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國家體育場(鳥巢)工程鋼結構空間巨型桁架安裝工藝

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

    封葉劍 魏義進 劉子祥
    （北京城建精工鋼結構工程有限公司，北京100012）

    提 要：國家體育場鋼結構安裝工程，主桁架分項根據安裝實際情況被分成空間立體桁架和平面桁架兩種吊裝單元。空間立體桁架的多對口對接、平面桁架的翻身過程穩定性是該分項工程的重難點。
    關鍵詞：鳥巢鋼結構、空間巨型桁架、龍門吊、三機抬吊、安裝工藝
    一、工程概況
    國家體育場位于北京市城府路南側，奧林匹克公園中心區內，是北京2008年奧運會的主體育場。建筑頂面呈馬鞍型，長軸為332.3m，短軸為297.3m，南北跨度結構相對標高為42.246m，東西跨度結構相對標高為69.900m，屋蓋中間開洞長度為185.3m，寬度為127.5m。主桁架圍繞屋蓋中間的開口放射形布置，與屋面及立面的次結構一起形成了"鳥巢"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構成的內環。鋼結構總量約4.6萬噸，構件截面均為箱形截面，其空間位置復雜多邊，形體宏大、美觀。

    國家體育場主桁架共有48榀，分別由外圍24榀桁架柱開始向中間延伸，在中間形成橢圓形的環。主桁架總用鋼量約14000噸，桁架柱約17020噸，主桁架與桁架柱一起共同形成如圖1.2所示的主要承力體系。主桁架的軸線高度為12m，上下弦及腹桿均為箱形截面構件。

    目前工程主結構構件加工制作、拼裝已經完成，現場主結構安裝接近尾聲，鋼結構安裝重量已經超過四分之三，其中桁架柱已安裝完成，鳥巢形體初現端倪。
    二、主桁架分段及設備選擇
    打垮度空間巨型桁架的吊裝分段很重要，不僅要考慮各分段重量、安裝作業半徑和國內、現有吊機資源的匹配，同時各分段在支撐塔架上的臨時固定及相互搭接各分段間吊裝順序的確定同樣是施工的關鍵。根據支撐塔架的設置及主桁架的空間交叉情況，將屋蓋主桁架共分成182吊。其中，內環吊裝單元共96吊，空間桁架16吊，平面桁架80吊；外環吊裝單元共86吊，均為平面桁架。
    綜合考慮體育場主桁架大型構件的吊裝，主桁架最終選用一臺CC4800型800T履帶吊和CC2800型600T履帶吊吊裝。800T履帶吊在場外吊裝外環主桁架，600T履帶吊在場內吊裝內環主桁架。外環主桁架在南北向安裝高度相對較低，作業半徑較小，但箱形構件的管壁厚，構件吊裝單元重，所以800T履帶吊采用主、輔臂短，主臂仰角大的塔式工況；而處于東西向的外環主桁架安裝高度大，作業半徑大，構成桁架的箱形截面壁厚薄，構件吊裝單元輕，選用主、輔臂長，仰角小的塔式工況。內環主桁架除了存在與外環主桁架相同的吊裝分部情況外，還有大量的空間立體桁架的吊裝。由于所有的空間立體桁架均處在最內環，作業半徑小，也不用跨越障礙，同時構件重，起重要求高，所以選用帶超起的主臂工況，而其他的內環之桁架同樣遵循了外環主桁架一樣的工況選用情況，選用兩種帶超起的塔式工況。
    外環南北向最重的吊裝單元重140噸，安裝高度為50m，最大作業半徑為42m；外環東西向最重的吊裝單元重90噸，安裝高度為64m，最大作業半徑64m。內環所有空間立體桁架最重為250噸，安裝高度為46m，最大作業半徑為38m；南北向最重的吊裝單元重140噸，安裝高度為44m，最大作業半徑為48m；內環東西向最重的吊裝單元重120噸，安裝高度為58m，最大作業半徑38m。根據此，內外環800T、600T履帶吊的工況選用如下表所示：



    三、吊點設置、吊耳設計及索具選擇
    （一）空間巨型桁架安裝的吊點、吊耳及索具
    空間桁架最重的分段為S5，其凈重為268T，空間桁架的拼裝姿態與就位安裝時的姿態相同。根據空間立體桁架的分段情況，立體桁架的吊裝采用三點吊裝，一點用定長繩圈，其他兩點采用滑輪組。構件從拼裝的胎架上脫胎后，由于加工制作、安裝等各種累積誤差，姿態與最終安裝就位的姿態略有差別，采用滑輪組可將桁架在地面精確地調整到安裝就位的姿態，將大量地高空校正作業在地面完成。三個吊點均設置在桁架腹桿K型交叉節點勁板對應的上表面，同時，三吊點的平面投影連線形成的三角形將重心包含在內。主吊點設置在受力最大的吊點上，輔吊點于其他兩個受力相對較小的吊點。

    主桁架的吊裝不存在翻身，采用板式吊耳能滿足。為了避免吊耳平面外受力，偏移吊耳在上弦平面的角度，使吊耳板平面與相應的吊繩在同一個平面內。同時，在吊繩受力大或桁架上弦上翼緣板厚薄的地方，為了減小上翼緣板面的變形，將吊耳的受力由上弦上翼緣順利傳到上弦腹板，在吊耳相應的翼緣位置焊接L形刀板堪固。這樣，既加強了焊接吊耳的上翼緣板的面外剛度，又很好的將力傳至腹板平面。


    （二）平面桁架安裝吊點、吊耳及索具
    平面桁架采取平面拼裝,胎架翻身立直工藝。平面桁架的主吊點除了要考慮就位時對吊點、繩索具的要求外，還需兼顧脫胎、翻身時的工藝要求。主桁架在龍門吊底下拼裝，因此，翻身采用兩臺龍門吊輔助進行。采用龍門吊翻身溜尾重點的是控制龍門吊的平面外受力及兩臺龍門吊均勻受力。因此，龍門吊兩吊點需設置為到過重心且垂直上下弦軸線的垂直線等距離的兩點。800T的主副吊點根據桁架就位時的姿態設置，保證就位時主副吊繩與大地垂線的夾角大致相等，同時吊點盡量設置在主桁架節點區域，或非節點區域但有勁板的地方。但吊耳的布置除考慮就位時受力狀態外，重點要考慮在起扳過程中索力對吊耳平面外受力的情況。根據構件脫胎、起扳、就位等各個工序中吊耳平面內外受力的綜合情況分析、計算得出吊耳合理布置位置及平面傾斜角度。

    四、主桁架吊裝工藝
    根據主桁架的分段及現場場地使用情況，空間主桁架采用立拼、平面桁架采用臥拼的拼裝方式。主桁架吊裝工藝分空間和平面桁架來介紹采用的相應對策：
    （一）空間桁架吊裝工藝
    空間桁架雖然吊裝噸位較平面桁架大，但其采用立拼方式拼裝，脫胎后不用起扳、回直直接調平就位，吊裝工藝相對平面桁架簡單，空間桁架主要是脫胎和調平及其過程中的主要控制措施：
    （1）空間桁架噸位大，分擔到滑輪組上的受力也大，如圖3.4所示，采用多門滑輪組在調平過程跑繩行程長。傳統構件姿態調節工具采用葫蘆調整，速度慢、要換行程次數多。本工程采用小型汽車吊來抽滑輪組跑繩，由于汽車吊高，整體調整過程更換行程的次數少，抽繩快，效率高。
    （二）平面桁架吊裝工藝
    平面桁架雖然吊裝噸位較空間桁架小，但其采用臥拼方式在龍門吊下拼裝，脫胎同時起扳、回直，而后在龍門吊拼裝時吊點場地外調平再提升就位，吊裝工藝相對復雜，平面桁架吊裝主要是脫胎、起扳和調平等施工工序及其過程中的主要控制措施：
    （1）脫胎時800T履帶吊提升主桁架的上弦，兩臺龍門吊提下弦三機抬吊。三機抬吊三吊點平面投影范圍包含重心，保證三點同時受力，如圖3.5所示；同時，過重心垂直構件上下弦的輔助線到兩龍門吊點的距離相等，確保兩龍門吊均載，且便于在起扳過程中監測、控制。
    （2）脫胎后起扳，起扳時為監控桁架下弦兩頭均衡提升，在下弦吊掛兩盤卷尺監測下弦離地距離。當兩頭離地距離不等時，調整兩龍門吊吊鉤使構件兩端平衡。由于龍門吊鉤下沒有測量構件重量的儀器，這里通過控制兩吊點至重心線的垂直距離及起扳過程中兩點平衡，確保兩龍門吊均勻受力。
    （3）構件起扳調平后，吊車開行至就位點就位，為合理使用大型吊機，采用卡馬板就位的方式就位。根據吊裝構件的長度、重量、重心位置，計算上下弦斷口卡馬板臨時固定受力需要的馬板規格、長度、焊縫長度。先焊接上下弦上表面卡馬板，構架到達安裝就位位置，校正合格將其他三面卡馬板焊接完畢，吊機即可松鉤。

    （三）構件的調平
    當空間主桁架脫胎或平面桁架完全立直，構件所處于的狀態，同實際需要安裝就位的姿態還存在一定的角度。主要表現為，桁架各安裝對口點的相對高差不符合設計的最終相對高差。通過調整動滑輪組的長度，將構件各安裝斷口的相對高差調整到設計要求，構件調平達到合格，就位后再根據各對口已安裝的構件牛腿及設計標高精確調整構件的就位位置。構件地面調平的目的是將大量的高空調整、校正工作在地面來完成。
    五、主桁架安裝對口控制
    有余鳥巢結構的復雜性，加之加工制作、安裝等各種偏差的因素，造成構件對口錯邊及焊縫間隙及往往達不到設計和規范要求。為此，在這兩點問題上，通過大量的研究分析，提出如下兩點方案：
    （一）錯口偏差處理方法
    國家體育場鋼結構所有構件均為全焊接箱形構件，閉口箱形構件在安裝對口時處理困難，而傳統鋼結構開口構件的安裝對接是有經驗，可以借鑒的。根據這一思想，在作安裝方案時考慮將閉口構件的安裝向開口構件轉化。如圖5.1所示，在構件加工制作時，對所有的高空對接口處的后裝箱形構件的組立焊縫預留300mm長不焊接，作為后續安裝對口的預留段，便于調整對口處的錯邊調節。待錯邊調整合格后，先將構件的組立焊縫焊接完畢，再來焊接對口焊縫。

    對于錯口位置距離構件節點較遠，可調節的自由段比較長的構件，在自由段范圍內可調的，采用千斤頂或火工矯正方法，以滿足錯口偏差的施工驗收要求，同時滿足設計有關建筑外形平緩過渡的要求。
    對于受到安裝接口和節點限制，錯口位置距離構件節點較近，可調的自由段長度較小構件，在千斤頂及火工矯正方法無法滿足要求時，采取換板件或后裝段的處理方法保證滿足驗收標準和設計建筑外形的要求。換板或后裝段的具體做法應針對不同錯口的具體情況作具體的洽商變更處理。
    （二）間隙偏差處理方法
    主結構板厚集中在20-40mm，結合本項目施工質量驗收標準及《建筑鋼結構焊接技術規程》（JGJ81-2002）關于焊縫間隙小于2倍板厚的要求，間隙偏差采用如下兩種方案處理：
    （1）間隙在35mm以內（小于1.75板厚）的焊縫，可以用焊縫堆焊的方式減小焊縫間隙。
    （2）間隙大于35mm，采用換板件或后裝段的方式進行具體的洽商變更處
    為了驗證上述寬焊縫間隙條件下焊縫綜合力學指標，施工前進行了相關的堆焊工藝試驗、寬間隙焊縫焊接工藝評定試驗以及焊接變形試驗。
    試驗結果表明：
    （1）正常間隙和寬間隙焊縫焊接試板的焊接變形相比相差不大，說明寬間隙焊縫對焊接變形影響很小，相應的對焊接應力影響也應很小；
    （2）所進行的15組焊接工藝評定試驗結果全部合格，說明寬間隙焊縫焊接接頭的力學性能能滿足規范和設計要求；
    （3）按照試驗中采取的堆焊工藝??“在焊縫一側堆焊以減小焊縫間隙到正常間隙后，再進行正式焊接”，是可以保證焊縫接頭的力學性能的，堆焊工藝是可行的。
    六、總結
    國家體育場主桁架的安裝難度主要表現在：
    1、屋頂主桁架整體支撐點的布置選擇，吊裝單元分段；
    2、空間主桁架的吊點、吊耳布置，索具選擇；
    3、平面主桁架采用龍門吊輔助翻身的操作工藝；
    4、主桁架安裝對口的處理。
    通過對以上各個難點的逐個研究分析，找出相應的對策，并以科學的試驗為依據，國家體育場的主結構安裝已經取得了工期、質量、安全上的全面成功，這也給同類工程提供了寶貴的借鑒經驗。
    參考文獻
    （1）何焯，設備起重吊裝工程便攜手冊，北京：機械工業出版社，2005.1；
    （2）朱學敏，起重機械，北京：機械工業出版社，2003.6；
    （3）中國鋼結構協會，建筑鋼結構施工手冊，北京：中國計劃出版社；
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