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國家體育場“鳥巢”鋼結構工程加工與安裝關鍵技術

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

    黃明鑫 劉子祥 戴為志 林觀志 俞榮華 劉中華

    摘要：本文從國家體育場鋼結構工程的整個實施過程，介紹了該工程的特點和難點，著重介紹了國家體育場的鋼結構彎扭構件、柱腳、桁架的加工和主結構、次結構安裝的關鍵技術，簡要介紹了十大焊接技術的應用，這些技術代表著目前國內在相關領域的領先水平，對我國的鋼結構工程師具有很好的學習意義。
    關鍵詞：國家體育場 鋼結構 彎扭構件 加工 安裝

    1 國家體育場鋼結構工程概況
    1．1 工程簡介
    國家體育場位于北京市成府路南側，奧林匹克公園中心區內，是北京2008年奧運會的主體育場。工程建筑面積為25.8萬平方米，占地20.4公頃，建筑頂面呈馬鞍形。
    屋蓋主結構由24榀高12m的平面主桁架圍繞體育場內部碗狀看臺區旋轉而成，主桁架上弦位于建筑曲面之上，圍繞屋蓋中間的開口呈放射形布置，支撐在體育場外側周邊的24根巨型桁架柱上，屋蓋次結構由一根根相互交錯且位于主結構上弦平面內的箱形構件組成，“任意”布置的頂面及立面次結構與主結構一起形成了"鳥巢"的特殊建筑造型。巨型桁架柱由菱形內柱與箱形外柱及位于內外柱平面內的箱形腹桿組成，為了保證桁架外柱在由立面向頂面過渡部位的順滑，外柱在肩部全部做成了彎扭構件，腹桿主要連接于外柱與立面次結構的交點。
    鋼結構屋蓋上弦采用膜結構作為屋面圍護結構，選用透明的ETFE膜材料，屋蓋下弦的聲學吊頂采用白色PTFE膜材料。主場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。

    1．2 設計參數
    建筑長軸（南北向）332.3m，短軸(東西向)為297.3m，南北跨度方向最高點為69.9m，東西最低高度40.1m。屋蓋中間開洞長度為185.3m，寬度為127.5m。設計用鋼量約為4.8萬噸，設計使用年限100年。
    主桁架盡可能直通，并在中部形成由分段直線構成的內環。4榀主桁架在內環附近截斷，避免了過于復雜節點的出現。用分段直線代替主桁架空間彎扭曲線弦桿，減小構件的加工難度。將腹桿傾斜角度控制在60°左右，網格大小盡量均勻，上、下弦節點對齊，具有較好的對稱性。
    2 工程特點與難點
    2．1 規模大、尺度大
    鋼結構屋蓋由主結構與次結構組成，屋頂主結構均為箱型截面，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，桁架高度為12.000m。支撐主桁架的24根組合鋼柱（桁架柱）分別由兩根1200mm×1200mm的彎扭箱型外柱和一根菱形內柱組成，荷載通過它們傳遞至基礎。立面次結構截面基本為1200mm×1000mm，頂面次結構截面基本為1000mm×1000mm。
    2．2 結構形式復雜
    國家體育場屋蓋建筑外表面的幾何形狀是由一個橢圓柱在一個圓環內側切割出來形成的，立面則由一根與地面成75度左右夾角的一根直線沿著橢圓形曲面的邊緣旋轉形成，在頂面與立面之間通過半徑固定的圓弧過渡，從而形成整個鳥巢外表面。由于建筑要求結構構件外表面位于建筑曲面上，因此，整個結構中存在大量的彎扭構件。同時，由于鳥巢建筑外形無序編織的“凌亂”性，構件相交形成的節點形式十分復雜，在同一結構中每一個節點均不相同。

    2．3 主次結構安裝不同步
    為盡量降低工程量，次結構設計為單梁形式，在主結構自重變形完成后安裝（保證次結構在主結構變形時不受力）。由于該結構為空間曲面三維體，當主結構安裝完成卸載后，主結構上與次結構連接的牛腿管口位置將發生較大變化（最大達400mm），這將給后期次結構的安裝帶來極大的困難。
    2．4 構件復雜
    該結構構件極為復雜，桁架柱柱腳外形尺度十分巨大（長、寬、高約4×5×6），板件厚（最厚達110mm）,最大單件重達160多噸；外柱沿高度方向不斷扭轉，外柱與腹桿節點的形狀十分不規則，最重的一根桁架柱重達700多噸；桁架柱肩部構件全部為彎扭構件，且彎扭幅度很大，當構件在此部位相交時，構件的翼緣板在兩個方向均為曲面；頂面主桁架由于在內環附近相交的夾角很小，連接的腹桿較多，內部空間十分狹小。

    2．5 材料種類多、鋼板厚
    整個結構最大限度地利用了不同材料的特性，合理使用材料。該項目中選用鋼材有Q235B、Q345B、Q345C、Q345D、Q345GJC-Z、Q345GJD-Z、Q460E-Z等7種，還有一種鑄鋼件GS-20Mn5，這使工廠加工制作及材料管理的要求很高，同時大量不同材料間的焊接也為多種焊材的使用提出了更高要求。
    鋼板厚度從10～110mm不等，棱形柱底部和頂部少量為90~110mm，其余為50~80mm；方形斜柱板厚絕大多數為30、25、20mm。桁架板厚個別段為50mm外，其余均在40mm以下，大多數為30、25、20mm。腹桿板厚有20、14、10mm，多數為10mm。次結構板厚最大36mm，絕大部分為20mm以下。
    3 加工關鍵技術
    3．1 深化設計
    彎扭構件實體模型的建立是該項目詳圖設計的關鍵之關鍵，通過在AutoCAD平臺上自行開發的程序很好的解決了這個問題，不但建模精度高，而且建模效率得以大大提高。
    3．2 彎扭構件制作技術
    外柱彎扭構件箱型截面較大（1200×1200mm），板較厚（最厚達60mm），焊縫均為全熔透焊縫，焊接量大，變形難以控制。次結構彎扭構件箱型截面由800mm~1200mm，板較薄（最薄為10mm）。由于板較薄，勁板數量多，節點處桿件相互貫穿，焊接空間較小。焊接變形較大，并且難以校正；空間定位困難，構件測量較難。
    實際工程中開發的無模多點成型技術很好地解決了彎扭構件的制作。

    3．3 巨型柱腳制作技術
    巨型柱腳結構復雜，有箱型截面、斜T型截面，還有多邊形截面，箱體節點內部橫、縱向隔板較多，其外形尺寸為5384×4755×6250，重達162 t，柱腳節點若整體組裝，無法滿足運輸條件，因此將柱腳分段，并進行預拼裝。

    3．4 巨型桁架柱制作技術
    “鳥巢”菱形內柱屬于組合鋼柱的一部分，截面為菱形狀，菱形內柱和外柱之間有許多腹桿，特別是菱形內柱下柱頂節點處，桿件交匯數量非常集中，有10余根腹桿相交，鋼板厚度大，制作難度高。制作中分為牛腿的預拼裝和桁架柱的拼裝兩個關鍵過程。


    4 “ 十”大焊接技術的運用
    “鳥巢”工程獨特的全焊接重型鋼結構高空大跨度馬鞍型設計造型，結構十分復雜，應力應變狀態難以控制。鋼結構工程總用鋼量約4.8萬噸，共涉及7種鋼材：Q235B、Q345C、Q345D、Q345GJC、Q345GJD、Q460E、GS-20Mn5V。焊接貫穿整個工程，是工程的主要施工難關之一，是決定結構安全運營的主導工序。
    主、次結構現場安裝焊縫大多為受力焊縫，根據設計要求均為一級全熔透焊縫，施工難度大，質量要求高。鋼結構安裝工程采用的焊接技術有SMAW、GSMAW、FCAW-G(H、F、V)；部分采用了GMAW-A(實芯CO2氣體全自動焊)，FCAW-GA(藥芯CO2氣體全自動焊)。
    為了確保國家體育場焊接工程的成功，采用了以下“十”大焊接技術：
    ⑴控制應力應變焊接技術
    ⑵厚板高強鋼（厚板、Q460高強鋼）焊接技術
    ⑶CO2氣體高能密度保護焊接技術
    ⑷大規模采用仰焊技術
    ⑸低溫焊接技術
    ⑹抗層狀撕裂焊接技術
    ⑺異種鋼焊接技術
    ⑻遠紅外預熱焊接技術
    ⑼自動焊接技術
    ⑽寬間隙焊接處理技術

    5 鋼結構安裝關鍵技術
    5．1 主結構吊裝方案
    主結構由24榀主桁架和24根桁架柱組成，共劃分為230個安裝單元，其中：主桁架共分為182段（平面桁架共166段，立體桁架共16段），最大吊裝重量約216 t，吊裝長度最大約45m；桁架柱共分48段，最大吊裝重量約288 t。
    采用兩臺履帶吊，外圈800噸吊機吊裝86個主桁架安裝單元和48個桁架柱安裝單元；內圈600噸吊機吊裝96個主桁架安裝單元。其中桁架柱吊裝I區為一臺LR1800型，工況配置為：主臂56米，仰角88°，副臂35米，超起配重350 t 。II區為一臺CC4800型，工況配置為：主臂54米，仰角88°，副臂42米，超起配重260 t 。600t履帶吊均為CC2800型，工況配置為：主臂60米，仰角88°，副臂36米，超起配重250 t 。

    5．2 次結構吊裝方案
    次結構全面分布在建筑的外圈、內圈、頂面和肩部。頂面及肩部次結構的吊裝，每個施工區域選用1臺CC2000型300t履帶吊和1臺SC1500型150t履帶吊進行。其中300t履帶吊布置在外環，負責肩部次結構、外圈及部分中圈頂面次結構的安裝，150t履帶吊布置在內環，負責內圈及部分中間頂面次結構的安裝，所選吊機的具體性能參數分別如下：
    CC2000型300t履帶吊工況配置：主臂66米，仰角88°，副臂54米
    SC1500型150t履帶吊工況配置主臂56.4米，仰角80°，副臂36.6米

    5．3 鋼結構支撐塔架卸載技術
    卸載是鋼結構施工的重要環節，即在鋼結構完成合攏形成整體結構后，卸除鋼結構在施工過程中所賴以承托的臨時支撐，而使鋼結構自主支撐受力。
    “鳥巢”卸載點分布廣，在內圈、中圈、外圈78個卸載點中，單點最小支撐力為100噸，最大的為300噸，其余的為200噸左右。78個支撐點需要等比整體卸載，劃分為十個區域，每個區域配一個控制器，每個卸載點配備2臺液壓千斤頂，內圈每個卸載點配備一臺油泵，外圈和中圈每個油泵控制2個卸載點，按七大步進行卸載，每一大步又分為五小步進行，共計三十五小步。五小步驟實施的位置按順序依次是：外圈、中圈、內圈、中圈、內圈。每一小步驟內，要經歷3個準確無誤的工藝環節：第一環節，升起千斤頂，使它與“墊塊”一起支撐鳥巢（墊塊是指鋼柱與鳥巢之間可以活動的塊狀鋼鐵，每一根鋼柱的頂端都有50毫米厚的數塊墊塊）；第二環節，撤去鋼柱頂端的第一層墊塊，這個區域的受力完全由千斤頂支撐；第三環節，千斤頂緩慢下降，一直降到第二層墊塊的高度，此時這個區域的受力再次由鋼柱與千斤頂共同承擔。就這樣，千斤頂與鋼柱交替受力，交替下降，在上述5個位置上重復后，5小步驟再循環往復7次，也就是7大步驟，直至卸載完成。之所以如此細致分步進行，是為了卸掉臨時支撐，在給“鳥巢”鋼結構加載過程中讓鳥巢均勻、漸進地自主受力。
    “鳥巢”的巨大屋頂鋼結構在卸載后會由于自重的原因而產生一定的下降位移 ，對于位移的數值有一個經設計計算得出的理論值，但實際的位移量由于種種原因不可能與理論值完全符合，這是卸載工作的難點之一。2006年9月17日所進行的最后一次卸載設計理論計算值為286mm，實時監控值為276mm，與理論計算值基本吻合，卸載非常成功。
    卸載關鍵技術包括計算機仿真模擬技術、計算機同步控制技術和結構安全檢測技術。

    6 結語
    國家體育場“鳥巢“工程是對整個鋼結構行業的各個方面產生重要影響的工程，該工程中的加工和安裝關鍵技術的成功應用，達到提高了我國的鋼結構相關領域的技術水平，也為我國培養了一大批鋼結構行業的技術人才。長江精工鋼結構集團股份有限公司參與了國家體育場鋼結構工程的深化設計、加工和安裝的任務，公司投入了大量的專家和技術骨干來攻克該工程中各個環節的各個難關，本文只不過是對他們的工作成果進行了總結，在此對他們的工作表示感謝。

    參考文獻
    [1] 國家體育場施工組織設計文件，2005
    [2] 國家體育場鋼結構設計文件，2005
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