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國家體育場(chǎng)空間巨型鋼桁架安裝施工技術(shù)

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)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(chǎng)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(diǎn)介紹了國家體育場(chǎng)空間巨型鋼桁架安裝施工技術(shù)。
    [關(guān)鍵詞]國家體育場(chǎng) 空間巨型鋼桁架 吊裝 安裝 施工技術(shù)

    1 工程簡(jiǎn)介

    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)。鋼結構建筑頂面呈馬鞍型，長(cháng)軸為332.3m，短軸為297.3m，最高點(diǎn)高度為68.5m，最低高度為40.1m。屋蓋中間開(kāi)洞長(cháng)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(mén)式剛架?chē)@體育場(chǎng)內部碗狀看臺切線(xiàn)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(niǎo)巢”的特殊建筑造型，見(jiàn)圖1。

    2 施工方案的選擇
    國家體育場(chǎng)工程作為我國首次舉辦奧運會(huì )的主場(chǎng)館，舉世矚目，其目標是建設成“國內最好、世界一流”的體育場(chǎng)，并保證整個(gè)工程按期完成，使奧運會(huì )順利舉行。鋼
    結構工程作為體育場(chǎng)的主體工程，乃整個(gè)工程的關(guān)鍵。國家體育場(chǎng)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(guò)國內外知名企業(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(jiǎn)稱(chēng)散裝法)及局部提升等多種施工方案?？紤]到鋼結構工程與其它專(zhuān)業(yè)的穿插施工、施工場(chǎng)地的限制以及面臨的巨大技術(shù)挑戰等因素，經(jīng)過(guò)多次的方案對比、論證，最終確定“鳥(niǎo)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(jìn)行安裝，高空對接，區間合攏，結構形成后進(jìn)行支撐塔架卸載。安裝時(shí)，先安裝南北方向桁架柱，后安裝東西方向桁架柱，內外主桁架的安裝穿插進(jìn)行。立面次結構與樓梯則隨桁架柱的安裝進(jìn)度一起進(jìn)行安裝，頂面次結構待卸載完畢再進(jìn)行安裝。

    3 施工分區及吊裝順序
    國家體育場(chǎng)鋼結構為巨型大跨度空間桁架結構，構件自重產(chǎn)生的內力所占比例較大，鋼結構施工順序對結構構件在重力荷載作用下的內力將產(chǎn)生明顯影響。所以，為保證整個(gè)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(chēng)同步、盡早形成局部穩定安裝區域的原則，將鋼結構對稱(chēng)劃分為兩大施工區域：I區、II區，兩個(gè)區同時(shí)對稱(chēng)進(jìn)行吊裝，如圖2所示。

    在每個(gè)施工區域，為盡早形成安裝區域局部穩定，將主體鋼結構安裝分為了三個(gè)階段。先南北、后東西、最后進(jìn)行四個(gè)角部區域主桁架的安裝，并進(jìn)行區間整體合攏。根據吊車(chē)的吊裝能力，又分為了內外兩個(gè)施工區，內外環(huán)吊車(chē)根據施工區域劃分進(jìn)行內外環(huán)構件的吊裝。

    4 空間巨型鋼桁架安裝施工技術(shù)

    對于國家體育場(chǎng)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
    架均散件運至現場(chǎng)，在現場(chǎng)進(jìn)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(jìn)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。

    根據整個(gè)體育場(chǎng)鋼結構的結構形式及構件特性，結合所選用吊車(chē)的吊裝能力及吊裝順序，將整個(gè)體育場(chǎng)的主體鋼結構分為了48個(gè)桁架柱吊裝段，182個(gè)主桁架吊裝段。每個(gè)施工分區選用1臺800t履帶吊和1臺600t履帶吊進(jìn)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履帶吊布置在內環(huán)，負責內圈及部分中圈主桁架的安裝。

    4.1巨型桁架柱施工技術(shù)
    國家體育場(chǎng)空間巨型桁架柱為三角形斷面組合柱，主要由一根菱形內柱和兩根箱型外柱組成，內、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柱上。每個(gè)施工區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柱，且位于內外柱之間，所以，為保證桁架柱脫胎時(shí)主吊點(diǎn)的受力和桁架柱
    的側向穩定性及桁架柱脫胎后的臨時(shí)擱放，桁架柱采用內柱朝上的正立三角臥拼的形式整體進(jìn)行地面拼裝。根據桁架柱的重量、高度及其它結構特征，并考慮所選吊車(chē)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(chē)回轉就位的吊裝方法。

    由于每根桁架柱的結構特點(diǎn)都不相同，且重量非常重，故在吊裝前要進(jìn)行不同位置的分段。根據桁架柱的結構特點(diǎn)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(guò)程中要經(jīng)過(guò)脫胎、翻身旋轉立直、就位三個(gè)過(guò)程，工藝復雜，所以桁架柱的吊裝是整個(gè)工程的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。經(jīng)過(guò)反復研究并制作模型進(jìn)行吊裝模擬后，確定雙機抬吊脫胎、主吊車(chē)通過(guò)滑輪組調節與輔助吊車(chē)配合將桁架柱翻身旋轉立直、主吊車(chē)單機旋轉就位的吊裝方法。

    4.1.1吊索具的設計
    根據以上吊裝方法，為滿(mǎn)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(gè)可以調節吊裝鋼絲繩長(cháng)度的滑輪組。由于每個(gè)吊裝段的特點(diǎn)都不相同，所以要對每段桁架柱進(jìn)行重量、重心計算，按照最重的吊裝段進(jìn)行吊耳、鋼絲繩
    及滑輪組的設計，并考慮每個(gè)吊裝過(guò)程中吊耳及鋼絲繩的受力情況不同，按最不利的情況進(jìn)行考慮。桁架柱的吊耳設置非常關(guān)
    鍵，因為本工程的桁架柱不同于其它工程的鋼結構，一來(lái)桁架柱的重量非常大，二來(lái)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(gè)過(guò)程。為滿(mǎn)足桁架柱三個(gè)吊裝過(guò)程的要求，在桁架柱內柱設置兩個(gè)主吊耳，在外柱上設置兩個(gè)輔助吊耳，同時(shí)在桁架柱分段的下部設置兩個(gè)輔助吊耳，脫胎和翻身直
    立時(shí)作為輔助吊車(chē)的吊點(diǎn)，巨型桁架柱下段柱的吊耳的設置見(jiàn)圖3。經(jīng)計算選定的滑輪組連接在主吊車(chē)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(guān)鍵過(guò)程
    巨型桁架柱分段吊裝，要經(jīng)過(guò)脫胎、翻身直立、就位三個(gè)過(guò)程。這三個(gè)過(guò)程是一個(gè)連續的過(guò)程，但需要在不同的站位點(diǎn)上完成。為此，吊裝前，要根據構件的結構形態(tài)、吊車(chē)的工況及吊裝就位的位置等因素確定出每個(gè)吊裝過(guò)程的吊車(chē)站位點(diǎn)，并進(jìn)行吊車(chē)站位及行走路線(xiàn)的設計，如主吊車(chē)和輔助吊車(chē)的脫胎、翻身直立站位點(diǎn)及主吊車(chē)吊裝就位站位點(diǎn)。每個(gè)站位點(diǎn)的確定要根據吊車(chē)的起重能力、構件的重量、重心位置及長(cháng)度等結構特點(diǎn)、吊車(chē)操作時(shí)所需要的空間等進(jìn)行詳細設計、計算。巨型桁架柱分段吊裝的吊機站位點(diǎn)和行走路線(xiàn)的設計是最關(guān)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(gè)環(huán)節。

    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(chē)站在設計好的脫胎站位點(diǎn)，先將桁架柱垂直提起，當構件完全脫離胎架并高過(guò)上節柱拼裝的最高點(diǎn)后，800t吊車(chē)慢慢轉桿，同時(shí)500t吊車(chē)一邊轉桿一邊向翻身站位點(diǎn)行走，直到分段桁架柱離開(kāi)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(chē)行走更安全，然后800t和500t吊車(chē)行走到翻身直立的站位點(diǎn)，完成脫胎過(guò)程。
    翻身直立：它是最關(guān)鍵的過(guò)程，它需要兩臺吊車(chē)相互密切配合，并通過(guò)電動(dòng)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(diǎn), 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1～2m后停止，800t主吊車(chē)則繼續緩緩提升桁架柱上端，并向500t吊車(chē)方向轉桿并長(cháng)桿，同時(shí)將滑輪組鋼絲繩收短。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，退出工作，此時(shí)桁架柱完全由800t主吊車(chē)吊著(zhù)，但桁架柱仍然處于傾斜狀態(tài)。為調整桁架柱的平衡，使內柱成垂直狀態(tài)，通過(guò)電動(dòng)葫蘆來(lái)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(chē)行走到吊裝就位站位點(diǎn)，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(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)輕微的趴桿或長(cháng)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。

    由于每根桁架柱的重量、形態(tài)、重心等結構特點(diǎn)都不相同，所以對于每次吊裝都要進(jìn)行吊耳、吊車(chē)站位、吊車(chē)行走路線(xiàn)的設計，并確定吊車(chē)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(chē)的行走路線(xiàn)最短，并最好能使行走路線(xiàn)能夠同時(shí)滿(mǎn)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(gè)吊裝過(guò)程均緩慢而復雜，同時(shí)，吊裝前要作大量準備工作，吊裝就位后要進(jìn)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(chǎng)的巨型桁架柱吊裝是一個(gè)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(shù)
    國家體育場(chǎng)是由24榀大跨度的空間桁架形成馬鞍型的屋蓋，長(cháng)軸長(cháng)332.3m，短軸長(cháng)297.3m，安裝最高點(diǎn)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(guò)程關(guān)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
    根據支撐塔架的支撐位置、吊車(chē)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(guān)系，盡量避免前后吊裝分段的接口數量過(guò)多，保證各吊裝分段的穩定性，保證內外環(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(gè)吊裝分段，其中平面桁架共166段，立體桁架共16段。根據布置和任務(wù)分工情況，主桁架的吊裝分為內環(huán)主桁架吊裝區域共96個(gè)吊裝單元和外環(huán)主桁架吊裝區域共86個(gè)吊裝單元。施工時(shí)，在每個(gè)施工區域，為盡早形成安裝區域局部穩定，將主體鋼結構安裝分為了三個(gè)階段，先南北、后東西、最后進(jìn)行四個(gè)角部區域主桁架的安裝。在以上大的區域順序的基礎上，內、外環(huán)根據相互的搭接順序及吊裝后的穩定性將每個(gè)分段編號，吊裝時(shí)嚴格按編號順序進(jìn)行拼裝、吊裝。
    4.2.2大跨度空間桁架安裝關(guān)鍵技術(shù)
    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(shí)相同，所以平面主桁架與立體主桁架的脫胎過(guò)程不盡相同。平面桁架要經(jīng)過(guò)翻身、脫胎、就位三個(gè)過(guò)程，而立體主桁架只有脫胎、就位二個(gè)過(guò)程。主桁架的脫胎過(guò)程采用單機脫胎，整個(gè)過(guò)程相對簡(jiǎn)單，構件脫胎后進(jìn)行調整，與就位時(shí)的工況基本相同，到就位時(shí)再進(jìn)行微調。主桁架安裝的關(guān)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(chē)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(gè)馬凳，作為桁架翻身時(shí)的支點(diǎn)。在構件起扳的過(guò)程中，主吊車(chē)一邊起鉤、一邊長(cháng)桿，使構件以下弦支點(diǎn)為軸旋轉直立，避免構件有橫向移動(dòng)。起扳的過(guò)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(shí)，要緩慢地使構件垂直地擱置在馬凳上。待構件穩定后再慢慢垂直提升構件，以確保整個(gè)過(guò)程平穩、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(gè)，并且接口都是箱形，所以構件的定位非常重要。施工時(shí)，首先要求拼裝的精度非常高，同時(shí)，在吊裝就位時(shí)要采取以下措施來(lái)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(shí)支撐，避免吊裝時(shí)構件的變形；支撐塔架上的支墩要提前根據上面就位的桁架分段進(jìn)行準確切割，并在主桁架對應位置設置限位板；就位時(shí)通過(guò)滑輪組或手拉葫蘆調節構件的角度；初步定位后通過(guò)全站儀進(jìn)行每個(gè)牛腿的空間坐標測量，使每個(gè)管口的實(shí)測坐標最接進(jìn)設計值，并滿(mǎn)足規范要求。
    5 結束語(yǔ)
    國家體育場(chǎng)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(diǎn)，導致整個(gè)工程施工技術(shù)難度相當大。但是由于吊裝前，每個(gè)過(guò)程都經(jīng)過(guò)全面、詳細的方案討論，每個(gè)構件吊裝時(shí)都經(jīng)過(guò)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(jiǎn)介]王大偉（1979-1-10），男，內蒙古商都縣人，上海寶冶建設有限公司，項目部總工程師，工程師，上海市寶山區四元路168號5號樓，200941。電話(huà)：13728790601。
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