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2008年奧運會老山自行車館雙層球面網殼安裝

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    汪道金 張艷明 宋昌永 韓光國 蘇建成

    【摘 要】 奧運會自行車館工程是第一個實現鋼結構封頂的奧運項目，它設計新穎、結構形式獨特，是由網殼結構、環形管桁架和下端鉸支的傾斜人字柱組成的組合結構體系，施工中采用分區施工、整體提升和空中合攏的綜合施工法，達到了質量好、施工速度快和施工成本低的理想效果。本文主要介紹了大跨度鋼結構網殼施工的重點、難點、安裝方案的優化以及方案實施的工藝控制等要點。
    【關鍵詞】逐圈外擴、逐步提升 高空原位散拼 空中合攏
    一、工程概況
    2008年奧運會老山自行車館工程位于北京市石景山區老山西街15號，總建筑面積：32250?，局部有一層地下室，地上三層，下部為鋼筋混凝土結構，上部屋蓋為雙層球面焊接球網殼結構，圓形屋蓋水平投影直徑為149.536m，矢高為14.69m，網殼厚度為2.8m，頂標高為35.29m，整個屋蓋系統由24組向外傾斜15°、高度10.35m的人字柱支撐，人字柱下端通過鑄鋼支座與混凝土結構鉸接連接。鑄鋼支座起始標高6.95米，人字柱柱頂支撐跨度為133.06m，柱腳周邊直徑為126.40m。該網殼是目前我國跨度最大的雙層球面網殼結構之一。其效果圖如圖2所示。
    施工中為便于區分，將整個屋蓋系統分為A、B、C三個區（如圖3所示），其中：
    A區為焊接球網殼部分，鋼材材質為Q345B，主要構件為焊接空心球和無縫鋼管（直縫焊管）。焊接球規格從D300－D600共六種規格，其中D450以上的焊接球采用加肋球。無縫鋼管（直縫焊管）規格從Φ114－Φ203共五種規格。A區網殼總重量為570噸。
    B區為環形管桁架系統，鋼材材質為Q345C，是由一圈Φ1200鋼管、三圈Φ500鋼管及Φ245腹桿組成的封閉環形相貫線節點連接的管桁架結構， 用于抵抗網殼的水平推力，傳遞網殼的豎向荷載，與A區網殼共同組成屋蓋系統，B區環梁系統總重量為780噸。
    C區為人字柱和鑄鋼支座。人字柱共24組，每組由兩根Φ1000×18的鋼管相貫焊接而成，單根長度為12m。鑄鋼支座共24套，由于我國的鑄鋼節點標準尚未出臺，本工程鑄鋼支座按德國標準DIN17182執行，材質為GS16Mn5N。每套鑄鋼支座總重量為8.8噸，由四個部件組成，各部件連接部位需要采用精密機加工。鑄鋼支座總重量200噸，人字柱總重量260噸。鋼結構工程總用鋼量為1810噸。


    二、施工重點和難點
    1、鑄鋼支座單件重量達8.8噸，為球鉸可轉動體系，需要在向外傾斜15°的預埋件上一次性安裝就位，安裝調整和定位難度大。
    2、人字柱每組重量達10.6噸，外形尺寸19m×12m，需要在傾斜狀態下實現空中定位，同時要實現與鑄鋼支座的精確對接，安裝精度要求高。
    3、環梁結構復雜，構件數量多，安裝精度控制不好將造成合攏困難。
    4、網殼部分覆蓋直徑達133.06米，網殼施工時混凝土看臺已施工完畢，施工場地受很大限制，網殼施工方案的選擇及安裝精度控制直接關系到工程實施的安全性、經濟性乃至整體鋼結構安裝的成敗。
    5、現場焊接工作量大，焊縫多為全位置焊接，大量的焊接工作在冬施條件下完成，焊接工藝要求高。
    三、施工方案的確定
    根據本工程設計新穎、結構形式獨特和施工難點多的特點。施工前，先后對以下幾種可能實施的方案進行了詳細對比和認真分析：
    1、搭設滿堂紅承重腳手架，網殼及環梁進行高空原位散拼，屋蓋成型后安裝鑄鋼支座和人字柱。該方案技術難度低，易于整體控制。但需耗用大量的措施費用，人字柱就位難度大，整體卸載工藝復雜。
    2、網殼中心部分采用計算機控制液壓系統整體提升，外圍部分與環梁沿環向分16片在地面胎具上拼裝，用大噸位履帶吊吊裝就位。吊裝前鑄鋼支座和人字柱提前安裝就位。該方案工藝先進，科技含量高，但分塊尺寸超長超寬，現場受干擾因素多，場地條件很難滿足要求。
    3、網殼采用逐圈外擴、逐步提升的方法就位，環梁在地面拼裝，整體提升就位，鑄鋼支座和人字柱安裝后，網殼與環梁實現空中對接。該方案工藝先進，措施費用低，但由于混凝土結構在7米處有外挑板，外環梁整體提升無法實現。
    4、網殼采用逐圈外擴、逐步提升的方法就位，安裝鑄鋼支座和人字柱后，環梁沿環向分24段在地面組拼后用大噸位汽車吊吊裝。該方案可直接利用人字柱作為支撐點，受力合理，但環梁的高空對接口多，組成環梁的鋼管剛度大，微調困難。
    5、網殼采用逐圈外擴、逐步提升的方法就位，環梁在7米平臺處拼裝后整體提升，安裝鑄鋼支座和人字柱后，網殼與環梁在空中合攏。該方案工藝先進，可以有效解決7米平臺對環梁提升的干擾，但環梁在懸吊狀態下安裝人字柱存在一定的安全隱患，環梁與網殼在高空姿態就位難度大。
    6、網殼采用逐圈外擴、逐步提升的方法就位，鑄鋼支座和人字柱用汽車吊吊裝后搭設操作腳手架，環梁采用高空原位散拼法安裝后與網殼合攏。該方案措施費用低，實施方便，安裝精度易于控制。
    通過以上六種方案對比分析，在經過三次專家論證會，綜合考慮安全性、經濟性、施工難度等指標后決定采用第六種方案施工。
    四、方案的實施
    1、鑄鋼支座安裝
    鑄鋼支座每套重量8.8噸，由四個部件組成，為球鉸可轉動體系，安裝在標高為7米，沿徑向向外傾斜15°的預埋件上。安裝質量和精度直接影響到整個屋蓋體系的安裝精度。安裝工藝要點如下：
    ①用全站儀在預埋件上放出鑄鋼支座中心控制點和控制軸線，根據控制軸線放出控制邊線并焊接定位板。
    ②將鑄鋼支座各部件在地面組成整體，用50噸汽車吊吊裝就位，通過定位板精確調整鑄鋼底座位置后與預埋件點焊定位。
    ③用千斤頂通過吊線的方法調整鑄件1的位置后用木方支墊。


    2、人字柱安裝
    人字柱由兩根長度為12米，規格為Φ1000×18的鋼管相貫連接而成，每組重量10.6噸。下端與鑄鋼支座插接后焊接連接，上端與Φ1200環梁相貫焊接。安裝時需要在傾斜狀態下實現空中定位，安裝工藝要點如下：
    ①在地面定型胎具上組對人字柱，用套模檢查相貫口，焊接相貫焊縫。
    ②精確測定定位控制點并做好控制標記。
    ③用50噸汽車吊吊裝人字柱，下部與鑄鋼支座插接連接，上部用鋼絲繩加倒鏈臨時固定。
    ④用經緯儀校正地面投影點與人字柱控制標記后鎖緊臨時拉索，焊接人字柱與鑄鋼支座對接焊縫。

    3、環梁安裝
    環梁系統由一圈Φ1200鋼管和三圈Φ500鋼管通過Φ245腹桿連接而成，覆蓋直徑達150米，橫截面寬度為11.1米，高度6.6米，體形巨大、總重量達764t，是本工程安裝的一大難點。施工中采用高空原位散拼、逐圈逐段控制的方法保證了巨型環梁的精確就位。安裝工藝要點如下：
    ①將每一圈環形鋼管通過加工和現場組拼分解為24個單元，單元長度從16.5米到19.5米，對接口位置避開節點區。
    ②利用安裝好的人字柱為支撐點，以每兩組人字柱之間設置的H型鋼為臨時支撐點，用兩臺50噸汽車吊逐段吊裝Φ1200鋼管，用水準儀、全站儀逐段控制每段的安裝精度，直至Φ1200鋼管閉合。此時，人字柱與Φ1200鋼管已形成穩定的結構體系。
    ③在地面胎具上組焊中環Φ500鋼管與豎向腹桿，逐段吊裝，與Φ1200鋼管連接，用全站儀配合吊線法精確控制Φ500鋼管與Φ1200鋼管的同心度并用纜風繩固定，焊接豎腹桿與Φ1200鋼管相貫口。
    ④安裝①②號腹桿并通過①②號腹桿逐段定位安裝內環Φ500鋼管，用全站儀復核。
    ⑤在地面胎具上組拼③④號腹桿成四角錐后整體吊裝，通過③④號腹桿逐段定位安裝外環Φ500鋼管直至閉合。為節約措施費用，外環安裝采用軌道滑移式操作平臺。



    4、網殼安裝
    A區網殼覆蓋直徑133.06米，正放四角錐焊接球節點，網格尺寸約4米，總重量570噸。施工中采用逐圈外擴、逐步提升的方法。提升系統采用由絞磨牽引的獨腳拔桿系統。首先，在高度5.0米混凝土平臺上放出中心控制點和控制軸線，砌設支撐磚墩，由中心開始拼裝網殼，逐圈向外擴散，當周圍無法向外繼續拼裝時開始提升，每次提升高度滿足外擴2-3圈的要求，依次循環。提升拔桿系統由內環、中環、外環三圈拔桿組成。其中，內環共設置8根拔桿，采用Φ325×8鋼管，布置在直徑約40米的圓環上，提升網殼最大直徑范圍為72米，重量190噸；中環共設置14根拔桿，采用Φ450×10鋼管，布置在直徑約70米的圓環上，提升網殼最大直徑范圍為103米，重量400噸；外環共設置24根拔桿，采用Φ450×10和Φ480×8鋼管，布置在直徑約90米的圓環上，提升網殼最大直徑范圍為124米，重量560噸。隨著網殼的外擴拼裝，三圈拔桿以接力的方式完成網殼的提升任務。內環、中環拔桿分別在中環、外環拔桿完全受力后退出工作并拆除，整個網殼共分六次完成提升就位。工藝控制要點如下：
    ①在詳圖設計時預留桿件焊接收縮余量，桿件下料時嚴格控制下料尺寸。
    ②對網殼在提升過程中各種工況進行了驗算，對部分薄弱桿件進行了加強，桿件應力比控制在0.7以下。
    ③對拔桿系統進行了嚴格評估和驗算，加強了過程檢查。

    ④應用應力應變監測技術對網殼的部分桿件和拔桿系統進行了應力監測控制。
    ⑤每次提升后對網殼的標高、平面位移、扭轉、整體尺寸進行測量復核并及時糾偏調整。


    5、網殼與環梁的空中合攏
    網殼部分與環梁系統作為兩個獨立的區域各自獨立施工，環梁系統施工完畢后自身已形成穩定的結構體系，網殼提升到位后，在高空懸吊狀態下實現與環梁系統的空中對接合攏，完成整個屋蓋結構安裝。空中合攏是網殼安裝的最后一道工序，也是本工程又一大施工難點。工藝控制要點如下：
    ①以網殼最外一圈下弦球下皮標高為控制基準，通過絞磨微調到設計位置。
    ②以環梁系統為拉結點，以線墜為控制手段，用倒鏈微調網殼的平面位移和扭轉位移。
    ③以兩根相互垂直的軸線與環梁的四個交點為起始合攏點，通過散拼方法開始網殼與環梁的合攏，順序推進，焊接工作順序跟進，完成網殼的最終合攏。
    6、焊接質量控制
    本工程為全焊接結構，焊接工作量大，焊縫數量多，大部分焊口為坡口全熔透焊縫，鋼材材質從Q345B到Q345C到德國標準GS16Mn5N，焊接位置幾乎全部為全位置焊接，大量的焊接工作在冬施條件下完成，工藝難度大。施工中，對以下環節進行了控制：
    ①所有焊工進場后全部進行了有障礙全位置焊接考試，考核合格方可上崗。
    ②進行了Q345B與Q345C及Q345C與GS16Mn5N鋼材的焊接工藝評定試驗，用于指導現場焊接。
    ③在哈爾濱進行了－10℃條件下的低溫焊接工藝評定試驗，用于指導冬施條件下現場焊接。
    ④冬施前對所有焊工進行了適應性培訓和考核。
    ⑤加大了焊縫檢測比例，對所有一級及二級全熔透焊縫全部進行了100％超聲波探傷。
    五、總結
    奧運會老山自行車館鋼結構安裝從2005年8月開始準備，歷經多次方案研討，最終于2005年10月20日施工方案通過專家論證，06年1月20日完成屋頂網殼結構合攏，并實現結構封頂，成為第一個鋼結構封頂的奧運項目。該工程安裝精度高，質量控制到位，在長城杯專家組、鋼結構金獎專家組及建委領導的多次檢查評比中獲得了較高評價。就本工程的成功實施，總結如下：
    1、針對本工程結構形式獨特施工難點多、造價低等特點，施工前對各種有可能實現的方案進行了詳細對比分析，投入了較多的時間和精力，保證了方案的科學性、先進性和可行性，保證了后續施工的順利進行。
    2、先安裝鑄鋼支座和人字柱，以人字柱作為環梁安裝的支撐點，逐圈逐段安裝控制環梁的方案保證了環梁的安裝精度，增加了施工安全性，同時省去了大量的承重腳手架的搭設（節約腳手管約30萬延米）降低了施工成本。
    3、網殼施工采用逐圈外擴、逐步提升的方案充分利用了網殼本身的外形特點，減少了高空作業，降低了措施費和人工費。
    4、以人力推絞磨為動力，以拔桿群相互拉結為承重機構，以滑輪組為牽引裝置的整體提升系統在本工程中的成功應用，為大跨度結構整體提升技術在工程實踐中的應用提供了新的思路，對今后類似工程施工具有一定的借鑒和指導意義。
    5、施工前對各種工況的結構驗算以及施工中應力應變監測技術的應用為最優方案的選擇和方案的成功、安全實施提供了理論依據和科學保證
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