該體育場(chǎng)鋼結構的圓滿(mǎn)完工標志著(zhù)我公司在大型體育場(chǎng)館的建設領(lǐng)域登上了一個(gè)新的高度，為我公司日后承攬類(lèi)似工程積累了技術(shù)、施工、質(zhì)量、管理等方面的寶貴經(jīng)驗，成為我公司新的里程碑，也將激勵我們?yōu)楦玫膭?chuàng )建“寶冶”品牌而努力。
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